智能车设计(CMOS摄像头)
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武汉科技大学信息科学与工程学院
7.1
机械设计
倘若将CMOS摄像头旋转90°安装，输出的图 像信息也将旋转90°，通过S12的A/D转换器 采集的图像信息，水平分辨率与垂直分辨率会发 生互换，从原来的水平分辨率低、垂直分辨率高 的图像变成水平分辨率高、垂直分辨率低的实际 图像，正好符合道路参数检测模型的要求。 在同样保证90 cm的前瞻下，底端的宽度有22 cm左右，顶端65 cm，可以达到避免地面干扰 的效果。同时底端仅有不到20 cm的图像丢失， 而且摄像头的俯角相对较小，可以克服反光的问 题，这样过弯道的时候会有安全保障。
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7.2.3
路径识别单元
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。
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7.1
机械设计
而按照大赛采用跑道的形状特点，这些跑道都是 由直线和圆弧组成的，检测车模前方一段路径参 数，只需要得到中心线上3～5个点的位置信息 就可以估算出路径参数，如位置、方向和曲率等。 通过图像中的若干行信息就可以检测出这排点的 位置，故所需的检测图像应该是水平分辨率高， 垂直分辨率低。
在摄像头方案中，其I/O口具体分配如下： 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； PT0用于车速检测的输入口； PB口用于显示小车的各种性能参数； PWM0（PP0引脚）与PWM1（PP1引脚）合并用于 伺服舵机的PWM控制信号输出； PWM2（PP2引脚）与PWM3（PP3引脚）合并用于 驱动电机的PWM控制信号输出（电机正转）； PWM4（PP4引脚）与PWM5（PP5引脚）合并用于 驱动电机的PWM控制信号输出（电机反转）。
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7.2.2
电源管理单元
（1）采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压到5 V后， 给单片机系统电路、车速检测的转角编码器电路供电， 且为后面的升压降压做准备； （2）经过一个二极管降至6.5 V左右后供给转向伺服 电机； （3）直接给直流驱动电机、驱动芯片MC33886电路 供电； （4）采用升压芯片B0512S将5 V电压升压到12 V后， 给摄像头供电； （5）采用稳压芯片LT1764将5 V电压稳压到2.5 V后， 作为单片机A/D模块参考电压。
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7.2.2
电源管理单元
由于稳压芯片LM2576的额定输出电流较小， 故采用两片LM2576分别对单片机电路、车速 检测电路供电，以保证系统正常运行。 其电源分配图如图7.2所示。
图7.2 电源分配图
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7.2.3
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。
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7.1
机械设计
倘若正向安装摄像头，尽管水平方向的视野开阔一些， 不至于迷失黑线跑出赛道。但实际采集到的图像是水平 分辨率低，垂直分辨率高，与所需的检测图像要求刚好 相反。 为了保证不漏检黑色引导线，正向安装就需要提高水平 方向的分辨率，这就需要大大提高MC9S12DG128单 片机的A/D采样频率，导致MC9S12DG128超频使用。 单片机超频使用会影响系统稳定性，容易发生程序失稳 的现象。 除此之外，由于正向安装采集到的图像宽度大，长度短， 致使智能车容易看到赛道边缘以及地面，产生较大的干 扰，而且对底端的图像信息丢失也过多，大大影响过弯 速度。
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7.1
机械设计
此外，摄像头所架的高度一定要适宜。架得过高 会导致小车的视野过大，看到的黑线变得太细， 还会导致智能车的重心太高，使智能车快速过弯 时容易翻车；架得太低又会影响前瞻，带来反光 的问题，影响采样。合适的高度要既满足小车的 重心要求，又保证前瞻距离。 安装摄像头的底座和支杆应使用刚度大、质量轻 的材料，以防晃动。
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第7章 智能汽车设计实践——摄像头型设计
1
7.1
机械设计
2
7.2
硬件设计
3
7.3
软件设计
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7.1
机械设计
同光电管方案比起来，摄像头方案机械设计的不 同主要体现在摄像头传感器的安装上，而舵机及 车速检测单元的安装基本同光电管一样。下面我 们将重点介绍摄像头传感器安装这一问题。 摄像头的作用是检测道路的信息，相当于人的眼 睛，其视野范围和前瞻距离决定了小车的过弯性 能和速度。所以摄像头的安装方式要适当。摄像 头的安装方案有两种：一种是正向安装，另一种 是旋转90°安装。
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7.2.3
wenku.baidu.com路径识别单元
图7.3 摄像头采样电路图
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7.2.3
路径识别单元
摄像头视频信号端接LM1881的视频信号输入 端，同时也接入S12的一个A/D转换器口（选 用PAD1）。 LM1881的行同步信号端（引脚1）接入S12的 一个外部中断IRQ口。 LM1881的奇-偶场同步信号输出端接S12的普 通I/O口即可（选用PORTM0）。
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7.3
软件设计
在摄像头方案智能车控制系统的软件设计中，程 序的主流程是：通过外部中断采集程序对摄像头 的视频信号进行采集，主程序在两次外部中断的 间隙中完成对数据进行处理及计算并给出控制量， 采样周期为20 ms。其中，主程序主要完成的 任务是：单片机初始化和黑线提取算法；图像滤 波算法；舵机控制算法及驱动电机控制算法。
电源管理单元 路径识别单元
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7.2.1
HCS12控制核心
HCS12控制核心单元既可以直接采用组委会提 供的MC9S12EVKX电路板，也可以自行购买 MC9S12DG128单片机，然后量身制作适合自 己需要的最小开发系统。
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7.2.1
HCS12控制核心
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7.3
软件设计
摄像头方案具体主程序流程图如图7.4所示。
图7.4 摄像头方案具体主程序流程图
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7.3 7.3.1
7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5
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软件设计 初始化算法
图像采集算法 黑线提取算法 图像滤波算法 控制策略及控制算法
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7.1
机械设计
图像采集是智能车设计的一个技术难点。普通图 像传感器通过行扫描方式，将图像信息转换为一 维的视频模拟信号输出。由于S12的A/D转换 器采集速度较低，进行10位A/D转换所需要的 时间为7 μs。这样，采集的图像每行只有8个像 素，图像的水平分辨率很低。倘若在此基础之上 就进行智能车的路径识别，则很可能漏检宽度仅 2.5 cm的黑色引导线，从而导致某些控制决策 因无法获取足够精度的路径信息而失效。但同时， S12每场图像大约可以采集300行左右的图像信 息，故图像的垂直分辨率相对较高。
7.3.1
初始化算法
1．锁相环的设置 2．脉冲宽度调制（PWM）初始化 3．定时中断及输入捕捉通道的初始化
4．A/D转换模块初始化
5．外部中端（IRQ）的初始化
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1．锁相环的设置
通过设置锁相环，可以改变单片机的时钟频率。 在MC9S12单片机中，靠锁相环产生的时钟频 率由下面的公式得到：
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7.2
硬件设计
在摄像头方案中，由于车速检测模块、舵机控制 单元及直流驱动电机控制单元同光电管方案相同， 以下对路径识别单元、HCS12控制核心及电源 管理单元做简要介绍。
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7.2 7.2.1
7.2.2 7.2.3
硬件设计 HCS12控制核心
摄像头传感 器方案
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MCU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
表7.1 两种检测方案的比较
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第7章 智能汽车设计实践——摄像头型设计
图像采集传感器可分为CCD型和CMOS型，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，我们以下主要以CMOS型摄像头为例，介绍 基于摄像头方案的智能车详细设计。
第7章 智能汽车设计实践—— 摄像头型设计
第7章 智能汽车设计实践——摄像头型设计
两种检测方案的比较——
路径识别方法 优 点 缺 点
红外光电管 传感器方案
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MCU端口资源较多 5．容易受到外界光线影响
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7.2.3
路径识别单元
要处理好行同步脉冲和场同步脉冲提取的问题， 有以下两种可供参考的方法。
方法一：直接采用A/D转换进行提取。当摄像头信号为 行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲时，摄像头信号 电平就会低于这些脉冲模式之外时的摄像头信号电平。 据此，可设一个信号电平阈值来判断A/D转换采样到的 摄像头信号是否为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉 冲。 方法二：就是给单片机配以合适的外围芯片，此芯片 要能够自己提取出摄像头信号的行同步脉冲、消隐脉 冲和场同步脉冲，以供单片机控制之用。
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7.2.3
路径识别单元
倘若采用第一种方法，则无需配以外部芯片，在硬件上 就可以较为简便。然而，此方法在智能车控制系统的设 计中存在两大局限性。 其一，S12的A/D转换时间还不够短，在不超频的情况 下，该单片机的A/D转换时间最短为7 μs，而行同步脉 冲一般只有4.7 μs左右的持续时间，大多数消隐脉冲 更只有3.5 μs的持续时间，持续时间都小于7 μs，所以 A/D转换很有可能漏检行同步脉冲或消隐脉冲。一旦漏 检一两个脉冲，就会使摄像头视频采样的效果大打折 扣。
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7.2.3
路径识别单元
倘若采用第二种方法，则需要配以专门的外围芯 片。虽然硬件上相对要繁琐一些，但在资源的合 理配置上则大大提高。目前，LM1881视频同 步信号分离芯片就是一款合适的芯片，它提取摄 像头信号的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲， 并将它们转换成数字式电平直接输给单片机的 I/O口作为控制信号。其硬件连接图如图7.3所 示。
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7.2.3
路径识别单元
其二，在智能车控制系统中，S12除负责摄像头视频 采样方面的处理之外，还要负责黑色引导线的提取、 方向速度控制等方面的处理，但毕竟MC9S12DG128 的处理能力还是有限的，若采用此方法，会使得在视 频采样上花费较多的S12处理资源，这样摄像头视频 采样本身的效率较低。此外，黑色引导线的提取、方 向速度控制等方面的设计也会局限于所剩余的单片机 处理资源。
PLLC LK 2 O SC C LK (S Y N R 1) ( R E F D V 1)
(7.1)
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7.2.1
HCS12控制核心
具体的对应引脚详见图7.1
图7.1 112引脚封装的MC9S12DG12B单片机引脚图
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7.2.2
电源管理单元
同光电管方案比较，摄像头方案的电源管理单元 就显得复杂得多。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，主要包含以下五个方面：
7.1
机械设计
倘若将CMOS摄像头旋转90°安装，输出的图 像信息也将旋转90°，通过S12的A/D转换器 采集的图像信息，水平分辨率与垂直分辨率会发 生互换，从原来的水平分辨率低、垂直分辨率高 的图像变成水平分辨率高、垂直分辨率低的实际 图像，正好符合道路参数检测模型的要求。 在同样保证90 cm的前瞻下，底端的宽度有22 cm左右，顶端65 cm，可以达到避免地面干扰 的效果。同时底端仅有不到20 cm的图像丢失， 而且摄像头的俯角相对较小，可以克服反光的问 题，这样过弯道的时候会有安全保障。
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7.2.3
路径识别单元
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。
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7.1
机械设计
而按照大赛采用跑道的形状特点，这些跑道都是 由直线和圆弧组成的，检测车模前方一段路径参 数，只需要得到中心线上3～5个点的位置信息 就可以估算出路径参数，如位置、方向和曲率等。 通过图像中的若干行信息就可以检测出这排点的 位置，故所需的检测图像应该是水平分辨率高， 垂直分辨率低。
在摄像头方案中，其I/O口具体分配如下： 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； PT0用于车速检测的输入口； PB口用于显示小车的各种性能参数； PWM0（PP0引脚）与PWM1（PP1引脚）合并用于 伺服舵机的PWM控制信号输出； PWM2（PP2引脚）与PWM3（PP3引脚）合并用于 驱动电机的PWM控制信号输出（电机正转）； PWM4（PP4引脚）与PWM5（PP5引脚）合并用于 驱动电机的PWM控制信号输出（电机反转）。
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7.2.2
电源管理单元
（1）采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压到5 V后， 给单片机系统电路、车速检测的转角编码器电路供电， 且为后面的升压降压做准备； （2）经过一个二极管降至6.5 V左右后供给转向伺服 电机； （3）直接给直流驱动电机、驱动芯片MC33886电路 供电； （4）采用升压芯片B0512S将5 V电压升压到12 V后， 给摄像头供电； （5）采用稳压芯片LT1764将5 V电压稳压到2.5 V后， 作为单片机A/D模块参考电压。
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7.2.2
电源管理单元
由于稳压芯片LM2576的额定输出电流较小， 故采用两片LM2576分别对单片机电路、车速 检测电路供电，以保证系统正常运行。 其电源分配图如图7.2所示。
图7.2 电源分配图
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7.2.3
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。
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7.1
机械设计
倘若正向安装摄像头，尽管水平方向的视野开阔一些， 不至于迷失黑线跑出赛道。但实际采集到的图像是水平 分辨率低，垂直分辨率高，与所需的检测图像要求刚好 相反。 为了保证不漏检黑色引导线，正向安装就需要提高水平 方向的分辨率，这就需要大大提高MC9S12DG128单 片机的A/D采样频率，导致MC9S12DG128超频使用。 单片机超频使用会影响系统稳定性，容易发生程序失稳 的现象。 除此之外，由于正向安装采集到的图像宽度大，长度短， 致使智能车容易看到赛道边缘以及地面，产生较大的干 扰，而且对底端的图像信息丢失也过多，大大影响过弯 速度。
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7.1
机械设计
此外，摄像头所架的高度一定要适宜。架得过高 会导致小车的视野过大，看到的黑线变得太细， 还会导致智能车的重心太高，使智能车快速过弯 时容易翻车；架得太低又会影响前瞻，带来反光 的问题，影响采样。合适的高度要既满足小车的 重心要求，又保证前瞻距离。 安装摄像头的底座和支杆应使用刚度大、质量轻 的材料，以防晃动。
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第7章 智能汽车设计实践——摄像头型设计
1
7.1
机械设计
2
7.2
硬件设计
3
7.3
软件设计
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7.1
机械设计
同光电管方案比起来，摄像头方案机械设计的不 同主要体现在摄像头传感器的安装上，而舵机及 车速检测单元的安装基本同光电管一样。下面我 们将重点介绍摄像头传感器安装这一问题。 摄像头的作用是检测道路的信息，相当于人的眼 睛，其视野范围和前瞻距离决定了小车的过弯性 能和速度。所以摄像头的安装方式要适当。摄像 头的安装方案有两种：一种是正向安装，另一种 是旋转90°安装。
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7.2.3
wenku.baidu.com路径识别单元
图7.3 摄像头采样电路图
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.3
路径识别单元
摄像头视频信号端接LM1881的视频信号输入 端，同时也接入S12的一个A/D转换器口（选 用PAD1）。 LM1881的行同步信号端（引脚1）接入S12的 一个外部中断IRQ口。 LM1881的奇-偶场同步信号输出端接S12的普 通I/O口即可（选用PORTM0）。
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.3
软件设计
在摄像头方案智能车控制系统的软件设计中，程 序的主流程是：通过外部中断采集程序对摄像头 的视频信号进行采集，主程序在两次外部中断的 间隙中完成对数据进行处理及计算并给出控制量， 采样周期为20 ms。其中，主程序主要完成的 任务是：单片机初始化和黑线提取算法；图像滤 波算法；舵机控制算法及驱动电机控制算法。
电源管理单元 路径识别单元
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.1
HCS12控制核心
HCS12控制核心单元既可以直接采用组委会提 供的MC9S12EVKX电路板，也可以自行购买 MC9S12DG128单片机，然后量身制作适合自 己需要的最小开发系统。
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.1
HCS12控制核心
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.3
软件设计
摄像头方案具体主程序流程图如图7.4所示。
图7.4 摄像头方案具体主程序流程图
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.3 7.3.1
7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5
武汉科技大学信息科学与工程学院
软件设计 初始化算法
图像采集算法 黑线提取算法 图像滤波算法 控制策略及控制算法
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7.1
机械设计
图像采集是智能车设计的一个技术难点。普通图 像传感器通过行扫描方式，将图像信息转换为一 维的视频模拟信号输出。由于S12的A/D转换 器采集速度较低，进行10位A/D转换所需要的 时间为7 μs。这样，采集的图像每行只有8个像 素，图像的水平分辨率很低。倘若在此基础之上 就进行智能车的路径识别，则很可能漏检宽度仅 2.5 cm的黑色引导线，从而导致某些控制决策 因无法获取足够精度的路径信息而失效。但同时， S12每场图像大约可以采集300行左右的图像信 息，故图像的垂直分辨率相对较高。
7.3.1
初始化算法
1．锁相环的设置 2．脉冲宽度调制（PWM）初始化 3．定时中断及输入捕捉通道的初始化
4．A/D转换模块初始化
5．外部中端（IRQ）的初始化
武汉科技大学信息科学与工程学院
1．锁相环的设置
通过设置锁相环，可以改变单片机的时钟频率。 在MC9S12单片机中，靠锁相环产生的时钟频 率由下面的公式得到：
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7.2
硬件设计
在摄像头方案中，由于车速检测模块、舵机控制 单元及直流驱动电机控制单元同光电管方案相同， 以下对路径识别单元、HCS12控制核心及电源 管理单元做简要介绍。
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7.2 7.2.1
7.2.2 7.2.3
硬件设计 HCS12控制核心
摄像头传感 器方案
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MCU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
表7.1 两种检测方案的比较
武汉科技大学信息科学与工程学院
第7章 智能汽车设计实践——摄像头型设计
图像采集传感器可分为CCD型和CMOS型，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，我们以下主要以CMOS型摄像头为例，介绍 基于摄像头方案的智能车详细设计。
第7章 智能汽车设计实践—— 摄像头型设计
第7章 智能汽车设计实践——摄像头型设计
两种检测方案的比较——
路径识别方法 优 点 缺 点
红外光电管 传感器方案
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MCU端口资源较多 5．容易受到外界光线影响
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.3
路径识别单元
要处理好行同步脉冲和场同步脉冲提取的问题， 有以下两种可供参考的方法。
方法一：直接采用A/D转换进行提取。当摄像头信号为 行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲时，摄像头信号 电平就会低于这些脉冲模式之外时的摄像头信号电平。 据此，可设一个信号电平阈值来判断A/D转换采样到的 摄像头信号是否为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉 冲。 方法二：就是给单片机配以合适的外围芯片，此芯片 要能够自己提取出摄像头信号的行同步脉冲、消隐脉 冲和场同步脉冲，以供单片机控制之用。
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.3
路径识别单元
倘若采用第一种方法，则无需配以外部芯片，在硬件上 就可以较为简便。然而，此方法在智能车控制系统的设 计中存在两大局限性。 其一，S12的A/D转换时间还不够短，在不超频的情况 下，该单片机的A/D转换时间最短为7 μs，而行同步脉 冲一般只有4.7 μs左右的持续时间，大多数消隐脉冲 更只有3.5 μs的持续时间，持续时间都小于7 μs，所以 A/D转换很有可能漏检行同步脉冲或消隐脉冲。一旦漏 检一两个脉冲，就会使摄像头视频采样的效果大打折 扣。
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.3
路径识别单元
倘若采用第二种方法，则需要配以专门的外围芯 片。虽然硬件上相对要繁琐一些，但在资源的合 理配置上则大大提高。目前，LM1881视频同 步信号分离芯片就是一款合适的芯片，它提取摄 像头信号的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲， 并将它们转换成数字式电平直接输给单片机的 I/O口作为控制信号。其硬件连接图如图7.3所 示。
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.3
路径识别单元
其二，在智能车控制系统中，S12除负责摄像头视频 采样方面的处理之外，还要负责黑色引导线的提取、 方向速度控制等方面的处理，但毕竟MC9S12DG128 的处理能力还是有限的，若采用此方法，会使得在视 频采样上花费较多的S12处理资源，这样摄像头视频 采样本身的效率较低。此外，黑色引导线的提取、方 向速度控制等方面的设计也会局限于所剩余的单片机 处理资源。
PLLC LK 2 O SC C LK (S Y N R 1) ( R E F D V 1)
(7.1)
武汉科技大学信息科学与工程学院
7.2.1
HCS12控制核心
具体的对应引脚详见图7.1
图7.1 112引脚封装的MC9S12DG12B单片机引脚图
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7.2.2
电源管理单元
同光电管方案比较，摄像头方案的电源管理单元 就显得复杂得多。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，主要包含以下五个方面：