智能小车的寻迹系统设计

上海大学2014～2015学年秋季学期研究生课程考试课程名称：模式识别技术及其应用课程编号：09Z117009

论文题目：基于CMOS摄像头的智能车路径识别方法

研究生姓名：徐威学号： 14721532

论文评语：

成绩：任课教师：

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基于CMOS摄像头的智能车路径识别方法

徐威

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

摘要：介绍了一种基于摄像头图像的智能车寻迹方法。以MC9S12XS128为核心控制器，利用CMOS图像传感器作为路径信息采集装置，通过对采集图像进行二值化处理、去噪操作、边缘检测和断点修补后提取出路径中心信息。

利用最小二乘法对路径中心信息进行直线拟合，根据拟合直线的参数计算舵机控制量。对舵机采用PD控制算法，根据舵机转向角设定小车的速度，并对小车实行转角和速度的实时控制。实验结果证明，该智能车系统能够沿着赛道快速稳定地自动行驶，实现了路径识别与跟踪。

关键字：智能小车；MC9S12XS128；图像；CMOS摄像头；寻迹；路径跟踪

Smart Car Path Identification Method Based on CMOS Camera

XUWei

（School of electrical and mechanical engineering and automation, Shanghai University, Shanghai 200072,China）

Abstract: A method of smart car tracing based on camera image is introduced. MC9S12XS128 as a core controller, and CMOS camera as an acquisition device for route information. The route information is extracted by binarization, denoising, edge detection and breakpoint interpolation on the image collected. The system uses the minimum square fitting method to fit a straight line with the tracking information and calculate the value of direction control according to the parameters of the fitted line.

The PD algorithm is adopted for the steering control. The velocity of intelligent vehicle is set on the basis of steering angle. The real-time control of angle and speed is implemented on the smart vehicle.

Experiment results shows that the smart car system is able to automatically run fast and stably along the black track. And the path recognization and tracking is achieved.

Key word: smart car; MC9S12XS128; image; COMS camera; tracing; route tracing

1. 智能小车的总体结构

智能车系统是以迅猛发展的汽车电子为背景，集中的运用到自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，是典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。本文主要介绍智能小车识别路径的方法，该设计的系统主要由HCS12控制核心模块、电源模块、直流电机驱动模块、图像采集模块、舵机驱动模块、速度采集模块和调试接口模块组成，其结构框图如图1所示：

MCU

（MC9S12XS128）

图像采集模块调试接口

电源管理模块

速度检测模块

舵机驱动

直流电机驱动

图1 系统总体框图

Fig.1 The overall block diagram of system

2. 路径信息的获取

2.1 识别方案选择

目前市面上常见的摄像头主要有CMOS 和CCD 两种，模拟摄像头多为CCD 摄像头，CMOS 摄像头大多是数字的。两者优缺点比较如表1，其中CMOS 型摄像头工艺简单，价格便宜，对于识别智能车赛道这样的黑白二值图像能力足够，因此，本文主要以CMOS 型摄像头为例，介绍基于摄像头方案的智能车自主寻迹设计。

表1 CCD 和CMOS 对比表

Tab.1 The CCD and CMOS contrast table

CCD CMOS

灵敏度 同样面积下高

感光开口小，灵敏度低 成本 成本高

CMOS 整合集成，成本低

解析度 连接复杂度低，解析度高 低，新技术高 功耗比 单一放大，噪点低 百万放大，噪点高 噪点比

需外加电压，功耗高

直接放大，功耗低

2.2 硬件设计

2.2.1 S12控制核心

智能车的控制核心是MC9S12XS128，是飞思卡尔公司生产的一款16位单片机，标称总线频率40 MHz，片内资源包括8 KB RAM、128 KB FLASH、2 KB E2PROM；SCI、SPI、CAN通信接口模块，脉宽调制(PWM)模块，A/D转换器，周期中断定时器(PIT)模块，增强型捕捉定时器。其中用于路径识别的I/O口的分配如下：PAD1用于摄像头视频信号的输入口；IRQ（PE1引脚）用于摄像头行同步信号的输入捕捉；PM0用于摄像头奇-偶场同步信号的输入口。

2.2.2 电源管理单元

根据系统各部分正常工作的需要，各模块的电压值可分为2.5 V、5 V、 6.5 V、 7.2 V、 12 V五个挡，具体电源分配图如图2所示：

图2 电源分配图

Fig.2 The power distribution diagram

2.2.3 路径识别单元

路径识别单元是智能车控制系统的输入采集单元，其优劣直接影响智能车的快速性和稳定性。在摄像头方案中，其前瞻距离及检测到的赛道信息是红外线光电管方案远不能比拟的，但其软、硬件设计也较红外线光电管方案难。要能有效地采样摄像头视频信号，首先要处理好的技术问题就是能提取出摄像头信号中的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲。否则，单片机将无法识别所接收到的视频信号处在哪一场，也无法识别是在该场中的场消隐区还是视频信号区，更无法识别是在视频信号区的第几行。