第二届 摄像头原理 北京理工大学 R(3)

1.2.4 智能车辆的其他研究

除上所述 ，智能车辆的研究主要是基于模糊控制理论、人工神经网络技术和神经模糊技术等人工智能的最新理论和技术而开展研究的，同时，现代控制理论，自主导航技术等先进技术在智能车辆的研究中也有所应用。上海交通大学用现代控制理论的方法设计出了一种自动驾驶汽车的模型，是在汽车系统的动力学建模的基础上，设计的自动驾驶汽车的转向系统，它能根据道路的弯曲程度变化实时地计算出车辆的转向盘角度输入，控制车辆按预设道路行驶。在智能车辆的研究中，车辆的自主导航技术也是其研究的核心问题，人们先后把地下埋线导航、光学导航、视觉导航、超声导航和红外导航等技术用于智能车辆的研究中。吉林

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第1章 引言 工业大学设计并制造了一辆用CCD识别地面铺设的条状路标而进行导航的智能车辆，车辆由图像识别、行驶、转向驱动、制动、避障和其他辅助系统组成，目前，该车可以稳定跟踪直线、弧线、S型线等轨迹自动行驶，车速可达20km/h。

1.3 本课题研究意义和主要研究内容

为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201号文)，高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛，已于2006年8月21日在清华大学顺利结束。第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛决赛阶段将于2007年8月17～20日在上海交通大学举行。比赛中参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛赛车，采用飞思卡尔16 位微控制器MC9S12DG128 作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定”，“须采用统一提供的赛车，须采用限定的飞思卡尔16 位微控制器MC9S12DG128 作为唯一控制处理器，赛车改装完毕后，尺寸不能超过：250mm 宽和400mm 长，高度无限制”，“跑道宽度不小于600mm，跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm”。关于本次大赛的详细规则见附录D。

本文将以参加本次大赛的智能车的实际设计与制作来展示简单的自动寻线智能车系统。文中分析了现有路径识别方案的优缺点，最终确定了摄像头方案。对机械部分进行了详细的分析和调整。在分析了控制电路各模块的要求后，计算出了各模块器件的参数，设计了控制电路。针对赛道不同位置，采集了图像数据，在对数据进行分析后设计了控制算法并编写了控制软件。最终经实道调试，赛车实现预期功能。

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第2章 赛车系统总体方案设计 第2章 赛车系统总体方案设计

2.1 图像采集方案

在整个赛车系统中，图像采集方案有着决定性作用。赛车的机械结构，电路结构，控制策略都取决于赛道图像信息的采集方案。在韩国举办的几届比赛以及国内的第一届大赛中，参赛车队的方案集中在光电传感器寻迹方案、CDD(CMOS)传感器寻迹方案以及二者结合这三种。

所谓光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关，彼此之间的影响将另文专门叙述。但一般的认识是，在不受到外部因素影响的前提下，能够感知前方的距离越远，行驶效率越高。由于光电传感器电路板不可能伸出车体太远，因此不少参赛队伍调整了光电传感器电路板与地面的夹角，使光电传感器可以感知更远一点的赛道情况。在光电寻迹方案中，为了得到质量较高的接收信号，还可附加了由电阻、电容组成的RC高通滤波器。这样就能够一定程度上避免由外部光线因素引起的路线识别不正确问题。

虽然采用光电传感器构成“线型检测阵列”的方案简单易行，但是将其应用于智能车竞赛中仍有一些局限性，主要具有如下的缺点：

1） 赛道空间分辨率低：一方面受到大赛规则（2）关于传感器个数（最多16个）的限制；另一方面，过多的光电传感器在固定安装、占用CPU输入端口资源等方面也有限制；

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3） 识别道路信息少，一般只能检测路径中心位置； 由于固定位置的限制，光电管只能安装在赛车前面不远的位置，观测信息前瞻性差；

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4） 容易受到环境光线的干扰；

以上问题会影响赛车控制精度以及运行速度。通过一定的硬软件设计，虽然可以部分解决上述的问题，但相比之下，使用面阵CCD器件则可以更有效的解决这些问题。CCD器件在比赛规则中算作一个传感器。普通CCD传感器图像分辨率都在300线之上，远大于光电管阵列。通过镜头，可以将赛车前方很远的道路图像映射到CCD器件中，从而得到赛车前方很大范围内的道路信息。根据大赛规则，车身长度不能超过40CM，而赛车本身车长即有31.6CM，因此安装的对射传感器只能向前方伸出不到10CM，即使加上一定的投射角度（还需要制作特殊的大功率脉冲式对管）也不会超过20CM，而如果用摄像头，理论上如果支撑杆足够高（规则对高度没有限制），摄像头可以看到任意远处的赛道信息。当然支撑过高又会带来其他问题，比如车重的增加，重心的升高，转向负载增大等等。但是肯定可以找到一个平衡的高度，既满足探测需要又不降低赛车的性能。同时，用CCD对图像中的道路参数进行检测，不仅可以识别道路的中心位置，同时还可以获得道路的方向、曲率等信息。利用CCD器件，通过图像信息处理的方式得到道路信息，可以有效进行赛车运动控制，提高路径跟踪精度和赛车运行速度。基于前述对“线型检测阵列”寻线能力局限性的考虑，并综合参考了关于摄像头视频采集原理文章以及第一届比赛中使用CCD方案的队伍技术报告的基础上，我们选择采用摄像头作为寻线传感器。一方面摄像头所能探测的赛道信息远多于“线型检测阵列”所能探测的信息，有利于对控制算法进行优化；此外摄像头成像范围调整灵活，可以提供足够远的预判距离识别出弯道。实际上，通过“超频”和提高代码效率，并选择合理的图像处理算法使用比赛规定型号的单片机完全可以对低线数黑白摄像头的视频信号进行采样和处理，有效识别出赛道的位置和相关几何信息。

2.2 赛车整体结构

确定了赛车的图像采集方案，赛车的整体结构也随之确定。根据摄像头

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第2章 赛车系统总体方案设计 方案设计， 赛车共包括六大模块： 控制处理芯片MC9S12DG128，图像采样模块，速度获取模块，转向模块，动力模块和辅助调试模块。如下图所示：

图 2-1 赛车整体结构图

其中S12 单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。图像采样模块由S12 的AD 模块，外围芯片（LM1881）和电路，与摄像头组成。其功能是获取前方赛道的图像数据，以供S12 作进一步分析处理。速度获取模块由均匀打孔的驱动齿轮和对射 …… 此处隐藏：2532字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……