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1、1小车循迹及传感器及其软硬件设计张仁彦信息与电气工程学院2014.72014年山东省机器人大赛暑假培训年山东省机器人大赛暑假培训2什么是小车循迹什么是小车循迹3循迹小车的系统功能结构循迹小车的系统功能结构主控制器主控制器(单片机、单片机、ARM和和DSP等等)电源电路电源电路（5V、3.3V、6V和和12V等）等）舵机驱动舵机驱动(转角控制转角控制)电机驱动电机驱动(速度控制速度控制)测速电路测速电路(速度反馈速度反馈)A/D转换电路转换电路(传感器信号采集传感器信号采集)轨迹检测传感器轨迹检测传感器直流直流(或步进或步进)电机电机舵机舵机通信模块通信模块(传递系统信息传递系统信息)电池电池(
2、5V7.2V12V24V)循迹小车循迹小车PC机机(上位机上位机)4轨迹表示轨迹表示 可见可见 黑色线条黑色线条 不可见（不讲）不可见（不讲） 交流电信号交流电信号5循迹检测传感器循迹检测传感器 黑色线条黑色线条 光电法光电法 红外传感器、激光传感器红外传感器、激光传感器 图像处理法图像处理法 摄像头摄像头6主要内容主要内容1. 光电法循迹光电法循迹2. 图像法循迹图像法循迹71. 光电法循迹光电法循迹 1.1 基本工作原理基本工作原理 1.2 电路设计电路设计 1.2.1 红外传感器红外传感器 1.2.2 激光传感器激光传感器 1.3 传感器的布局传感器的布局 1.4 软件设计软件设计81.
3、1 工作原理工作原理 红外光或激光，照射到红外光或激光，照射到 黑色物体黑色物体 反射光能量少反射光能量少 浅色物体浅色物体 反射光能量大反射光能量大根据反射光的强弱根据反射光的强弱检测黑线检测黑线91.2 电路设计电路设计 1.2.1 红外传感器红外传感器 1.2.2 激光传感器激光传感器101.2.1 红外传感器红外传感器 红外对管红外对管 一体一体 红外发射管和接收管红外发射管和接收管 分离分离Tcrt5000：蓝色：蓝色是发射，黑色是是发射，黑色是接收，发射端短接收，发射端短的接地，接收端的接地，接收端长的接地长的接地11 使用要点使用要点 反射的红外光能被反射的红外光能被对应的对应的
4、红外接收管接收红外接收管接收 相邻管之间相邻管之间互不干扰互不干扰 防止其它光源干扰，如：不能强光照射防止其它光源干扰，如：不能强光照射 选用工作电流：电流与光强间的选用工作电流：电流与光强间的线性度线性度和使用寿命和使用寿命 注意测试有效检测距离注意测试有效检测距离12 硬件电路设计硬件电路设计读高低电平读高低电平A/D转换转换13http:/ 激光传感器激光传感器 发射管发射管 调制管调制管 接收管接收管 对焦透镜对焦透镜15发射管和发射电路发射管和发射电路 发射管发射管 调制管调制管 下拉电阻调整方波信号频率下拉电阻调整方波信号频率 180KHZ淘宝红树伟业淘宝红树伟业123T1调制管R
5、222+5VR122Q18050R3120F1发射管+5V一般接一般接LD，PD脚可以不用脚可以不用 16 注意事项注意事项 硬件硬件 极性不能接反；尽量避免人体接触和带静电物体接触激光管，极性不能接反；尽量避免人体接触和带静电物体接触激光管，避免静电烧坏；但避免焊接过热和较长时间过热避免静电烧坏；但避免焊接过热和较长时间过热 解决办法：解决办法： 释放人体静电释放人体静电 烙铁先通电，在焊接的时候拔掉电源烙铁先通电，在焊接的时候拔掉电源 用胶固定用胶固定 软件软件 激光传感器相互之间的干扰激光传感器相互之间的干扰 解决办法：解决办法： 分时发光的策略，使用分时发光的策略，使用74LS138作
6、为分时控制器作为分时控制器 17接收管和接收电路接收管和接收电路 接收管接收管 160KHZ-200KHZ，180KHZ左右左右的频率下接收能力最强的频率下接收能力最强 常态低、常态高常态低、常态高 对焦透镜对焦透镜 对焦聚光对焦聚光 增强接收能力增强接收能力 123接收管+5VC1104R24.7KR11.5KLED+5VOUT18http:/ 传感器的布局传感器的布局202122清华大学清华大学“摇头摇头”车车23极限前瞻极限前瞻24251.3 软件设计软件设计 1.3.1 软件流程图软件流程图 1.3.2 典型控制策略典型控制策略261.3.1 软件流程图软件流程图开始开始系统初始化系统
7、初始化读取红外接收管信号读取红外接收管信号点亮红外发射管点亮红外发射管判断车道类型判断车道类型（如直道、小弯和大弯等）（如直道、小弯和大弯等）计算舵机转角计算舵机转角计算电机转速计算电机转速PWM舵机转角控制舵机转角控制PWM电机转速控制电机转速控制测速测速速度速度PID271.3.2 典型控制策略典型控制策略 北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛 加权法加权法激光传感器一字排布图激光传感器一字排布图 28激光传感器在普通赛道上激光传感器在普通赛道上 传感器位置分布传感器位置分布激光传器在起点处激光传器在起点处激光传感器在十字交叉线处激光传感器在十字交叉线处
8、29 光电传感器路径识别算法光电传感器路径识别算法 传感器重心取值分配图传感器重心取值分配图3031 弯道策略弯道策略 入弯减速、出弯加速入弯减速、出弯加速 入弯急减速、弯内提速、出弯加速入弯急减速、弯内提速、出弯加速322. 图像法循迹图像法循迹 2.1 图像法工作原理图像法工作原理 2.2 电路设计电路设计 2.3 软件设计软件设计332.1 图像法工作原理图像法工作原理 摄像头采集图像摄像头采集图像 图像处理的方法识别轨迹图像处理的方法识别轨迹342.2 电路设计电路设计 2.2.1 摄像头工作原理摄像头工作原理 2.2.2 图像信号的基本概念图像信号的基本概念 2.2.3 摄像头分类摄
9、像头分类 2.2.4 模拟摄像头电路设计模拟摄像头电路设计 2.2.5 图像采集图像采集352.2.1 摄像头工作原理摄像头工作原理 基本概念基本概念 像素、帧、行、场、电子扫描、同步和消隐像素、帧、行、场、电子扫描、同步和消隐 PAL制式制式36基本概念基本概念 像素像素 平面图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉平面图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，总可以看成是由许许多多的小单元组成。持性，总可以看成是由许许多多的小单元组成。 在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为称为像素像素。 像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由像素越小，单位面积
10、上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。其构成的图像就越清晰。电视原理与系统电视原理与系统.http:/ 图象帧图象帧 电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，每帧图像由许多像素组成，帧是构成活动图象每帧图像由许多像素组成，帧是构成活动图象最小单元。最小单元。视觉暂留时间（约视觉暂留时间（约50 200ms） 电视原理与系统电视原理与系统.http:/ 扫描扫描 将组成一帧图象的像素，按顺序转换成电信号将组成一帧图象的像素，按顺序转换成电信号的过程称为扫描。电视系统中，扫
11、描多是由电的过程称为扫描。电视系统中，扫描多是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。子枪进行的，通常称其为电子扫描。 行扫描行扫描 从左至右扫描从左至右扫描 帧帧(或场或场)扫描扫描 自上而下扫描自上而下扫描 隔行扫描隔行扫描 每帧扫描行数不变，将每帧图像分为两场（奇每帧扫描行数不变，将每帧图像分为两场（奇场和偶场）传送。场和偶场）传送。电视原理与系统电视原理与系统.http:/ 同步同步 同频：扫描速度相同；同频：扫描速度相同； 同相：每行、每幅的扫描起始时刻相同同相：每行、每幅的扫描起始时刻相同 即即同频又同相同频又同相才能实现才能实现同步扫描同步扫描 保证图象既无水平方向扭曲现象，也无垂直
12、方向翻滚现象。保证图象既无水平方向扭曲现象，也无垂直方向翻滚现象。 同步脉冲同步脉冲 每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲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。每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲。 消隐消隐 在图像换行和换场时，电子枪回扫时不扫描在图像换行和换场时，电子枪回扫时不扫描电视原理与系统电视原理与系统.http:/ 黑白全电视信号黑白全电视信号 由由 图像信号图像信号和确保扫描同步的和确保扫描同步的复合同步信复合同步信号号以及消除扫描逆程回扫线的以及消除扫描逆程回扫线的复合消隐信号复合消隐信号等辅助信号而构成的。等辅助信号而构成的。41PAL制式制式
13、每秒每秒25帧帧50场场 分辨率分辨率 标清：标清：720*576 场消隐区、行消隐区、场同步、行同步场消隐区、行消隐区、场同步、行同步422.2.2 图像信号的基本概念图像信号的基本概念 亮度亮度 人眼对光的明暗程度的感觉人眼对光的明暗程度的感觉 对比度对比度 最大亮度与最小亮度的比值最大亮度与最小亮度的比值 灰度灰度 灰度即亮度级差或称亮度层次灰度即亮度级差或称亮度层次 432.2.3 摄像头分类摄像头分类 数字摄像头数字摄像头 输出数字信号，如输出数字信号，如OV6620 模拟摄像头模拟摄像头 输出模拟信号，输出模拟信号， PAL制式（制式（NTSC 制式）制式） CMOS CCD44数
14、字摄像头数字摄像头 OV6620 45CCD与与CMOS比较比较 CCD 成像质量高成像质量高 动态响应比较好，比较重动态响应比较好，比较重 电压电压12V CMOS 质量轻质量轻 对电源电压的要求低，功耗比较低对电源电压的要求低，功耗比较低 成像质量差，分辨率低，噪声大成像质量差，分辨率低，噪声大 电压电压5VVCC、GND、AV三跟线 46小电视显示的小电视显示的CCD摄像头采集图像摄像头采集图像4748位置低力臂小位置高力臂大转弯时产生的离心力山东大学智能车竞赛讲稿山东大学智能车竞赛讲稿,201049直线行驶时，与安装位置无关，没有影响因舵机在前轮，转向时安装在前影响大安装在后，转向时影
15、响小图象中心偏移量大图象中心偏移量小山东大学智能车竞赛讲稿山东大学智能车竞赛讲稿,201050最远点最近点轴心线成像可视范围垂直夹角大，可视范围大，在线数一定的条件下，分辨率底垂直夹角最远点最近点轴心线成像可视范围垂直夹角小，可视范围小，在线数一定的条件下，分辨率高垂直夹角山东大学智能车竞赛讲稿山东大学智能车竞赛讲稿,2010512.2.4 模拟摄像头电路设计模拟摄像头电路设计 电源电路电源电路 5V、12V 视频分离电路视频分离电路5253542.2.5 图像采集图像采集 利用同步信号向处理器发出中断请求，在中断中采集图像。利用同步信号向处理器发出中断请求，在中断中采集图像。 像素同步信号像
16、素同步信号提示出现一个新的像素数据提示出现一个新的像素数据 行同步信号提示一行开始行同步信号提示一行开始 场同步信号提示一场开始场同步信号提示一场开始 数字摄像头数字摄像头 像素同步像素同步 读一个像素的灰度，存入数组读一个像素的灰度，存入数组 行同步行同步 数组换行数组换行 场同步场同步 开始接收一幅新图像开始接收一幅新图像55 模拟摄像头模拟摄像头 A/D转换获得像素值转换获得像素值 像素的灰度，存入数组像素的灰度，存入数组 行同步行同步 开始新一行图像，开始新一行图像，A/D转换连续转换获得像转换连续转换获得像素值素值 场同步场同步 开始接收一幅新图像开始接收一幅新图像56采集图像结果采
17、集图像结果57图像二值化结果图像二值化结果582.3 软件设计软件设计 2.3.1 软件流程图软件流程图 2.3.2 控制策略控制策略592.3.1 软件流程图软件流程图开始开始系统初始化系统初始化图像处理图像处理视频信号视频信号A/D转换转换判断车道类型判断车道类型（如直道、小弯和大弯等）（如直道、小弯和大弯等）计算舵机转角计算舵机转角计算电机转速计算电机转速PWM舵机转角控制舵机转角控制PWM电机转速控制电机转速控制测速测速速度速度PID602.3.2 控制策略控制策略 北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛北京科技大学第三届飞思卡尔智能车竞赛 加权法加权法6162谢谢 谢！谢！演讲完毕，谢谢观看！