摄像头智能循迹小车设计与实现解析


内容摘要:智能循迹小车可以根据前端摄像头的输入图像识别出道路状况,通过优化智能车的软硬件设计,能够确保其在不同环境下行驶的快速性和准确性,本文以Kinetis60为核心处理器,完成了智能车路径检测、速度检测、数据传输模块、电机舵机驱动模块的设计与实现,并在此基础上提出了一种利用摄像头实时图像进行智能车循迹判断的方法,能够提取出精确的路径特征信息,实践证明该方法具有可行性。

随着智能交通系统的广泛应用,智能车的系统控制也逐步成为一项新兴技术,该领域涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科。本方案采用摄像头作为信号采集的传感器,根据摄像头采集的图像进行精密计算,确定速度参考和舵机转向参考。摄像头组的智能车对于道路信息预测能力强,而且摄像头对道路的探测精细,视角范围大,因此受到众多智能车设计者的欢迎。但摄像头图像受周围光线的影响大;算法运算量大,算法复杂,需要占用较多的NCU资源,因此其中图像识别算法的设计成为系统设计的关键步骤。

1 系统设计

智能车系统由核心处理器KINETIS60、路径检测模块、起跑线检测模块、车速检测模块、电源模块,无线数据传输模块、电机驱动模块、舵机驱动模块组成。其中摄像头组的路径检测模块由OV7620摄像头实现。

车速检测模块由编码器构成,实现速度的实时采集。电机驱动模块由八片IRF3205构成H桥来实现。电源模块由三块LM2940组成。舵机使用S-D5连接至PWM引脚,起跑线检测模块由两个TCRT5000以及一个LM339组成。无线数据传输通过NRF24L01进行数据传输。

智能车由路径传感器采集得到前方道路的图像,从中提取出有用信息,判断所处的跑道类型(直道,大弯道,S弯道),确定小车的舵机转向及车速。从而通过电机和舵机驱动小车流畅地在跑道上行进。系统框图如图1所示。

摄像头智能循迹小车设计与实现解析


2 软件算法总体设计

本方案中,以IAR为开发工具,系统软件设计包括以下几个方面:系统初始化、视频图像信号采集、小车的方向(舵机)控制和速度(电机)控制。系统软件流程罔如图2所示。

摄像头智能循迹小车设计与实现解析


3 图像采集

OV7620是CMOS彩色/黑白图像传感器。它支持连续和隔行两种扫描方式,VGA与QVGA两种图像格式;最高像素为664×492;数据格式包括YUV、YCrCb、RGB3种,能够满足一般图像采集系统的要求。

由于芯片处理能力不足以达到PC的运算能力,因此本方案采用了黑白摄像头,由于受片内总线频率的限制,每行能够采集到的点数有限而且图像质量很差,并且会占用CPU大部分的时间,所以我们采用了K60自带的DMA进行数据采集,实践证明,DMA能够采集到绝大多数的点,并且图像质量很好。

为了更好的检测黑线中心位置,要保证单行上有足够的点,为了提高处理速度,可适当降低采样行数,综合了以上条件,最终决定采用100行信息进行方向判断,每幅图像大小限定为180×100。

4 图像识别

摄像头智能车系统是否能辨识正确的方向的关键就是其中的图像识别算法的设计,在本算法中根据采集来的图像,首先进行图像二值化,然后再对二值化后的图像进行去噪处理,得到只含有赛道黑线的图像,再对图像进行图像识别,根据设定的阈值进行方向识别,得到的结果送至舵机控制模块进行舵机的方向控制。基于图像识别算法的路径识别流程图如图3所示。

摄像头智能循迹小车设计与实现解析


4.1 黑线提取

二值化是一种广泛使用的图像分割技术,它利用了图像中要提取的目标物与其背景在灰度特性上的差异,把原图像变为仅用两个灰度值表示的图像目标物和背景的二值图像,考虑到所采集的图像目标物(黑色中心线)与背景(白色跑道)的灰度值差异比较明显,采用固定阈值法进行图像的二值化。二值化的实现是由下面的公式来实现:



式中g(x,y)为二值化结果;T为阈值,f(x,y)为原图像的灰度值。

本方案采用固定的阈值进行图像二值化,因为单片机没有足够的时间进行动态阈值计算。因此要确定一个合理的算法来确定一个固定阈值,小车在不同光照条件下的图像阈值不同,因此小车每一次启动时计算一次固定阈值,如图4所示。

摄像头智能循迹小车设计与实现解析


4.2 舵机及电机控制算法

提取出图像的中心线以后,需要根据中心线的位置,来判断赛道的类型,区分直道、S型弯道和左转弯和右转弯。利用摄像头识别道路在识别性能方面具有优势,相对于光电和电磁传感器,可以有较远的前瞻距离,赛道信息不是根据单行数据来判断,而是根据每幅图像的多行信息来判断。根据前述,每幅图像采用80行的信息进行判断。

根据二值化图像的结果,以图像重心为界,分别计算边界左右侧白点数目和(式2、式31,然后对左右侧白点数和leftSum,rightSum做差,然后对差值除以行数,得到赛道偏移量(式4),根据偏移量centerAVG大小,centerAVG的大小基本上可以判断当前赛道情况,根据赛道情况,对centerAVG乘以不同的系数k(式5),得到舵机值(式6),然后进行方向控制。

摄像头智能循迹小车设计与实现解析
摄像头智能循迹小车设计与实现解析

Related Articles

利用包容式结构的智能循迹小车设计

06/22 04:20
利用包容式结构的智能循迹小车设计
内容摘要:设计出一个基于包容式结构的智能循迹小车,该小车采用单片机AT89S51作为控制器.该系统主要有避障行为模块.轨线跟踪行为模块.远程控制行为以及紧急停车模块.采用红外传感器设计检测轨线模块,超声波传感器设计避障模块.对于避障行为模块,提出采用模糊控制算法进行避障.经大量实验验证该小车不仅能稳定跟踪轨线,而且能绕障碍物行走. 智能小车是一种集环境感知.动态决策与规划.行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,是一种功能简化的移动机器人,广泛用于智能吸尘器.搬运小型物件.清理垃圾等.所谓智能

自制一款有趣好玩的智能循迹小车

02/10 03:49
自制一款有趣好玩的智能循迹小车
着素质教育的越来越被重视,很多学校都把制作智能小车作为首选课题,智能小车生动有趣还牵涉到机械结构.电子基础.传感器原理.自动控制甚至单片机编程等诸多学科知识,学生通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力,而且智能小车还是一个很好的硬件平台,只要增加一些控制电路就能完成循迹小车.救火机器人.足球机器人.避障机器人.遥控汽车等课题. 白色的场地上有一条16毫米宽的黑色跑道,我们的循迹小车能沿着黑色跑道自动行驶,不管是跑道如何弯曲小车都能自动行驶真是太神奇了!大家知道当光源射到白色物体和黑色物体上时的

基于MC9S12XSl28单片机的智能循迹小车的硬件设计

05/09 18:59
基于MC9S12XSl28单片机的智能循迹小车的硬件设计
摘要:给出了一种基于MC9S12XSl28单片机的智能模型车硬件系统的设计方法,该系统的核心控制器采用MC9S12XSl28芯片,并采用数字摄像头0V6620采集路面信息,电机驱动模块则采用MC33886 H桥芯片.整个系统根据对所采集图像信息的分析和处理来控制舵机转向并调整后轮驱动电机的速度,从而实现小车自动循迹的功能. 关键词:智能车:MC9S12XSl28单片机:自动循迹:摄像头:OV6620 O 引言 智能车辆作为智能交通系统的关键技术之一,是许多高新技术综合集成的载体.它体现了车辆工程

智能循迹小车硬件设计及路径识别算法

05/16 18:50
智能循迹小车硬件设计及路径识别算法
摘要:设计用于全国大学生智能汽车竞赛用的循迹小车,摄像头采集黑线引导线的位置,直流电动机驱动小车后轮,舵机作为转向驱动.根据实际应用环境,提出用于循迹的图像处理方法,以排除黑线引导线以外物体的干扰,同时提出一种适应力强的小车循迹策略.实验表明,在这种控制策略下,小车运行稳定,能够排除各种干扰,并且能够使小车维持很高的速度行驶. 关键词:循迹:单片机:图像处理 全国大学生智能汽车竞赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模.单片机MC9S12DG128开发板.开发软件Code Warrior和在线调试工

一种高可靠的红外循迹小车设计

07/18 22:39
一种高可靠的红外循迹小车设计
本文针对小车采用传统光循迹电路的两点不足,提出了一种高可靠小车红外光循迹电路的设计.该设计用低占空比强红外光调制发射能克服环境光线的干扰;再对光接收信号进行交流放大后解调能进一步克服环境干扰;采用逐个循环发射.接收能克服光衍射对相邻光敏管的干扰,最后给出设计的电路结构框图及部分电路图.经分析该设计避免了传统设计繁琐的调试工作量,可以满足各种环境光线的应用! 1 传统光循迹小车电路结构 1.1 小车循迹简介 所谓小车循迹,就是在白纸上画出黑色的线条,称为赛道;小车沿着赛道按要求(可以做一些指定的任

基于单片机控制的智能循迹,追踪,避障小车的设计制作方法

05/06 23:31
基于单片机控制的智能循迹,追踪,避障小车的设计制作方法
本文主要介绍了采用灰度传感器的自循迹小车的设计与实现,并加以追踪与避障的功能.采用与白色地面反差很大的黑色路线引导小车按既定路线前进,若接近开关检测到物体时,实现追踪功能.通过改编程序,同样利用这两个接近开关可实现避障功能,即遇到障碍物时,自动转弯. 随着人们物质文化生活水平的不断提高,智能化的电子玩具深受人们的喜爱,尤其是各种智能小车,由于这类玩具具有较好的交互性,可控性,能够给人们带来很好的娱乐以及参与其中的体验,高科技智能化的电子类玩具逐渐成为市场的主流.与此同时,智能小车可以应用于考古.

基于红外激光二极管的智能循迹模型车硬件系统的设计方法

06/17 21:48
本文介绍了一种基于红外激光二极管的智能循迹模型车硬件系统的设计方法.该系统以MC9S12XS128为控制核心,采用红外激光二极管及红外接收传感器采集路径信息,同时应用内部集成H桥电路的MC33886芯片进行电机驱动,并运用LM331芯片来设计测速电路.此系统可对采集到的路径信息及反馈的车速数据进行分析和处理,能及时控制舵机转向和调整电机转速,从而实现小车的自动循迹功能. 全国大学生"飞思卡尔"杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上,使用飞思卡尔半导体公司的8位.16位微控制器作为核心控

由Atmegal6L单片机控制模块组成的具有智能循迹.自动避障等功能的智能小车的制作方法

02/17 06:04
由Atmegal6L单片机控制模块组成的具有智能循迹.自动避障等功能的智能小车的制作方法

基于红外反射式光电传感器的智能寻迹小车的设计与实现

07/08 02:54
本文介绍了一种智能寻迹小车的设计与实现.基于红外反射式光电传感器的寻迹原理,采用AT89C52单片机为核心控制器件,通过红外传感器检测路面信息,单片机获取路面信息后,进行分析.处理,最后控制步进电机调节转向和转速.实验表明:该系统抗干扰能力强.电路结构简单,能够准确实现小车沿给定的黑线快速.平稳行驶. 智能汽车作为一种智能化的交通工具,体现了车辆工程.人工智能.自动控制.计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合,是未来汽车发展的趋势.寻迹小车可以看作是缩小化的智能汽车,它实现的基本功能是沿着指定