基于光電傳感器和CCD聯合循線的智能車系統設計摘要：本文介紹一種在飛思卡爾智能車比賽中，將光電傳感器和CCD結合使用的循線智能車設計方案。設計采用飛思卡爾16位微控制器MC9S12DB128B作為核心控制單元，通過對光電傳感器以對及面陣CCD各自特點的分析，提出組合循線的具體軟硬件方案，并重點對循線控制算法進行研究，最后對我們的設計方案進行試驗驗證，得出結論。關鍵詞：智能車、光電傳感器、CCD、路徑識別中圖分類號：TP1Abstract:ThisarticleintroducedadesignandprojectthatusearrayCCDandphotoeletricityswitchasthesensorstorecognizeracewayandcontrolthesmartcarintherace.Intheproject,a16bitMCUMC9S12DB128Bwasusedasthecorecontroller.Fromtheanalyse,thewholedesigningofthesystemwasgaveout.Andwestudythecontrolleralgorithm,thenwetestthesystem,andgiveouttheconclusion.引言在普通的循線小車的制作中，經常采用到的尋跡方案是采用光電傳感器來識別道路信息。光電傳感器由發光管和接受管組成，用戶可以選擇將接收二極管接收信號采用數字或模擬的方式進行處理。采用數字量進行處理時，其電路相對簡單，并且占用控制器CPU的資源少，對采集到的開關信號處理起來也相對容易，處理速度也較快。在單獨使用光電開關時，用戶也可根據自己的選擇，選用數字或模擬的方式對信號進行采集。數字方式，其電路相對簡單，并且占用控制器CPU的資源少，在單片機上對采集到的開關信號處理起來也相對容易，處理速度也較快。而模擬方式精度較高，且對路面的信息提取較前者準確，但通過單片機處理時，需要將采集到的模擬信號通過AD轉換轉變為數字量，電路相對復雜；在處理速度上，因需考慮到AD轉換的時間，故采集速度較前者稍慢。本文所研究的系統采用的是數字方式循線。即傳感器陣列采用反射式集成光電開關。其原理為紅外發光二極管上電后發出紅外光，當外界將光反射回來，被光敏二極管接受到時，光電開關信號線發出信號為低電平；當光線被外界吸收后（在此即指傳感器下壓住的路面為黑線），光敏元件沒有接收到光信號，此時傳感器發出信號為高電平。由此即可識別路線。CCD（ChargeCoupledDevices）是一種將光信號轉換成電信號的圖像傳感器。根據光電轉換原理它把圖像信息轉換成電信號,這樣便實現了對非電量進行電測量。CCD傳感器的工作速度快、測量精度高，并且具有體積小、重量輕、噪聲低、、壽命長的特點，因此應用非常廣泛，在精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領域中，發揮著重要的作用。將CCD與光電管作對比，單獨采用光電傳感器作為循線方案時，循線的精度低，可以識別的道路信息少，并且大量使用光電傳感器要占用過多的CPU的I/O端口資源；另一方面，若要對小車在行駛時實現提前校正，只用光電傳感器無論是在精度上，還是在安裝定位上都存在困難。而CCD圖像傳感器的分辨率遠高過前者——大約都在300線以上，并且由于CCD采集到的是圖像信息，通過它還可以得到道路的方向及曲率等幾何信息。我們可以通過對采集到的圖像信號進行處理，得到準確的路面信息，達到有效的控制。但CCD的難點在于信號采集速率受單片機AD轉換速度限制，圖像存儲空間有限，以及圖像處理算法復雜等。但綜合分析比較，可以將兩者在系統設計中結合起來，能夠在一定程度上達到互補的效果。系統硬件方案分析硬件設計需求，我們的設計要求是：模塊化，這樣做一方面是為了便于安裝和拆卸，對于一個微小型的基本系統來說，系統電路的尺寸和安裝位置對整個系統的整體性能是有一定影響的。另一個最主要的原因是，利用模塊化設計思想，將各功能模塊的電路獨立制版，有利于我們對所提出的多種方案的進行組合和驗證。簡單化，這里的意思是指盡量使用現成的功能元器件模塊和設計方案，以便簡化系統外圍電路的設計，使得時間更多的投入到算法設計及軟件編制中。同時這也是為了使系統可靠其間。但是一些重要的環節還是不能省的。外形、尺寸同小車機械結構統一化。由于比賽要求給整個智能車供電的電源只有一塊2000mA/h的7.2V的可充電池，電源有限，故設計要考慮到將電路的功耗控制到一個較低水平。根據上述總體設計思想，其相應的硬件結構框圖如下圖所示。電源系統、控制單元、驅動單元等3方面的內容。其中外接電源為大賽統一提供的7.2V可充電電池，電源電路為防止短路等故障發生，須在設計中考慮短路過流保護。控制單元主要由S12單片機以及相應的邏輯電路構成，其中對小車所進行的所有控制均通過以該單片機為核心的控制電路進行。另外我們設計了一個編碼器用于反饋速度信號，形成速度閉環控制。MCUMCUMC9SDG128BAD轉換同步分離CCD驅動器電機光電編碼盤光電開關傳感器舵機控制驅動供電電源電源電壓系統5V光電碼盤5V舵機5V電機信號采集CCD12V光電開關5V圖1系統硬件框圖各功能模塊設計如下：1）循線傳感器信號采集模塊光電開關由于光電開關輸出信號容易受到環境光線干擾，故我們使用帶有施密特觸發器的非門電路74LS14把光電對管輸出信號進行處理，使得經過非門電路的信號反相延時后符合單片機的輸入要求，保證單片機能夠正確處理。CCD在對路面信息的檢測方面，在CCD的應用中，除供電部分外，硬件方面主要考慮這幾方面：驅動、同步分離、AD轉換等部分。電源模塊供電部分包括對單片機系統供電，對舵機、電機供電、對傳感器供電等部分。我們采取用兩片7805將輸出電壓在7.2V以上的電源的穩在5V，一個對單片機系統及光電傳感器進行供電，另一片單獨對舵機供電。其典型應用如下圖：對于CCD來說，它的電壓工作電壓為12V，我們采取PWM斬波升壓電路。其典型應用如下圖為：圖2斬波升壓電路通過計算，有Vout=Vin*1/(1-a);其中a為占空比，可以知道若Vin=5V,那么a=0.58，輸出電壓為12V．這里的FET選用的是IRFR2807。速度檢測模塊數字光電編碼器是我們自制的，碼盤光柵為36線，將其固定在小車車后軸上能有效的檢測小車行使速度。其檢測電路如下所示：圖3光電對管檢測電路圖4自制光電碼盤作為光電對管，其信號檢測原理與前述光電開關管相同。發射管陰極下拉電阻為270Ω、接收管的上拉電阻為510K。由于接收管輸出信號容易受到環境光線干擾，故我們使用帶有施密特觸發器的非門電路74LS14對光電對管輸出信號進行整形處理，使得經過非門電路的信號反相延時后符合單片機接口對信號的輸入要求，以保證單片機接口能準確的采集到信號。當小車電機帶動車軸轉動起來時，固定在車軸上的碼盤隨之轉動，當發射管發出的紅外光透過光柵鏤空的透光縫，接收管接收到光信號后整形輸出高電平，再經7414反相延時后輸出穩定的脈沖信號。碼盤每轉動一圈輸出36個脈沖信號。單片機對此脈沖信號進行處理后就能夠得到小車當前行駛速度。圖像處理算法圖像處理的算法是采用動態閾值比較對信號進行二值化處理，得到每行中心線的水平信息，然后通過擬合參數得到中心線在圖像坐標系中的位置、方向及曲率等信息。采用的方法主要有三個：1、直線的擬合2、圓周的擬合3、“S”曲線的擬合其中，直線的擬合為基礎，方法如下：按照普通方法設直線方程為，下圖一幅典型的CCD拍攝的賽道圖像二值化處理之后的得到的圖像為例：圖5賽道圖像連接任意相鄰的兩個點得到一個斜率，通過斜率的變化分別簡單判斷當前是直線，圓周還是S曲線，從而得到相應算法．系統控制核心算法結構我們的設計是基于光電傳感器和CCD結合的信號檢測方案。光電傳感器操作簡單，控制周期短，但其賽道分辨率低，識別到的道路信息量比較少，前瞻性差，且易受環境光線干擾；而CCD則不存在這些問題，然而，CCD卻有著在檢測和處理時速度相對較低的缺點。我們在軟件設計中綜合了兩者的特點，使整個系統在這兩方面達到一定的互補效果。程序算法結構包括圖像采集、圖像處理、光電開關識別，辨識并提取信息、PID控制等模塊。實際的應用中是以CCD為主，以光電管為輔的方法．通過光電管來校正CCD的信號檢測不足。其軟件流程圖如下所示：CCD圖像檢測數據擬合是否為CCD圖像檢測數據擬合是否為錯誤狀態光電管檢測是特殊曲線算法一般算法是否為特殊曲線是否否圖6結論經試驗驗證，我們的方案是可行的，并且經參數調節后，能夠達到較好的成績。且行駛狀態穩定，程序運行可靠。但仍需進一步測試以提高成績。

參考文獻[1]黃開勝金華民蔣狄南韓國智能模型車技術方案分析電子產