第 22 卷第 6 期 2007 年 12 月
光电 技术 应用
ELECT R O- OPT IC T ECHN OL OGY A PPL ICA T ION
Vol. 22, No. 6 December . 2007
文章编号: 1673- 1255( 2007) 06- 0052- 04
基于 CCD 图像识别的 H CS12 单片机智能车控制系统
的光电传感器识别路径方案, 该摄像头传感器 可以获取更多的路径信息, 使智能 车按任意 给定的黑色 引导线更 能以较快的 速
度平稳地运行.
关键词: 图像识别; 智能车; HCS12 单片机; CCD
中图分类号: TP212. 9
文献标识码: A
Design of Smartcar. s HCS12 MCU Control System Based on CCD Image Recognition
1 检测前瞻距离远 2 检测范围宽
3 检测道路参数多 4 占用 M CU 端口 资源少
1 电路相对设计复杂 2 检测信息更新速度慢 3 软件处理数据较多
2 主要电路模块设计
2. 1 CCD 路径识别电路
摄像 头的 主要 工作 原理 是[ 2] : 按一 定 的分 辨 率, 以隔行扫描的方式采样图像上的点, 当扫描到某 点时, 就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转 换成与灰度成一一对应关系的电压值, 然后将此电 压值通过视频信号端输出. 具体参见图 1. 当摄像头 扫描完一行, 视频信号端就输出有一个电压/ 凹槽0, 并保持一段时间, 此/ 凹槽0叫做行同步脉冲, 它是扫 描换行的标志. 然后, 跳过一行后, 开始扫描新的一 行, 如此下去, 直到扫描完该场的视频信号, 接着就 会出现一段场消隐区. 在这若干个消隐脉冲中, 有个 脉冲远宽于其他的消隐脉冲, 该消隐脉冲即称为场 同步脉冲, 它是扫描换 场的标志. 摄像头每秒 扫描 25 幅图像, 每幅又分奇、偶 2 场, 先奇场后偶场, 故 每秒扫描 50 场图像. 即扫描周期为 20 ms.
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路径识别方法 红外光电管 传感器方案
摄像头传感器方案
表 1 2 种检测方案优劣之比较
优点
缺点
1 电路设计相对简单 2 检测信息速度快 3 成本低
1 道路参数检测精度低、种类少 2 检测前瞻距离短 3 耗电量大
4 占用 M CU 端口资件流程图
图 6 R = 70 cm 弯道 CCD 采集图像
图 7 智能车测试赛道
图 5 图像采集程序流程图
4 调试及实验
由于小车调试需要实时数据才能更好地对系统 进行分析, 故本系统采用无线串口通讯模块实现小
5结 语
本文基于图像识别设计了自主寻迹自动调节速 度的智能车控制系统. 在硬件上采用 CCD 摄像头采 集道路图像, LM 1881 芯片分离视频信号, H CS12 作 为控制核心; 在软件上采用隔行采集边缘提取的图 像处理算法提炼路径信息, PD 算法控制舵机转向,
Abstract: A smart car system is introduced based on H CS12 M CU of FreeScale cont rolling. T his system uses CCD sensor as its rout e recognit ion device, draws it s rout e information throug h image recognit ion, changes t he direct ion of st eering eng ine w ith P D control algorithm, cont rols the DC M ot or by sett ing speed w it h fuzzy sett ing speed and modulat ing speed w it h PID control algorit hm . Compared w it h t he normal route recognit ion scheme of photoelectric cell sensor, this scheme can obtain more pat h inf orm at ion, w hich makes t he smart car can run smoothly along t he black- guide- line given arbit rarily w ith t he most rapid speed. Key words: Image recog nition; Smartcar; HCS12 M CU; CCD.
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车与计算机的通信. 此外, 为了方便对路径识别单元 进行调试, 笔者自编了一套基于 VC 开发的串口调 试软件以实时显示图像采集数据, 图 6 即是利用该 软件显示的 CCD 采集图像, 实际情况是一个半径为 70 cm 的弯道, 图 6 中黑色代表实际采集到的路径 引导线, 灰色代表白色 KT 板跑道, 右边数据是每行 图像提取出来 的路径引导线相对车身 中心轴的距 离, 由图 6 可知: 该图像采集基本可以提取出路径信 息. 小车的性能测试是在由一个直道、不同曲率弯道 以及 S 弯道组成的赛道( 如图 7) 上测试的, 实验证 明: 小车能够在此赛道上沿着黑色引导线稳定运行, 且平均速度可以达到 2. 5 m/ s.
图 2 摄像头采样电路图
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其中, 摄像头视频信号端接 L M1881 的视频信 号输入 端, 同 时也 接入 S 12 的 一个 AD 转换器 口 ( 选用 PAD1) . LM 1881 的行同步信号端( 引脚 1) 接 入 S 12 的一个外部中断 IRQ 口. 之所以选用外部中 断 IRQ 口是因为, 行同步信号持续时间较短, 为了 不漏检到行同步信号, 若使 用普通 I/ O 口, 则 只能 使用等待查询的方式来检测到行同步信号, 这会浪 费不少 S 12 的 CPU 资源. L M1881 的奇- 偶场同步 信号 输 出 端 接 S 12 的 普 通 I/ O 口 即 可 ( 选 用 PORT M 0) . 在此, 本系统选择奇- 偶场同步信号来 作为换场的标志信号, 而不是选用 LM 1881 引脚 3 输出的场同步信号. 这样做的好处是, 当摄像头信号 处于奇场或偶场时, 则奇- 偶场信号整场都相应地 处于高电平或低电平, 只要 用个普通 I/ O 口, 若检 测到该信号发生变化, 就可以知道摄像头信号换场 了. 因为每场信号持续的时间相对较长, 所以也不用 担心漏检到换场的发生. 若使用场同步信号, 则需要 用中断的方式来判断换场的发生, 相对要麻烦一些.
图 3 电机驱动硬 件电路图
3 软件设计
CCD 智能车系统的软件开发 设计[ 3- 4] 是 基于 M et rowerks CodeWarrior CW12 V4. 5 编程环境, 使 用汇编与 C 语言相结合实现的. 整个系统软件流程 图如图 4 所示. 其软件设计关键在于图像处理算法 是否做的有效可靠, 黑线提取得是否准确合理. 这是
智能车系统设计是一种以智能汽车为研究背景 的科技创意性制作. 主要由控制核心单元、电源管理 单元、路径识别单元、车速检测单元、转向伺服电机 控制单元及直流驱动电机控制单元组成. 一般要求 小车能够在白色的场地上, 通过自身自动调整转向 角和车速, 使其能自动地沿着一条任意给定的黑色 带状引导线行驶.
HCS12 的运算速度和自身 A/ D 端口的采样速度, 通 过适当的倍频, 采用一定的算法能够适应对黑白低 线数的摄像头的有效视频采样和对大量图像数据的 处理, 结合上述所叙, 选择 CCD 图像传感器作为最 终方案.
收稿日期: 2007- 11- 23 基金项目: 国家自然科学基金( 60705035) , 湖北省国际科技合作重点项目( 2006CA025) 作者简介: 刘建刚( 1986- ) , 男, 湖北武汉人, 学士, 主要研究方向为自动控制.
图 1 摄像头视频信号
要能进行图像采集识别路径, 首先要处理好的 技术问题就是能有效地从摄像头信号中提取出行同 步脉冲、消隐脉冲及其场同步脉冲. 有 2 种可供参考 的方法: 第一, 直接用 A/ D 进行软件提取. 结合 CCD 摄像头信号的特点, 通过判断采样得到的电压值处 在不同的范围来提取; 第二, 给单片机配以合适的外 围芯片进行硬件提取. 考虑到硬件提取简单易行, 可 靠性高. 故本系统选用 L M1881 视频同步信号分离 芯片来进行提取. 其硬件电路图设计如图 21
一个同时涉及到软件和硬件的操作过程, 又恰恰是 该软 件 设 计 的 难 点. 由 于 图 像 数 据 量 大, 仅 凭 HCS12 是不可能将整幅图像信息都提取出来, 故本 系统在保证不漏检黑色引导线的前提下采用隔行采 集简化算法, 即每隔 5 个有效行采集 1 行来压缩图 像的数据. 图像采集程序流程图如图 5 所示.
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张健等: OL ED 显示设计与实现
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据顺利读出. 所以在设计此类程序时可以通过在相 应地方增加延时, 调整时序, 以满足芯片正常工作要 求.
满屏显示函数
void fulldisplay ( void) {
uchar m, n, page; for ( m= 0; m< 64; m+ + ) {
1 方案选定
在智能车系统中, 路径识别单元是体现智能车
智能水平的一个重要标志, 是直接影响智能车的控 制性能的一个重要因素. 常用的路径识别单元设计 方案除了文献[ 1] 中所叙的红外光电管传感器以外, 还可采用 CCD 图像传感器. 两方案优缺点比较如表