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基于视角的智能车路径信息采集.rar

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    编号:20181030002154103    类型:共享资源    大小:9.87MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    基于 视角 智能 路径 信息 采集
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    贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 I 页目录摘要 ....................................................................IIIAbstract ..................................................................IV第一章 绪论 ..............................................................11.1 背景 ..............................................................11.2 现状 ..............................................................21.3 目的及意义 ........................................................31.4 本文结构 ..........................................................4第二章 摄像头和微控制器 ..................................................62.1 摄像头的分类及原理 ................................................62.2 数字摄像头 OV6620 的简介 ..........................................82.3 智能车微控制器简介 ...............................................11第三章 系统总体设计 .....................................................133.1 智能车结构框图 ...................................................133.2 路径信息采集硬件设计 .............................................143.3 路径信息采集软件设计 .............................................153.4 图像采集 .........................................................163.5 图像处理 .........................................................16第四章 详细设计 .........................................................184.1 数字摄像头与微控制器的接口 .......................................184.2 微控制器相关资源的使用情况和初始化 ...............................184.3 图像数据的缓冲 ...................................................204.4 汇编语言在图像采集中的应用 .......................................224.5 图像的二值化 .....................................................23第五章 调试与实现 .......................................................245.1 摄像头的安装与调试 ...............................................245.2 软件调试 .........................................................25贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 II 页5.3 借助上位机调试 ...................................................26第六章 总结 .............................................................30参考文献 .................................................................31附录 .....................................................................32致谢 .....................................................................34贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 III页基于视角的智能车路径信息采集摘要自动寻迹智能车涉及到当前高技术领域内的许多先进技术,其中最主要的是传感技术、路径规划和运动控制。本课题是以我参加的第五届飞思卡尔智能车竞赛为背景,以微控制器作为核心控制单元,以数字摄像头作为路径识别传感器,以直流电机作为小车的驱动装置,以舵机控制为小车的转向。车模竞赛的赛道是一个具有特定几何尺寸约束、摩擦系数及光学特性的 KT 板,其中心贴有对可见光及不可见光均有较强吸收特性的黑色条带作为引导线,宽度为 2.5cm。在行驶过程中,系统通过摄像头获取前方赛道的图像数据,同时通过测速传感器实时获取智能车的速度,采用路径搜索算法进行寻线判断和速度分析,然后作控制决策,控制转向舵机和直流驱动电机工作。智能车通过实时采集到图像由微控制器进行算法的判断,再由微控制器通过控制电机和舵机对自身运动速度及方向等进行调整来“沿”赛道快速行驶。本文主要介绍通过数字摄像头和模拟摄像头的原理比较后,以 OV6620 为元器件实现图像采集的过程及对采集到路径信息的识别和调试。关键词:智能车;图像采集;微控制器;数字摄像头贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 IV页Path Information Collection of Intelligent Vehicle Based on PerspectiveAbstractAutomatic tracing intelligent vehicle involved in the field of high technology many advanced technology, one of the most main is sensing technology, path planning and motion control. This topic is I attend the fifth freescale intelligent car race as a background, based on the micro controller as the key control unit, digital camera sensor, as a pathway recognition in dc motor as a car drives to steering gear control for car steering. The track is a draw competition has specific geometric size constraint, friction coefficient and optical properties of KT board, its center of visible light and not visible labeled with strong absorption characteristics are the black strip as leading lines, width is 2.5 cm. In the course of driving, the system through camera get ahead of image data circuit, and through real-time sensor gain intelligence speed, the speed of a car by path search algorithm to find line judgment and velocity analysis, and then made the control decision-making, controlling steering servo and dc motor drive work. Intelligent car through the real-time data acquisition to image by MCU proceed algorithm of judgement, again by MCU through the control of their own and servo motor speed and direction of movement along the “adjusted to“ driving fast track. This paper mainly introduces digital cameras and analog camera by the principle of OV6620 after comparing with for components, the process of collecting and realize image for the collected information recognition and debugging path. Key words: Intelligent Car, Image Acquisition, MCU ,Digital Cameras贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 背景全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办,以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛。该竞赛是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景,涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多个学科专业。由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平台,竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节,要求学生组成团队,协同工作,初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。竞赛凝聚了各队同学们的创造性设计和开发,以精确和速度作为赛车追求的最高目标。 [1]竞赛中的赛车模型按道路检测方式的不同,分为光电组、摄像头组、电磁组(第五届起)分别进行比赛。我们参加的摄像头组智能车所需的各主要单元简介如下:■ 微控制核心系统(MCU),统一采用了 FREESCAL 公司的 MC9S12XS128 的微控制芯片,具体使用到 MCU 的模块包括:数字与模拟信号模块、 PIT 和RTI 定时、PWM 脉冲调制、SCI 串行通信、I/O 口等。■ 传感器,采用了数字摄像头 OV6620。■ 电源部分,采用了 7.2V 2000mA Ni-Cd 蓄电池作为本方案的系统能源。并且通过稳压电路分出 5V 电压分别给舵机和 MCU 供电。■ 电机控制模块(车速控制模块),接收速度控制 PID 信号,采用 Bang-bang 算法(小于给定车速时,最大输出;大于时,最小。)控制电机运行,达到控制车速目的。■ 转向控制模块,通过方向 PID 控制舵机转向,进而控制小车转弯。■ 无线传输模块,使用了 SCI 进行无线传输和接收,通过上位机软件,可以实现对小车状态的实时监控。智能小车跑道的要求为:表面为白色,中心有连续黑线作为引导线,黑线宽25mm,铺设跑道地板颜色与背景不一样;跑道宽度为 50cm,窄道区的宽度为 45cm;跑道最小曲率半径不小于 50 厘米; 跑道可以交叉,交叉角为 90 度;起跑线为特殊十字线;决赛的跑道中还会出现坡道。智能车竞赛的赛道如图 1.1 所示。贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 2 页图 1.1 智能车赛道示意图1.2 现状该竞赛迄今已成功举办了五届,从第一届共有 25 个省(自治区)、直辖市 59 所高校的 112 支队伍参赛开始,发展到第五届共有来自全国 26 个省(自治区)、直辖市的 230 余所高校的 780 支队伍参赛,分西部、华南、东北、华东与华北五大分赛区进行选拔。分赛区各组别获得前十名左右的队伍将有资格参加全国总决赛。在智能赛车制作过程中的首要任务就是对赛车传感器的选择。只有选择好切实可行的方案才能奠定后期赛车能否达到较好的运行状态和良好的速度。今年的智能车大赛有三种类别,分别为:光电组,摄像头组,电磁组。我们小组选择了摄像头组方向进行制作。而以摄像头为传感器的种类也有很多,总的来说有数字摄像头和模拟摄像头两大类。经过对比筛选我们确定以数字摄像头 OV6620 做为智能车的传感器。之后围绕给定的传感器和 MCU 进行硬件的设计和搭建。硬件组合完毕后就是对赛车最重要的软件调试阶段。硬件电路部分我们可以用示波器、万用表等工具进行测试。软件部分的话就需要用虚拟仪器进行适当的调试。当然核心部分为软件的设计和反复的调试修改,使数字摄像头采集到的图像通过虚拟软件反映到电脑上,实现调节测试功能。贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 3 页1.3 目的及意义摄像头采集路径信息的方式有很多,根据摄像头采集信号的种类大体可分为模拟信号和数字信号两种。其中模拟视频信号携带了由电磁信号变化而建立的图像信息,可用电压值的不同来表示,比如黑白信号,0V 表示黑, 0.7V 表示白,其他灰度介于两者之间。数字视频信号是通过把视频核的每个像素表现为不连续的颜色值来传送图像资料,并且由计算机使用二进制数据格式来传送和储存像素值。数字视频信号没有噪声,用 0 和 1 表示,不会产生混淆,数字视频信号可以长距离传输而不产生损失,可以通过网络线,光纤等介质传输,很方便的实现资源共享 [2]。根据成像材料可分为 CCD 和 CMOS 两种。怎样才能更为高效、直接、快捷的采集到图像是摄像头智能车比赛成功的先决。本次课题我将详细比较 CCD 和 CMOS 数字摄像头的优缺点和采集图像的一些原理,并综合考虑得出传感器的选取。并将选取好的摄像头通过硬件设计和软件编译的结合最终实现智能车路径信息的采集,采集的最终结果如图 1.2 所示,而二值化处理后的结果如图 1.3 所示。图 1.2 采集到的赛道起始线的灰值图像贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 4 页图 1.3 二值化后的采集图像研究该课题除了对智能车的应用外还可以适用于多种领域,如机器人的智能识别,自动监控等。同时通过参加此次智能车比赛后,对自己的动手能力,联系实践能力,开阔视野等多方面给以了加强。从中学习到很多东西,也意识到自己还有很多东西只是从书本上了解还是远远不够的,只有实践才能真正的掌握。对我今后的学习和工作都有很大的帮助意义。1.4 本文结构本文通过对数字摄像头的基本原理和智能车比赛的阐述,详细的介绍了基于视角的智能车图像采集的实现过程。第一章:绪论。本章阐述了本课题的背景、现状及研究意义。第二章:摄像头和微控制器。本章具体分析了摄像头的分类和各自优缺点以及选取的 CMOS 数字摄像头 OV6620 的原理和所用微控制器的简介。第三章:总体设计。主要介绍了智能车结构框图和摄像头设计方案以及选型依贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 5 页据,还介绍了摄像头相关程序的工作流程。第四章:详细设计。本章对实现路径信息采集的整个硬件设计和软件结合过程中的最核心部分进行详细的阐述。第五章:调试与实现。本章对外围的硬件和内部软件的调试以及用上位机进行调试。得到较理想的图像结果并进行了实际的路径采集测试。 第六章:总结。本章总结整个调试过程中出现的问题和得到的经验,并指出了系统设计中还存在不足和改进的方向。贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 6 页第二章 摄像头和微控制器2.1 摄像头的分类及原理摄像头按照其采用的感光器件来分,有 CCD 和 CMOS 之分。其中 CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合组件)是应用在摄像、图像扫描方面的高端技术组件,CMOS(Complementary etal-Oxide Semiconductor,附加金属氧化物半导体组件)则大多应用在一些低端视频产品中。但是这样的定位并不表示在具体的摄像头使用时,两者有很大区别。事实上经过技术改造,目前 CCD 和 CMOS 的实际效果的差距已经大大的减小了。下面具体总结了 CCD 和 CMOS 摄像头的读取方式、采集速度、耗电量、成像质量四个方面的区别:■ CCD 传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。而 CMOS 传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。■ CCD 传感器需在同步时钟的控制下以行为单位并一位一位的输出信息,速度较慢;而 CMOS 传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图象信息,速度比 CCD 快很多。■ CCD 传感器电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS 传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,仅为 CCD 电荷耦合器的 1/8 到1/10,CMOS 光电传感器在节能方面具有很大优势。■ CCD 传感器制作技术起步较早,技术相对成熟,采用 PN 结合二氧化硅隔离层隔离噪声,成像质量相对 CMOS 传感器有一定优势。由于 CMOS 传感器集成度高,光电传感元件与电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较为严重,噪声对图象质量影响很大。下面我就列举出前几届智能车比赛中采用 CCD 成像构架的摄像头实现智能车路径信息采集的实例 [3]。CCD 采用的是视频信号同步分离电路,需要的元件较多较复杂,整体的硬件原理框架如图 2.1 所示。
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