基于光電傳感器和CCD聯(lián)合循線的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于光電傳感器和CCD聯(lián)合循線的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文介紹一種在飛思卡爾智能車比賽中，將光電傳感器和CCD結(jié)合使用的循線智能車設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)采用飛思卡爾16位微控制器MC9S12DB128B作為核心控制單元，通過對光電傳感器以對及面陣CCD各自特點(diǎn)的分析，提出組合循線的具體軟硬件方案，并重點(diǎn)對循線控制算法進(jìn)行研究，最后對我們的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：智能車、光電傳感器、CCD、路徑識(shí)別中圖分類號(hào)：TP1Abstract:ThisarticleintroducedadesignandprojectthatusearrayCCDandphotoeletricityswitchasthesensorstorecognizeracewayandcontrolthesmartcarintherace.Intheproject,a16bitMCUMC9S12DB128Bwasusedasthecorecontroller.Fromtheanalyse,thewholedesigningofthesystemwasgaveout.Andwestudythecontrolleralgorithm,thenwetestthesystem,andgiveouttheconclusion.引言在普通的循線小車的制作中，經(jīng)常采用到的尋跡方案是采用光電傳感器來識(shí)別道路信息。光電傳感器由發(fā)光管和接受管組成，用戶可以選擇將接收二極管接收信號(hào)采用數(shù)字或模擬的方式進(jìn)行處理。采用數(shù)字量進(jìn)行處理時(shí)，其電路相對簡單，并且占用控制器CPU的資源少，對采集到的開關(guān)信號(hào)處理起來也相對容易，處理速度也較快。在單獨(dú)使用光電開關(guān)時(shí)，用戶也可根據(jù)自己的選擇，選用數(shù)字或模擬的方式對信號(hào)進(jìn)行采集。數(shù)字方式，其電路相對簡單，并且占用控制器CPU的資源少，在單片機(jī)上對采集到的開關(guān)信號(hào)處理起來也相對容易，處理速度也較快。而模擬方式精度較高，且對路面的信息提取較前者準(zhǔn)確，但通過單片機(jī)處理時(shí)，需要將采集到的模擬信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，電路相對復(fù)雜；在處理速度上，因需考慮到AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間，故采集速度較前者稍慢。本文所研究的系統(tǒng)采用的是數(shù)字方式循線。即傳感器陣列采用反射式集成光電開關(guān)。其原理為紅外發(fā)光二極管上電后發(fā)出紅外光，當(dāng)外界將光反射回來，被光敏二極管接受到時(shí)，光電開關(guān)信號(hào)線發(fā)出信號(hào)為低電平；當(dāng)光線被外界吸收后（在此即指傳感器下壓住的路面為黑線），光敏元件沒有接收到光信號(hào)，此時(shí)傳感器發(fā)出信號(hào)為高電平。由此即可識(shí)別路線。CCD（ChargeCoupledDevices）是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的圖像傳感器。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理它把圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這樣便實(shí)現(xiàn)了對非電量進(jìn)行電測量。CCD傳感器的工作速度快、測量精度高，并且具有體積小、重量輕、噪聲低、、壽命長的特點(diǎn)，因此應(yīng)用非常廣泛，在精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中，發(fā)揮著重要的作用。將CCD與光電管作對比，單獨(dú)采用光電傳感器作為循線方案時(shí)，循線的精度低，可以識(shí)別的道路信息少，并且大量使用光電傳感器要占用過多的CPU的I/O端口資源；另一方面，若要對小車在行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)提前校正，只用光電傳感器無論是在精度上，還是在安裝定位上都存在困難。而CCD圖像傳感器的分辨率遠(yuǎn)高過前者——大約都在300線以上，并且由于CCD采集到的是圖像信息，通過它還可以得到道路的方向及曲率等幾何信息。我們可以通過對采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行處理，得到準(zhǔn)確的路面信息，達(dá)到有效的控制。但CCD的難點(diǎn)在于信號(hào)采集速率受單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換速度限制，圖像存儲(chǔ)空間有限，以及圖像處理算法復(fù)雜等。但綜合分析比較，可以將兩者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中結(jié)合起來，能夠在一定程度上達(dá)到互補(bǔ)的效果。系統(tǒng)硬件方案分析硬件設(shè)計(jì)需求，我們的設(shè)計(jì)要求是：模塊化，這樣做一方面是為了便于安裝和拆卸，對于一個(gè)微小型的基本系統(tǒng)來說，系統(tǒng)電路的尺寸和安裝位置對整個(gè)系統(tǒng)的整體性能是有一定影響的。另一個(gè)最主要的原因是，利用模塊化設(shè)計(jì)思想，將各功能模塊的電路獨(dú)立制版，有利于我們對所提出的多種方案的進(jìn)行組合和驗(yàn)證。簡單化，這里的意思是指盡量使用現(xiàn)成的功能元器件模塊和設(shè)計(jì)方案，以便簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)，使得時(shí)間更多的投入到算法設(shè)計(jì)及軟件編制中。同時(shí)這也是為了使系統(tǒng)可靠其間。但是一些重要的環(huán)節(jié)還是不能省的。外形、尺寸同小車機(jī)械結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化。由于比賽要求給整個(gè)智能車供電的電源只有一塊2000mA/h的7.2V的可充電池，電源有限，故設(shè)計(jì)要考慮到將電路的功耗控制到一個(gè)較低水平。根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)思想，其相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。電源系統(tǒng)、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元等3方面的內(nèi)容。其中外接電源為大賽統(tǒng)一提供的7.2V可充電電池，電源電路為防止短路等故障發(fā)生，須在設(shè)計(jì)中考慮短路過流保護(hù)?？刂茊卧饕蒘12單片機(jī)以及相應(yīng)的邏輯電路構(gòu)成，其中對小車所進(jìn)行的所有控制均通過以該單片機(jī)為核心的控制電路進(jìn)行。另外我們設(shè)計(jì)了一個(gè)編碼器用于反饋速度信號(hào)，形成速度閉環(huán)控制。MCUMCUMC9SDG128BAD轉(zhuǎn)換同步分離CCD驅(qū)動(dòng)器電機(jī)光電編碼盤光電開關(guān)傳感器舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)供電電源電源電壓系統(tǒng)5V光電碼盤5V舵機(jī)5V電機(jī)信號(hào)采集CCD12V光電開關(guān)5V圖1系統(tǒng)硬件框圖各功能模塊設(shè)計(jì)如下：1）循線傳感器信號(hào)采集模塊光電開關(guān)由于光電開關(guān)輸出信號(hào)容易受到環(huán)境光線干擾，故我們使用帶有施密特觸發(fā)器的非門電路74LS14把光電對管輸出信號(hào)進(jìn)行處理，使得經(jīng)過非門電路的信號(hào)反相延時(shí)后符合單片機(jī)的輸入要求，保證單片機(jī)能夠正確處理。CCD在對路面信息的檢測方面，在CCD的應(yīng)用中，除供電部分外，硬件方面主要考慮這幾方面：驅(qū)動(dòng)、同步分離、AD轉(zhuǎn)換等部分。電源模塊供電部分包括對單片機(jī)系統(tǒng)供電，對舵機(jī)、電機(jī)供電、對傳感器供電等部分。我們采取用兩片7805將輸出電壓在7.2V以上的電源的穩(wěn)在5V，一個(gè)對單片機(jī)系統(tǒng)及光電傳感器進(jìn)行供電，另一片單獨(dú)對舵機(jī)供電。其典型應(yīng)用如下圖：對于CCD來說，它的電壓工作電壓為12V，我們采取PWM斬波升壓電路。其典型應(yīng)用如下圖為：圖2斬波升壓電路通過計(jì)算，有Vout=Vin*1/(1-a);其中a為占空比，可以知道若Vin=5V,那么a=0.58，輸出電壓為12V．這里的FET選用的是IRFR2807。速度檢測模塊數(shù)字光電編碼器是我們自制的，碼盤光柵為36線，將其固定在小車車后軸上能有效的檢測小車行使速度。其檢測電路如下所示：圖3光電對管檢測電路圖4自制光電碼盤作為光電對管，其信號(hào)檢測原理與前述光電開關(guān)管相同。發(fā)射管陰極下拉電阻為270Ω、接收管的上拉電阻為510K。由于接收管輸出信號(hào)容易受到環(huán)境光線干擾，故我們使用帶有施密特觸發(fā)器的非門電路74LS14對光電對管輸出信號(hào)進(jìn)行整形處理，使得經(jīng)過非門電路的信號(hào)反相延時(shí)后符合單片機(jī)接口對信號(hào)的輸入要求，以保證單片機(jī)接口能準(zhǔn)確的采集到信號(hào)。當(dāng)小車電機(jī)帶動(dòng)車軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來時(shí)，固定在車軸上的碼盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)射管發(fā)出的紅外光透過光柵鏤空的透光縫，接收管接收到光信號(hào)后整形輸出高電平，再經(jīng)7414反相延時(shí)后輸出穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。碼盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈輸出36個(gè)脈沖信號(hào)。單片機(jī)對此脈沖信號(hào)進(jìn)行處理后就能夠得到小車當(dāng)前行駛速度。圖像處理算法圖像處理的算法是采用動(dòng)態(tài)閾值比較對信號(hào)進(jìn)行二值化處理，得到每行中心線的水平信息，然后通過擬合參數(shù)得到中心線在圖像坐標(biāo)系中的位置、方向及曲率等信息。采用的方法主要有三個(gè)：1、直線的擬合2、圓周的擬合3、“S”曲線的擬合其中，直線的擬合為基礎(chǔ)，方法如下：按照普通方法設(shè)直線方程為，下圖一幅典型的CCD拍攝的賽道圖像二值化處理之后的得到的圖像為例：圖5賽道圖像連接任意相鄰的兩個(gè)點(diǎn)得到一個(gè)斜率，通過斜率的變化分別簡單判斷當(dāng)前是直線，圓周還是S曲線，從而得到相應(yīng)算法．系統(tǒng)控制核心算法結(jié)構(gòu)我們的設(shè)計(jì)是基于光電傳感器和CCD結(jié)合的信號(hào)檢測方案。光電傳感器操作簡單，控制周期短，但其賽道分辨率低，識(shí)別到的道路信息量比較少，前瞻性差，且易受環(huán)境光線干擾；而CCD則不存在這些問題，然而，CCD卻有著在檢測和處理時(shí)速度相對較低的缺點(diǎn)。我們在軟件設(shè)計(jì)中綜合了兩者的特點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)在這兩方面達(dá)到一定的互補(bǔ)效果。程序算法結(jié)構(gòu)包括圖像采集、圖像處理、光電開關(guān)識(shí)別，辨識(shí)并提取信息、PID控制等模塊。實(shí)際的應(yīng)用中是以CCD為主，以光電管為輔的方法．通過光電管來校正CCD的信號(hào)檢測不足。其軟件流程圖如下所示：CCD圖像檢測數(shù)據(jù)擬合是否為CCD圖像檢測數(shù)據(jù)擬合是否為錯(cuò)誤狀態(tài)光電管檢測是特殊曲線算法一般算法是否為特殊曲線是否否圖6結(jié)論經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，我們的方案是可行的，并且經(jīng)參數(shù)調(diào)節(jié)后，能夠達(dá)到較好的成績。且行駛狀態(tài)穩(wěn)定，程序運(yùn)行可靠。但仍需進(jìn)一步測試以提高成績。

參考文獻(xiàn)[1]黃開勝金華民蔣狄南韓國智能模型車技術(shù)方案分析電子產(chǎn)