摄像头智能车设计方案-.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Click to edit Master title style,TM,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Freescale Semiconductor Confidential and Proprietary Information.Freescale and the Freescale logo aretrademarksof Freescale Semiconductor,Inc.All other product or service names are the property of their respective owners.Freescale Semiconductor,Inc.2005.,Slide,*,摄像头,智能车设计,方案,2025/4/6 周日,1,Slide 2,主要内容,摄像头智能车系统概述,单片机片上资源分配,摄像头及图像处理,电机、舵机及其控制,硬件设计方案,软件设计方案,2025/4/6 周日,摄像头智能车系统概述,Slide,3,CCD,摄像头,ColdFire,系列单片机,MCF52259,最小系统,Futaba S3010,舵机,智能车系统主板,光电编码器,驱动模块及直流电机,2025/4/6 周日,摄像头智能车系统概述,Slide,4,MCF52259,控制器,电源管理,模块,CCD,图像,采集模块,蓝牙串口,通信模块,舵机,转向轮,BTS7960,驱动模块,直流电机,驱动轮,光电编码器,系统总体框图,2025/4/6 周日,摄像头智能车系统概述,智能车的工作过程：,摄像头捕捉跑道的图像，并传输给单片机；,单片机内嵌程序对图像信息进行处理，根据控制策略得出电机应达到的转速和舵机应有的打角，并控制舵机和电机驱动模块作出相应的动作（舵机改变打角、电机加减速）；,光电编码器跟随小车的运行向单片机发出脉冲，单片机通过脉冲计数模块记录脉冲个数从而计算出电机转速，并进行速度调节；,Slide,5,2025/4/6 周日,单片机片上资源分配,Slide,6,小车功能模块,信号类型,对应单片机模块,传输方向*,图像采集,（以,CCD,为例）,模拟（图像信息）,数字（中断信号）,AD,、,ECT,输入捕捉（或,INT,中断）,输入,光电编码器,数字（脉冲）,ECT,脉冲累加,PA,输入,舵机,数字（,PWM,）,PWM,模块,输出,电机驱动模块,数字（,PWM,）,PWM,模块,输出,蓝牙串口通信模块,数字,SCI,模块,输入和输出,*传输方向指对单片机而言,2025/4/6 周日,单片机片上资源分配,内存分配,内存用于程序运行期间指令、变量的存储。,单片机内存较小（以,XS128,为例，,8K,），应避免浪费。,尤其应注意图像数据（二维数组）的存储空间,Slide,7,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,60,行,100,列,60,100Byte,=6KB,char Image60100,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,摄像头的选用,根据感光器件单元分类，摄像头有两类：,CCD,和,CMOS,二者比较如下：,灵敏度高决定了图像动态性好，高解析度决定了前瞻距离远。,因此,CCD,摄像头是较好的选择。,Slide,8,CCD,CMOS,灵敏度,同样面积下高,感光开口小，灵敏度低,成本,成本高,CMOS,整合集成，成本低,解析度,高,低,噪点比,噪点低,高,功耗,高,低,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,Slide,9,CMOS,CCD,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,按输出信号类型划分，摄像头又可分为模拟式和数字式。,模拟式可见于,CCD,和,CMOS,，,数字式目前做智能车可用的只有,CMOS,。,Slide,10,OV7620,数字摄像头,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,摄像头信号,信号制式：,NTSC,、,PAL,、,SECAM,1.,正交平衡调幅制,National Television Systems Committee,，简称,NTSC,制。采用这种制式的主要国家有美国、加拿大和日本等。,2.,正交平衡调幅逐行倒相制,Phase-Alternative Line,，简称,PAL,制。中国、德国、英国和其它一些西北欧国家采用这种制式。,3.,行轮换调频制,Sequential Coleur Avec Memoire,，简称,SECAM,制。采用这种制式的有法国、前苏联和东欧一些国家。,智能车摄像头通常为,PAL,制式,Slide,11,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,PAL,制式信号,特点：每秒,25,帧，每帧,625,行，分为奇场（由第,1,，,3,，,5,行组,成）和偶场（由第,2,，,4,，,6,行组成）。,组成：图像信号、复合同步信号、复合消隐信号,Slide,12,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,PAL,制式信号,复合消隐信号的作用：,在图像的分解或恢复的扫描逆程中，若不采取措施，将出现行、场回扫线，这将对正程所传送的图像起干扰作用。复合消隐信号能消除行、场回扫线。,复合同步信号的作用：,为了收、发同步的需要，视频信号发送端每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲；每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲，它们分别在行与场逆程期间传送，其宽度分别小于行、场逆程时间。,Slide,13,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,PAL,制式信号,Slide,14,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,复合视频信号的分离,Slide,15,行同步,场同步,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,视频信号分离芯片：,LM1881,Slide,16,2025/4/6 周日,图像采集,摄像头与图像处理,Slide,17,LM1881,ECT1 ECT2,AD,场同步,行同步,图像信号,单片机,行、场同步信号分别作为中断源输入单片机，从而确定何时开始采集新的一行、何时采集新的一副图像。,这两个中断信号可称为,“,行中断,”,、,“,场中断,”,。,通常，采集模拟摄像头需要用到单片机,AD,模块，也可采用片外,AD,转换器。,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像采集,Slide,18,初始化,场中断,Lin=0,Col=0,图像处理,相关操作,行中断,Col=0,Lin+,点数足够？,采集一个点，,Col+,END,N,Y,END,图像存储数组为,ImgLinCol,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像采集,图像采集速度受,AD,模块频率限制，应尽可能提高,AD,时钟频率，以提高单位时间内采集的图像点数。,采用片外,AD,芯片代替片上,AD,，或者采用,硬件二值化,，通过,I/O,口读取数据，可明显提高图像采集速度。,图像采集行中断程序应包含尽量少的操作（条件判断、变量累加），以提高程序执行次数。,测试发现，用指针直接访问数组比通过数组名访问数组速度要快，因此对图像数组的访问也应尽量用指针的方式。,Slide,19,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像处理,Slide,20,赛道图像,黑色边线,白色背景,无关信息,弯道,直道,十字交叉,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像处理,灰度图像：,所谓灰度图,(Grayscale),是只含亮度信息，不含色彩信息的图像，就像平时看到的亮度由暗到明的黑白照片，这种变化是连续的。因此，要表示灰度图，就需要把亮度值进行量化。通常划分成,0,到,255,共,256,个级别，,0,最暗,(,全黑,),，,255,最亮,(,全白,),。,本系统所使用的摄像头采集到的就是黑白图像，经过,A/D,（,8,位精度）量化用,256,阶灰度值进行表示。,Slide,21,0,255,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像处理,二值化图像：,根据图像处理的目标和要求，多灰度级的输入图像经过处理以后，就变成只有两个灰度级的图像，这种处理称为图像的二值化处理。经过二值化处理后的图像称为二值图像。,找出一个合适的阈值，当所采图像灰度值大于该阈值时判断为白色，当小于该阈值时判断为黑色。,二值化方法：,软件二值化：阈值比较，条件判断,硬件二值化：电压比较器,Slide,22,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像处理,Slide,24,二值化图像,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像处理,黑线的提取：,常用方法,跳变检测,一行图像,Slide,25,1,1,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,1,图像有效信息,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像处理,赛道图像偏移量的计算,最简单的方法：根据每行中左右两侧黑点的位置，求平均值，得出赛道中心线各点坐标。中心线各点加权求和，得出偏移量，作为控制系统输入。,*速度控制应参考远处图像信息，转向控制应参考近处信息，求和时远近点权重应有所调整。,Slide,26,2025/4/6 周日,摄像头与图像处理,图像处理,特殊情况处理：,十字交叉,黑线不完整（虚线或干扰）,丢失左、右边黑线,未检测到赛道图像（冲出赛道）,Slide,27,2025/4/6 周日,电机、舵机及其控制,MOS,管驱动桥,Slide,28,2025/4/6 周日,电机、舵机及其控制,电机驱动,BTS7960,Slide,29,2025/4/6 周日,电机、舵机及其控制,电机驱动,BTS7960,Slide,30,2025/4/6 周日,电机、舵机及其控制,驱动模块电路图,Slide,31,注：,74LS244,用于隔离单片机与驱动芯片，防止在驱动芯片击穿时烧坏单片机，同时用于限流。,2025/4/6 周日,电机、舵机及其控制,驱动模块控制方法,用,PWM,模块控制：,两路,PWM,，实现正反转（反转用于智能车制动）,占空比大小决定电机输出功率,*为保证电机运转平稳，冲击小，同时考虑驱动芯片最高频率限制，,PWM,频率应设为,115K,，依据实测经验，推荐值为,8KHz,。,Slide,32,2025/4/6 周日,电机、舵机及其控制,舵机（以,Futaba S3010,为例）,Slide,33,2025/4/6 周日,电机、舵机及其控制,舵机（以,Futaba S3010,为例）,引脚定义：,VCC,（红）、,Signal,（白）、,DNG,（黑）,舵机输入信号：,PWM,转角与,PWM,信号的关系：,高电平为,1520us,时：一定为中间位置；,高电平为,920us,时：一定为最左边位置；,高电平为,2120us,时：一定为最右边位置；,说明,：,该舵机的转角只与高电平脉宽有关，与占空比无关。,Slide,34,2025/4/6 周日,硬件设计方案,硬件设计主要模块,电源模块,：,5V/3.3V,稳压模块、,12V,稳压模块（,CCD,供电）、,6V,稳压模块（舵机供电，,S3010,舵机可直接用电池供电）。,图像采集模块,：,视频分离芯片,LM1881,、电压比较器（硬件二值化）、片外,AD,芯片等。,电机驱动模块,Slide,35,2025/4/6 周日,硬件设计方案,电源模块设计,Slide,36,7.2V,镍镉电池,5V,稳压模块,LM2940-5.0,单片机,5V,供电,光电编码器、,LM1881,等,IC,6V,稳压模块,LD1117-ADJ,舵机,Futaba S3010,电机驱动模块,BTS7960,电机,3.3V,稳压模块,AMS1117-3.3,（,3.3V,供电器件或单片机）,12V,稳压模块,LM2577-12,CCD,摄像头,2025/4/6 周日,硬件设计方案,电源模块设计,5V,稳压芯片可选用,LP3853-5.0,芯片，电压更稳，但成本高，电路复杂。,为保证单片机供电稳定、不受干扰，通常为单片机单独分配一个稳压模块。,Slide,37,2025/4/6 周日,硬件设计方案,电源模块设计,Slide,38,12V,稳压模块电路图,2025/4/6 周日,硬件设计方案,图像采集模块,模块示意图（以第七届方案为例）,Slide,39,LM1881,LM393,单片机,行中断,场中断,ECT,TLC5615,I/O,CCD,功能：硬件二值化、动态阈值,DA,转换芯片,2025/4/6 周日,硬件设计方案,图像采集模块,思考：现拟采用片外,AD,芯片,+CCD,摄像头，试给出设计方案。,Slide,40,2025/4/6 周日,软件设计方案,单片机程序,Slide,41,初始化,等待,图像数据准备好？,图像处理,转向、速度控制,Y,N,主程序框图,子程序：,各模块初始化程序,图像中断程序（图像采集）,定时中断程序（测速）,PID,计算程序,串口发送、接收程序,*各子程序均以子函数形式封装,2025/4/6 周日,软件设计方案,单片机程序,Slide,42,CodeWarrior,工程文件结构,正式开发时应尽量避免所有代码都写在,“,main.c,”,里，而应做到分类分块保存，函数在各,“,.c,”,文件里实现，并在同名头文件里进行声明。,如：,init.c,里包含了各模块初始化函数的实现，,init.h,则对各函数进行声明。,2025/4/6 周日,软件设计方案,单片机程序,示例：,Slide,43,Init.h,Init.c,2025/4/6 周日,软件设计方案,上位机软件,上位机软件的功能：,接收单片机发回的数据，显示图像和速度、转角等参数；,控制智能车，设置单片机参数。,常用的上位机开发平台：,LabView,，图形化编程，内置功能模块丰富，易于上手；但自定义程度低。,用,C+/C#,开发，利用已有的库可实现多种功能，难度大。,Slide,44,2025/4/6 周日,软件设计方案,上位机软件,LabView,演示,Slide,45,2025/4/6 周日,摄像头智能车设计方案,THE END,Slide,46,2025/4/6 周日,