第二屆光電大賽

1、第二屆全國光電設(shè)計大賽理論方案報告14一、參賽題目名稱基于太陽能的光電導航搬運車二、研究內(nèi)容1、激光導航系統(tǒng)部件原理1）激光發(fā)射接收器結(jié)構(gòu)如圖，激光發(fā)射接收器是由一個激光發(fā)射器和若干個包圍在發(fā)射器周圍的光敏管組成。由于激光的聚光性很好，所以，發(fā)射器發(fā)出的激光并不會被周圍的光敏管接收到。2）微棱鏡反光膜微棱鏡反光膜是在材料上密集布滿微小的全反射棱鏡（如圖），從而使任何角度射來的光線都會按照原路返回。3）激光探測系統(tǒng)如圖，中心紅圈發(fā)出激光束，當激光束照射到標志物（帶有反光膜），沿著原路返回的激光光暈環(huán)（粉紅部分）便會被周圍分布的光敏管探測得到，從而輸出信號。2、CMOS圖像處理圖像傳感器是組成數(shù)字

2、攝像頭的重要組成部分，根據(jù)元件不同分為CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件）和CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）。CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場很多采用USB接口的產(chǎn)品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術(shù)上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但現(xiàn)在該問題已經(jīng)基本得到解決。因此，我們的設(shè)計方案采用CMOS攝像頭作為圖像處理導航

3、系統(tǒng)的核心部件。3、單片機單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。我們擬采用適用于中低速單片機的基于FIFO的數(shù)字圖像采集處理系統(tǒng)，用MC9S12DG128單片機進行實時圖像采集和控制。該系統(tǒng)機構(gòu)簡介,成本低廉，通用性強，相對成熟。1）主要芯片MC9S12DG128是Freescale公司出品的16位單片機，其采用增強型16位HCS12 CPU，

4、內(nèi)部總線時鐘最高可達25MHz；片內(nèi)資源包括8KB RAM、128KB Flash、2KB EEPROM、8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、SCI、IIC、SPI串行通訊模塊、PWM模塊以及多路CAN總線模塊等。同時它支持Freescale特有的背景調(diào)試模式（BDM），可以進行在系統(tǒng)調(diào)試，使開發(fā)效率大大提高。OV7620是美國OmniVision公司出品的彩色/黑白CMOS圖像傳感器。這是一種自帶圖像敏感陣列和A/D轉(zhuǎn)換元件、能直接提供8/16 位CCIR601、CCIR656等格式視頻數(shù)字信號的彩色黑白圖像傳感器，圖像輸出最高速度可達60S/s，最大圖像分辨率為644×492，5V供電；它具

5、有自動增益、自動曝光、自動白平衡、邊緣增強、伽瑪校正等控制功能；可以通過I 2 C總線進行設(shè)置；同時OV7620具有圖像開窗輸出的功能，即允許用戶可根據(jù)實際使用需要設(shè)置其內(nèi)部寄存器，使其只輸出完整圖像中的任意一矩形區(qū)域內(nèi)的信號，其范圍從4×2到644×492。這種功能從硬件上屏蔽了圖像中不需要的部分，只保留用戶需要的部分圖像，大大減少了圖像的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的效率。   FIFO存儲器沒有地址線，按照先入先出的順序進行順序讀寫，因此是接口電路十分簡潔，讀寫速度快，允許讀寫動作同時進行。IDT7205是IDT公司生產(chǎn)的高速、低功耗異步FIFO，容量為8 192&#

6、215;9bit，存取時間最小只有12ns，有空、半滿、滿三個標志位，最大功耗660mW，工作電壓+5V；D0D8為數(shù)據(jù)輸入總線，Q0Q8為數(shù)據(jù)輸出總線，為讀寫控制端，分別在信號下降沿鎖存、輸出數(shù)據(jù)，是FIFO寫滿標志位，此外，IDT公司還提供256B64KB不同容量的FIFO可供選擇。 2 ）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于所使用的MC9S12DG128單片機的頻率較低，最高只有25MHz，而攝像頭的圖像輸出速率一般至少有13.5MHz(以30萬像素為例)，每個像素的信號保持時間不到75ns，若使用單片機直接采集圖像傳感器輸出的數(shù)字信號，則會受到其時鐘頻率的影響，難以將信號完整地采集進系統(tǒng)。 因此本系

7、統(tǒng)使用FIFO芯片IDT7205作為圖像傳感器與單片機之間的數(shù)據(jù)緩存，通過設(shè)計一定的邏輯電路，使圖像傳感器自動地將圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO，同時MCU開始從FIFO讀出數(shù)據(jù)。圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 攝像頭同步信號分析 OV7620的同步信號時序如下：垂直同步信號VSYN為兩個正脈沖之間掃描一幀的定時，即完整的一幀圖像在兩個正脈沖之間；水平同步信號HREF掃描該幀圖像中各行像素的定時，即高電平時為掃描一行像素的有效時間；像素同步信號PCLK為讀取有效像素值提供同步信號，高電平時輸出有效圖像數(shù)據(jù)，若當前圖像窗口大小為320×240，則在VSYN兩個正脈沖之間有240個HREF的正脈

8、沖，即240行；在每個HREF正脈沖期間有320個PCLK正脈沖，即每行320個像素。這就是VSYN、HREF、PCLK三個同步信號之間的關(guān)系2。OV7620同步信號時序如圖2所示。 數(shù)字圖像信號的采集 為了將圖像傳感器輸出的圖像信號自動地存入FIFO，只需要通過一個“與非門”就能產(chǎn)生符合FIFO要求的寫時鐘脈沖，如圖3所示。將幀同步信號VSYN 引入單片機輸入口，復位后V_EN置0，“與非門”關(guān)閉，輸出1。當單片機檢測到VSYN上跳后，V_EN輸出1，打開“與非門”。當攝像頭輸出有效像素時，HREF為高，PCLK高電平時像素數(shù)據(jù)有效，三者“與非”后輸出為0，使信號產(chǎn)生一個下跳，觸發(fā)FIFO鎖

9、存OV7620輸出的圖像數(shù)據(jù)。 經(jīng)過圖3電路處理后的系統(tǒng)時序如圖4所示。寫信號已符合腳的時序要求，經(jīng)實際使用，功能正常。  當一幀圖像寫入FIFO后，單片機根據(jù)時序要求在FIFO的腳上產(chǎn)生相應脈沖，即可從FIFO中讀出圖像數(shù)據(jù)，按照一定格式存入內(nèi)存，進行后續(xù)處理。3 ）單片機圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)化 雖然單片機通過一定的硬件結(jié)構(gòu)等可以實現(xiàn)圖像信號的采集，但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，其進行大數(shù)據(jù)量運算的能力有限，進行圖像處理速度較慢。通過以下方法進行優(yōu)化，可以使單片機進行一些簡單的圖像處理和實時控制任務。 減小圖像數(shù)據(jù)量 CMOS圖像傳感器具有圖像開窗輸出（Windowing）的功能，通過設(shè)置其

10、內(nèi)部相應寄存器，可以使CMOS只輸出特定區(qū)域內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。如設(shè)置 CMOS使其只輸出畫面中用戶所關(guān)心部分的圖像信號，圖像數(shù)據(jù)量則可大大減少，同時也減輕了后期進行圖像處理的難度，提高了系統(tǒng)的性能。 在要求圖像精度不高的情況下，為了進一步降低圖像數(shù)據(jù)量、減輕單片機負擔，可以采取隔行、隔像素采集的方法，即在PCLK和HREF信號上加入計數(shù)電路，每隔N行和M個像素采集一次，這樣在保證圖像可用的情況下數(shù)據(jù)量可減小為原來的1/(N×M)。 FIFO異步讀寫圖像數(shù)據(jù) IDT7205具有兩套獨立的讀寫指針，可以同時進行讀和寫操作而互不干擾。當圖像輸出速度比單片機讀入速度快許多時，為了提高采集效率，可

11、以讓圖像讀寫同時進行，即當新的一幀圖像開始寫入FIFO后，單片機就開始讀取圖像數(shù)據(jù)，讀寫同時進行，以減少單片機等待數(shù)據(jù)寫入FIFO完成的空閑時間。 優(yōu)化程序算法 單片機并不適合完成復雜的圖像處理算法，如卷積等運算。因此在編寫圖像處理算法時應根據(jù)單片機特性，盡量避免使用浮點運算，要簡化算式，或者可以犧牲一定精度來換取時間。以圖像分割的大津算法(OTSU)為例，該算法遍歷0255個灰度值，以找出一個最小的灰度u，使得到的g最小。 OTSU原始算式：g=Wa×(u0-u)2+Wb×(u1-u)2 OTSU改進算式：g=Wa×Wb×(u0-u1)2 使用原始算式

12、和改進的等效算式進行計算時，每次迭代中改進算式比原始算式少進行2個乘法運算，其速度約提高1/3。 基于FIFO和單片機的圖像處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)十分簡潔，成本低廉。雖然單片機并不十分適合于大數(shù)據(jù)量的圖像處理任務，但通過優(yōu)化和精度與性能的折中，可以完成一些簡單的基于圖像的處理任務，并具有一定的實時性。，使用一片 MC9S12DG128單片機運行于24MHz的總線時鐘并配合IDT7205、OV7620圖像傳感器實現(xiàn)了圖像采集、處理和小車控制。因此該系統(tǒng)基本滿足我們的要求且最大限度的三、研究方案1、部件安裝設(shè)定1）激光發(fā)射接收器安裝由于比賽是在室外進行，考慮到太陽光的強背景光輻射對光敏管的影響，激光發(fā)射接

13、收裝置將安裝在小車底部，利用車身陰影來減小強光對光敏管的影響。同時我們在光敏管表面加紅膜，用于濾掉除紅光之外的自然光。再加上人工濾波電路使其響應波長控制在激光發(fā)射器發(fā)射的激光波長范圍內(nèi)。2）COMS攝像頭安裝攝像頭安裝在小車上光電池板前部，設(shè)定一定的向下傾斜角，來減小拍攝范圍。3）障礙物外套如圖，整個外套由黑色硬紙板做成的略比障礙物大的錐形紙筒套。在其底部貼上一圈反光膜，是激光導航可以識別出障礙物。上部全黑色為CMOS圖像識別障礙物提供了方便，減小了識別干擾。黑色紙?zhí)追垂饽?、激光導航實現(xiàn)方案示意圖圖一左激光探測器無信號右激光探測器有信號，小車右轉(zhuǎn)。兩側(cè)激光探測器都有信號則直行。小車前端安裝2

14、組激光探測器，2束激光平行射出，寬度略小于障礙物寬度。圖二右激光探測器無信號左激光探測器有信號，小車左轉(zhuǎn)。由此原理，小車可以無限接近障礙物。確保后續(xù)CMOS探測的進行。3、CMOS圖像導航實現(xiàn)方案示意圖1）小車左轉(zhuǎn)控制方案CMOS圖像采用逐行掃描處理，當障礙物出現(xiàn)在畫面中時COMS導航系統(tǒng)開始工作，此時小車仍向著障礙物行駛。當障礙物的像到達畫面中事先在試驗中標定好的某一行位置時（如圖），單片機發(fā)出信號控制小車開始向左轉(zhuǎn)向，并且掃描方式改為逐列掃描。2）小車右轉(zhuǎn)控制方案當障礙物的像從畫面中移出時，單片機發(fā)出信號控制小車開始右轉(zhuǎn)。當激光探測器探測到第二個障礙物時小車再次切換為激光導航，向第二個障礙

15、物前進。再次重復前面的步驟，直到到達裝載區(qū)。若小車右轉(zhuǎn)過程中畫面中再次出現(xiàn)障礙物的像，則單片機輸出信號控制小車左轉(zhuǎn)，直到像移出畫面，單片機發(fā)出信號控制小車繼續(xù)右轉(zhuǎn)。4、動力及方向控制系統(tǒng)1:10電動大腳車技術(shù)參數(shù)長度：400MM寬度：300MM高度：160MM軸距：275MM地盤高度：30MM車輪直徑：118MM車輪寬度：52MM 如下圖，采用1:10電動遙控大腳車為智能車車體原型，保留原有的車身底盤和動力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。用自制的單片機控制系統(tǒng)取代原有的遙控控制系統(tǒng)。去除一些不必要的負重以減輕車體重量，如可充電池，防撞板等。再利用其原有的車身支柱設(shè)計一個載重平臺來放置重物以及CMOS攝像頭和光電池

16、。車身整體設(shè)計思路如下圖，CMOS攝像頭安裝在光電池下方以盡量避免太陽光干擾，與地面有一定傾角。激光發(fā)射與接收裝置安裝在貼近地面的一層。二層：載重平臺三層：太陽能光電池板一層：控制系統(tǒng)（單片機、電路）CMOS攝像頭激光收發(fā)裝置支柱支柱支柱支柱小車改裝結(jié)構(gòu)示意圖單片機舵機方向控制系統(tǒng)激光導航系統(tǒng)激光發(fā)射器微棱鏡反射膜激光接收器后續(xù)信號濾波處理電路CMOS圖像處理導航系統(tǒng)CMOS攝像頭障礙物各模塊框圖四、技術(shù)路線及可行性分析對于本此比賽題目，我們認為需要解決的關(guān)鍵問題有兩個：一、光電導航系統(tǒng)最大的問題太陽光的強背景輻射。為此，我們在遠程導航時使用激光導航方案，此方案充分利用了激光的方向性好、亮度高

17、、單色性好等特點，加上光敏管的安裝位置利用了小車自身陰影等，成功的解決了該問題。二、CMOS圖像干擾問題。為避免攝像頭拍攝到多出障礙物影像，導致導航混亂，我們?yōu)閿z像頭設(shè)定了向下的傾斜，限定了攝像頭的拍攝范圍，從而去除了多個障礙物進入拍攝范圍的可能性。五、擬解決的關(guān)鍵問題1、激光導航時，如何避免后面障礙物被激光照到導致的導航誤差（擬加入光強判別模塊，需測試）。2、由光電池供能的電機如何保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定（擬加入穩(wěn)壓器件，需實物測試）。六、特色與創(chuàng)新點關(guān)鍵詞：多傳感器融合 雙導航系統(tǒng) 遠距離激光導航 近距離CMOS圖像處理避障 自主性 全程誤差校正我們設(shè)計的太陽能光電導航搬運車，其核心構(gòu)思是利用激光導航

18、和COMS圖像處理導航來做到全程誤差校正導航。對于激光導航，我們充分發(fā)揮了激光本身的三大特點，即定向發(fā)光、顏色純度高和亮度高。我們設(shè)計的激光導航系統(tǒng)部件由激光發(fā)射器和激光接收器兩部分組成。接收器實質(zhì)上是由一組包圍在發(fā)射器周圍的光敏管組成的。由于光敏管包圍在發(fā)射器周圍，這樣就確保了返回的激光能夠被接收到而不會出現(xiàn)遺漏，從而導致導航偏差。我們將激光發(fā)射接收器設(shè)計在了小車底部，這樣的設(shè)計可以利用車身自己的陰影來減小外界光對光敏管的影響，再加上人工濾波器和在光敏管表面加上紅膜，進一步提高了光敏管接收信號的準確性。如果說激光導航系統(tǒng)為我們的設(shè)計提供了遠程導航，那么COMS圖像則為我們提供了近程導航的可能。通過利用COMS圖像和單片機協(xié)同合作的方式，我們巧妙的使小車擁有了近距離避開障礙物的功能。在激光導航和COMS導航二者的共同合作下，我們的搬運車擁有了極其靈敏的導航功能，自主性極強，在整個行進過程中能夠全程對誤差進行校正，確保順利到達裝載區(qū)。七、