1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： CCD 赛车的图像处理及控制技术研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 CCD 赛车的图像处理及控制技术研究 摘要 本文介绍了 ccd 智能车 1的图像处理及控制技术的系统方案，使用飞思卡尔公司推出的MC9s12xs128 单片机 2为核心处理单元， 1/3” SONY CCD 作为道路识别传感器获取赛道信息，通过片 外 A/D 和视频分离芯片 LM1881 完成图像采集。运用跟踪算法进行黑线的提取，识别赛道。并通过光电编码器检测实时车速，使用 PD 控制算法调节转向
2、舵机的角度和驱动电机的转速，并根据前方道路类型和当前车体的速度及位置误差，对舵机转角和驱动电机 PWM 波的占空比进行及时的调整，实现对智能车的运动方向和运动速度的闭环控制。依此 构架出了一个能根据不同路况自主选择最佳行驶路线和行驶速度的智能车。 这辆智能车涉及到单片机使用、传感器应用、 PCB 制作、图像处理、自动化控制、机械设计等知识，是我们大学四年所学知识的一个综合应用， 并 且智能车具有非常广泛的应用前景。结合自动驾驶技术和传感技术可以实现汽车自适应巡航使车开得快速又安稳，是我们未来社会的汽车行业的趋势。所以有一定的必要搭建一个 智能车模型 3 来加以分析和实 践。 关键词： 单片机；
3、传感器；图像处理；自动化控制 毕业论文 文客久久 ABSTRACT This article describes the system solutions of image processing and control technology of the ccd smart car, and it uses the MC9s12xs128 microcontroller which is introduced by Freescale company as the core processing unit, this system uses the 1/3 “Sony CCD as the r
4、oad recognition sensor for track information, and the Image acquisition is finished by the off-chip A / D and video separation chip LM1881. Using the tracking algorithm to extract the black line and identify the track. And it uses the encoders measure the real-time speed, the PD control algorithm to
5、 adjust the steering angle and drive servo motor speed, according to the type of road in front and the Speed and position error of the current body, to adjust the steering gear corner and the PWM waveforms duty cycle of the drive motor timely, achieving the Closed-loop control of the moving directio
6、n and speed for the smart car. That builds the smart car which can choose the best driving route and speed according to different road conditions. A smart car relates to the use of MCU, sensor applications, PCB production, image processing, automatic control, mechanical design and other knowledge, t
7、hat is a comprehensive application of our four years of university knowledge, and the smart car has an extremely wide application prospect. Our future society of automotive industry trend is that combination of the automatic driving technology and the sensor technology can realize vehicles adaptive
8、cruise control and make vehicle drove fast and secure. So it is very necessary to build a smart car model to analysis and practice. Key words: MCU; sensor; Image processing; automatic control毕业论文 文客久久 目 录 第 1 章 绪论 . 1 第 2 章 系统方案设计 . 2 2.1 系统方案分析 . 2 2.2 系统方案确定 . 2 2.3 系统方案流程 . 3 第 3 章 图像处理 . 4 3.1 图
9、像 采集 . 4 3.1.1 图像行场信号的分离分析 . 4 3.1.2 图像数据信息的提取 . 6 3.2 图像处理时机 . 7 3.2.1 低效率的图像处理时机 . 7 3.2.2 高效率的图像处理时机 . 7 3.3 辨别左右黑线 . 8 3.4 提取左右黑线 . 9 3.4.1 提取黑线的方案分析 . 9 3.4.2 一场图像的跟踪算法 . 10 3.4.3 各场图像的跟踪算法 . 11 第 4 章 PID 控制 . 12 4.1 PID 控制原理 . 12 4.1.1 位置式 PID . 13 4.1.2 增量式 PID . 13 4.2 舵机控制 . 13 4.2.1 舵机的工作原
10、理 . 13 4.2.2 舵机的 PID 控制 . 14 4.3 电机控制 . 15 4.3.1 电机驱动芯片 . 15 4.3.2 电机驱动模块 . 16 4.3.2 电机的 PWM 控制 . 17 4.3.3 编码器模块 . 17 4.3.4 电机的 PID 控制 . 19 结束语 . 20 致谢 . 21 参考文献 . 22 附录一 电路图实物图 . 23 附录二 部分代码展示 . 24 毕业论文 文客久久 第 1 章 绪论 全国大学生智能车竞赛在迅速发展的汽车电子背景下，现已发展到了第七届 ,，是一项涵盖传感、控制、模式识别、电子、电气、机械和计算机等多门学科的科技创意性比赛，在学生的
11、知识融汇与动手实践能力的培养上，具有良 好的推动作用。一大批有远见有实力的公司、大学和研究机构都开展了对智能车的研究。 从 20 世纪 70 年代起，美国等一些发达国家就已经开始研究及广泛应用无人驾驶汽车这项技术。为了促进研发无人驾驶技术，激励大家研究创新智能车技术，许多国家都开展了活动。从中可见，智能车是未来汽车的发展方向，将在提高道路交通效率、减少交通事故、缓解环境污染与能源消耗、发展自动化技术、提高舒适性等众多方面发挥极其重要的作用；同时智能汽车是一个集通信技术，传感器技术，自动控制，计算机技术和信息融合技术等于一身的行业，是一个能够将汽车产业，信 息产业与交通系统紧密结合起来的新型领域
12、，它的发展必将促进其他行业的发展，并且，在一定程度上它还代表着一个国家在自动化智能方面的水平。 智能车通过各传感技术来获得车体自身与车外环境的状态信息，再通过智能算法对其分析、处理，并传递给驾驶者最终测试结果，在测得的危险发生之前，就提醒驾驶员做出回避动作；如果驾驶员在紧急状况下无法做出反应，智能车能自主完成避危任务，帮助驾驶员躲避危险，比如，在雾天能见度差的情况下，人工驾驶会经常发生碰撞，但具有激光雷达的智能车却能自动探测前方障碍物，并控制车辆停下来，便不会发生撞车。 在无人驾驶方面，再结合自动驾驶技术，可以实现汽车的自适应巡航并把车开得快速又安稳；汽车在夜间行驶时，装上红外摄像头的智能车就
13、能在夜晚实现安全辅助驾驶；另外，在仓库、工厂或危险、有毒的工作环境里，智能车也可以代替人工作，还可担当起无人值守的巡逻监视与消防灭火等任务。 毕业论文 文客久久 第 2 章 系统方案设计 2.1 系统方案分析 本文设计的智能车系统以 MC9S12XS128 微控制器作为核心控制单元，选择动态性能较好的 ccd视频传感器 4检测赛道信息，以获得较高质量的图像，并结合片外模数转化芯片 TLC5510和视频分离芯片 LM1881 的配合使用来完成图像采集。利用跟踪算法进行黑线的提取，识别赛道。并通过光电编码器检测实时车速，使用 PD 控制算法调节转向舵机的角度和驱动电机的转速，并根据前方道路类型和当
14、前车体的速度及位置误差，对舵机转角和驱动电机 PWM 波的占空比进行及时的调整，实现对智能车的运动方向和运动速度的 闭环控制 。 2.2 系统方案确定 本次设计主要由 3 大系统模块组成，分别为软件，硬件和机械。 软件：软件可以说是整个智能车的灵魂所在。没有一个低错误率，高执行力的软件系统，必定会导致整个车模的设计失败。而一个较为完善的软件系统， 可以使智能车以一个较为完美的行驶路径以及行驶速度来完成比赛，这样才可以称为一辆智能的小车。 硬件：硬件可以说是整个智能车的大脑所在。它是灵魂所附着的栖息地，一个完善的硬件系统可以提供尽可能少的外界干扰。可以使软件系统运行在一个高稳定，低噪声的环境下，
15、使车模更为稳定的行驶。 机械：机械 5可以说是整个智能车的躯体所在。即使有时刻保持清醒的大脑和高执行力的灵魂，也必须要配置一具强壮的身躯，没有强壮的身躯，就算有健全的软件和硬件也无济于事。只有 3 者的完美结合才能将软件，硬件和机械各个分部分有效的链接在一起，发 挥极限性能。 在本次设计中使用了 CCD 作为明亮的眼睛， MC9212XS128 作为敏健的大脑，比赛规定的 A 车模作为强壮的躯体，再在 codewarrior5.1 上编写灵魂，注入到大脑中，铸造了一辆智能的模型车。 其最终成果图如下所示： 图 2.1 成果图 毕业论文 文客久久 根据总体方案的分析，本次设计的总设计框图如图所示
16、。 C C D 传 感 器视 频 分 离模 块A D C 模 块M C U图 像 处 理控 制 舵 机和 电 机图 2.2 设计方案总框图 2.3 系统方案流程 主程序具体流程如下： 1：初始化相关的模块。 2：图像采集。因为单片机存储图像的空间有限 并且图像的相邻行是相似的，所以在这里采用了隔行采集图像的方法。 3：图像处理。因为智能车是实时控制的，利用前后采集行之间的时间间隔，在该时间空隙内完成图像处理任务。 4：控制。使用图像处理得到的黑线数据控制舵机和电机。 5：执行下一次图形采集、处理、控制 开 始初 始 化 模 块采 集 一 场图 像 结 束隔 行 采 集 图 像 在 间 隔 行
17、提 取 黑 线提 取 剩 余 行 的 黑 线该 场 图 像 剩 余 的 时 间利 用 黑 线 信 息 ，控 制 舵 机 和 电 机NY图 2.3 主程序流程图 毕业论文 文客久久 第 3 章 图像处理 要完成图像处理，需先通过图像采集得到待处理的图像，以下简要分析图像的采集。 3.1 图像采集 CCD 摄像头和 单片机 通讯的信号主要为：行场信号和 8 个 数据信号。 CCD 摄像头的 VIDEO 视频信号必须通过视频信号分离模块与模数转换模块才能将图像数据存放在正确的位置上，以此完成图像的采集工作。 图 3.1 VIDEO 波形 从 VIDEO 波形中可以看出， VIDEO 输出为一段连续的
18、电压波形，需要 正确地区分出各行与各场，才能存放正确的图像数据在正确的位置上。 3.1.1 图像行场信号的分离分析 通过视频分离模块得到行、场信号 ,视频分离模块用到视频分离芯片 LM18816。 HREF1VIDEO2VSYNC3GND4BURST5RST6O/E7VCC8U7LM1881MPT0PT1GND5V PERC14104R9680KGNDC11104GND123P3Header 3GND12VC13510PFC12104GNDVIDEOPT2R810KR16620C22510PFGND图 3.2 视频分离模块原理图 采集图像需提到 CCD 摄像头的两个关键信号：行、场中断 信号，
19、他们确定了采集图像的时序，只有按照相应的时序才能采集到正确的图像数据。 图 3.3 场信号波形图 图 3.4 行信号波形图 行场信号的功能： 毕业论文 文客久久 1：场信号：当检测到场信号，即意味着新一场图像的开始。 2：行信号：当检测到行信号，即意味这新一行图像的开始。 从示波器的波形中可以分析得知： 1：场信号周期为 20ms，单片机捕捉该信号的上升沿； 2：行信号周期为 64us，单片机捕捉该信号的上升沿； 一场图像的分辨率为 500582，因为一场图像分为奇偶场，所以每个奇偶场大约也 有 250行左右。但因为单片机的内存有效、相邻行的图像数据基本一致，所以我们不采集所有行的数据。在图像
20、采集过程中，一般采取隔 5 行采集一行的隔行采集方案。 即把 250 行的数据存放在一个 2 维数组中，比如 image50100； 采集图像流程分析： 当检测到场信号过后的第一个行信号，即意味着图像中的第一行；当检测到场信号过后的第二个行信号，即意味着图像中的第二行 以此类推，就能把图像的各行给分辨出来。 开 始初 始 化 行 场 信 号 中断使 能 场 信 号 中 断 ，禁 止 行 信 号 中 断 。等 待 到 中 断 信 号场 信 号 到数 组 行 计 数 器 清 0 ，像 素 行 计 数 器 清 0 。禁 止 场 信 号 中 断 ，使 能 行 信 号 中 断 。N行 信 号 到该 行
21、是 采 集 行像 素 行 计 数 器 + 1读 取 数 据 ， 存 放 在 数组 行 计 数 器 中 ,并 且 行 计 数 器 + 1 。一 场 采 集 完 毕串 口 发 送 数 组 数 据使 能 场 信 号 中 断 ，禁 止 行 信 号 中 断 。YYNNY图 3.5 采集图像流程图 毕业论文 文客久久 3.1.2 图像数据 信息的提取 从上文中可以发现：我们采集图像时，行场信号只是起到指示的作用，并没有出现真正的数据，其真正的数据是由我们的 ADC 模块来提供的。 该 ADC 模块的主要功能是：对 CCD 摄像头输出的 VIDEO 信号进行模数转换 7。 FB1GNDVIDEOPA0PA1
22、PA2PA3PA4PA5PA6PA7NC1GND2OUT3VCC4XTAL1贴片晶振 (5*7)GND5V PER CLKCLK5V PERC17104GND5V PER5V PERC18104C19104C21104C20104C15104GNDFB3FB2C16104GNDOE1DGND2D1(LSB)3D24D35D46D57D68D79D8(MSB)10VDDD11CLK12DGND24REFB23REFBS22AGND21AGND20ANALOG IN19VDDA18REFT17REFTS16VDDA15VDDA14VDDD13U9TLC5540I图 3.6 TLC5510 芯片搭建
23、的 ADC 模块原理图 SONY 的黑白 CCD，拍摄其全白和全黑时的 VIDEO 波形如下图所示： 图 3.7 全黑时 VIDEO 波形图 图 3.8 全白时 VIDEO 波形图 从两者的比较中可以发现： 全黑的电压大致为 1V，全白的电压大致为 2V，所以白和黑 的压差大致为 1V 左右。所以最理想的情况为参考的波峰电压为 2V，参考的波谷电压为 1V，把 1V 的压差进行 0-255 的分配。 但是 TLC5510I 的 满刻度的基准电压为 2V，并且为了安全起见，最终决定使用 0.6V 的 参考波谷电压， 2.6V 的参考波峰电压，把 0-255 分配在 0.6V 到 2.6V 之间。最终通过实际测试证明，该设计基本满足采集图像的需要，较为合理。
