光电设计比赛修订.docx

第三届全国光电设计大赛理论方案报告 编 号：参赛题目：基于光电导航的无人驾驶智能车参赛队伍名称：辉耀之光所在学校：武汉理工大学队长姓名：胡内彬提交方案时间：2012．5．5 第三届全国光电设计大赛组委会制 参赛题目： 基于光电导航的无人驾驶智能车 1研究内容 1.选择一个符合要求的车型机械结构，在保证竞赛最低要求的前提下提高性能。 2.设计一种电源和电机驱动模块，用于提供电机，控制芯片，传感器合适的电源。 3.设计一种基于CMOS的图像采集系统，通过图像处理，提取图像中红线的位置后得到智能车的前进路线。 4.提出一种标志牌识别的方案并实现，用于识别三种标志，控制相应的动作（左转，右转和直行）。 5.提出一种智能车入库的方案并实现，使智能车入库期间不触碰车库任何部分。 2 研究方案 2.1 机械结构 机械部分为智能车的骨架，直接影响智能车后期的速度、转弯控制和行驶的稳定性。 图1 机械结构图 图1是智能车机械结构示意图。前轮使用舵机控制方向，后轮驱动，该车速度比较快而且转向方便，行车路径快速自然,符合比赛中要求的用时最少原则。但是由于有舵机，所以机械结构较复杂。但瑕不掩瑜，此方案非常适合。 图1车型机械结构的舵机采用S-D5数码舵机，该舵机的在5.5v的工作电压下速度为0.14sec/60°，扭力为5kg-cm。舵机的工作电压只能在5.5v以下，有堵转保护功能，输入信号PWM波频率为300HZ。 马达采用RS-540直流电机，工作电压为直流7.2v，转速为20000r/min。是竞速的有力保证。 2.2 电源电机模块 电源电机模块用于从电池中提取能量供给摄像头、主控芯片、舵机和电机。 供电方向框图如下： 图2 电池供电方向 由图2可知，7.2v电池供电方向大体分为三个：5v、3.3v、7.2v。需要用到降压电路将7.2v降到5v和3.3v。 7.2v到5v降压电路选择7805稳压芯片，7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。 由于7.2v到3.3v之间的压降比较大，所以选择将5v再降到3.3v，使用AMS1117-3.3芯片，该芯片体积小，应用普遍。 电机驱动电路中的H桥芯片选用BTS7960，由于BTS7960是半桥，需要两个芯片组成H桥控制电机。之所以选用BTS7960是因为芯片输出电流大，相对于L298N电机驱动芯片的输出电流只有4A，BTS7960的电流能达到10A以上，保证了速度。 图3 BTS7960芯片部分电路 INH端时刻为高电平，使芯片使能。IN端接主控芯片输入的PWM波，控制芯片中mos管导通或截止从而控制输出口的电流走向。 2.3 图像采集系统 拟使用CMOS摄像头方案，由于CCD摄像头需要12v的升压电路，造成电源模块的电路复杂，所以采用CMOS摄像头，目前方案有两个： 第一种：提取灰度。由于红线和水泥地的灰度不同，经过提取，处理，能够将红线从图像中分离出来，通过测算红线在图像数组中的位置，判断赛道的方向和车子与赛道中线的偏移量。数据量大的问题可以通过主控芯片离散提取,将采取的图像分辨率降低。通过添加蓝色滤光片提高红线与水泥地的对比度。 下图为经由串口提取，matlab软件显示的图像。 图4 图像提取图 由图可以看到在较好的环境下效果良好，能够区分红线和地面。但是在阳光下，由于阳光的照射，导致部分红线亮度较强，产生偏差。效果如图： 图5 阳光下效果图 第二种：使用彩色摄像头，由于红线和地面颜色不同，通过颜色的不同进行红线提取。基本思路和第一种有相似之处，但是效果更好，但是处理的数据量较第一种方案要多，采集速度需要提高，因此使用DMA快速读取，这样不占据CPU时间，提高效率。 同时降低图像大小，采用QQVGA（120*160）图像格式，这样能够减少图像处理的时间，提高效率。 综上所述：采用灰度区分红线和地面的方法不可靠，受光照影响特别大。提高了后期处理的难度。而使用颜色区分红线和地面的方法能够从本质上区分红色和地面的水泥灰色，这样就能够准确而快速得提取到红线，为后期的图像处理降低了难度，提高了速度。因此，综合考虑，选用彩色摄像头方案。 2.4 PID控制 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为 其中Kp为比例系数； Ti为积分时间常数； Td为微分时间常数。 PID算法包括位置式PID与增量式PID，本设计采用的是增量式PID。采用前一个差值与后一个差值进行运算。通过调节PID的3个参数，可以快速而准确地控制智能车的行进方向。同时还可以用来控制小车的速度，使其变化迅速而且速度稳定。 2.5 标识牌识别 经过设想提出使用激