基于面陣CCD的賽道參數(shù)檢測方法

1、基于面陣CCD的賽道參數(shù)檢測方法卓晴 王琎 王磊（清華大學(xué)自動化系 北京 100084）摘 要：在全國大學(xué)生智能車比賽中，控制車模運(yùn)行需要檢測賽道參數(shù)。本文提出了一種使用面陣CCD進(jìn)行賽道參數(shù)檢測的方法。該方法充分利用了MC9S12單片機(jī)內(nèi)部硬件資源，直接采集CCD輸出的模擬信號，可以獲得滿足參數(shù)檢測需要的圖像，進(jìn)而可以計算出賽道參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明該方法簡便、有效。關(guān)鍵詞：CCD；參數(shù)檢測；MC9S12單片機(jī)A Method of Racetrack Parameter Detection based on Paneled CCDZHUO Qing, WANG Jin, WANG Lei(Depa

2、rtment of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084)Abstract: In the National University Intelligent Automotive Competition, the model car is controlled based on racetrace parameter detection. This paper proposes one method of racetrace parameter detection based on paneled CCD. It makes full u

3、se of the on-chip hardware resources of MC9S12 MCU to sample analog video signal directly from CCD and acquires image data which meets the need of parameter detection. Base on the image, racetrace parameter could be estimated. The experiment result shows that this method is simple and efficient.Key

4、Words: CCD; Parameter Detection; MC9S12 MCU一、 前言：在第一屆飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能車比賽中，需要制作一個以MC9S12DG128單片機(jī)（下文簡稱S12）為核心控制單元并可以自主識別路徑的模型賽車進(jìn)行比賽。賽道底色為白色，標(biāo)有黑色中心線。如何準(zhǔn)確識別道路中心線參數(shù)（位置、角度、曲率等），計算出賽車與道路中心線的相對位置與相對角度，是整個控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵。檢測路徑參數(shù)可以使用多種傳感器件：光電管陣列、CCD圖像傳感器、激光掃描器等等。其中，最常使用的方法為光電管陣列、CCD圖像傳感器（1）。各種檢測方法都有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。如何有效利用單片機(jī)內(nèi)部資源進(jìn)行

5、路徑參數(shù)檢測，也是確定檢測方案的關(guān)鍵?；诠怆姽荜嚵袡z測賽道參數(shù)的方法主要具有如下的缺點(diǎn)：1） 賽道空間分辨率低：一方面受到大賽規(guī)則（2）關(guān)于傳感器個數(shù)的限制；另一方面，過多的光電傳感器在固定安裝、占用CPU輸入端口資源等方面也有限制；2） 識別道路信息少，一般只能檢測路徑中心位置；3） 由于固定位置的限制，光電管只能安裝在車模前面不遠(yuǎn)的位置，觀測信息前瞻性差；4） 容易受到環(huán)境光線的干擾；以上問題會影響車?？刂凭纫约斑\(yùn)行速度。通過一定的硬軟件設(shè)計，雖然可以部分解決上述的問題（這方面將有另文敘述），但相比之下，使用面陣CCD器件則可以更有效的解決這些問題。CCD器件在比賽規(guī)則中算作一個傳感器

6、。普通CCD傳感器圖像分辨率都在300線之上，遠(yuǎn)大于光電管陣列。通過鏡頭，可以將車模前方很遠(yuǎn)的道路圖像映射到CCD器件中，從而得到車模前方很大范圍內(nèi)的道路信息。對圖像中的道路參數(shù)進(jìn)行檢測，不僅可以識別道路的中心位置，同時還可以獲得道路的方向、曲率等信息。利用CCD器件，通過圖像信息處理的方式得到道路信息，可以有效進(jìn)行車模運(yùn)動控制，提高路徑跟蹤精度和車模運(yùn)行速度。本文提出一種使用面陣CCD并且能夠有效利用S12單片機(jī)內(nèi)部硬件資源的路徑參數(shù)檢測方法。普通CCD圖像傳感器的工作電壓一般為12V，輸出NTSC或者PAL制式的模擬視頻信號。利用S12內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，配合從視頻信號中分離出的同步信號，可

7、直接將圖像信號采集到單片機(jī)內(nèi)部RAM中，然后通過軟件對圖像信息進(jìn)行處理，得到路徑各種參數(shù)。下文中，我們將首先討論使用S12單片機(jī)直接采集視頻信號存在的技術(shù)難點(diǎn)與解決方法，然后給出了硬件設(shè)計方案以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后對這種檢測方法特點(diǎn)以及存在的問題進(jìn)行討論。二、技術(shù)難點(diǎn)與解決方法： 直接利用S12單片機(jī)中的AD采集視頻圖像，存在著采集速度、存儲數(shù)據(jù)空間、處理速度、工作電壓以及同步信號分離等方面的技術(shù)難點(diǎn)。下面就這些問題及其解決方法進(jìn)行討論。1、采集速度： 普通CCD圖像傳感器通過行掃描方式，將圖像信息轉(zhuǎn)換為一維的視頻模擬信號輸出。CCD輸出的信號變化很快，比如PAL制式的視頻信號，每秒鐘輸出50幀圖

8、像信息（分為奇、偶場），每幀圖像有312.5行，每行圖像信號時間為64微秒，其中有效的圖像信號約為56微妙左右。相比之下，S12的AD轉(zhuǎn)換器采集速度較低：根據(jù)S12器件手冊(3)，進(jìn)行10位AD轉(zhuǎn)換所需要的時間為7微秒。這樣，采集的圖像每行只能有8個像素，水平分辨率很低。另一方面，每場圖像可以采集300行左右的圖像信息，所以圖像垂直分辨率相對較高。從這種水平分辨率低、垂直分辨率高的圖像中，我們無法獲取具有足夠精度的路徑信息。為此，我們分析一下大賽采用跑道的形狀特點(diǎn)：跑道都是由直線和圓弧組成，檢測車模前方一段路線參數(shù)，只需要得到中心線上35個點(diǎn)的位置信息就可以估算出路徑參數(shù)（位置、方向、曲率等）

9、。這些點(diǎn)的位置，通過圖像中若干行信息就可以檢測出來（如圖1所示）。因此，所需檢測圖像應(yīng)該是水平分辨率高、垂直分辨率低。圖1 部分賽道形狀，賽道中心線檢測位置將S12單片機(jī)采集的圖像分辨率特點(diǎn)，與賽道檢測對圖像分辨率的要求進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在安裝CCD攝像頭的時候，只要將它旋轉(zhuǎn)90度，輸出的圖像信息也相應(yīng)旋轉(zhuǎn)90度（如圖2所示）。這樣一來，S12中的AD轉(zhuǎn)換器采集的圖像信息，水平分辨率與垂直分辨率就會互換，原來水平分辨率低、垂直分辨率高的圖像，就會變成水平分辨率高、垂直分辨率低的實(shí)際圖像，正好滿足道路參數(shù)檢測的要求。圖2 賽道圖像以及旋轉(zhuǎn)90度后的賽道圖像 此外，我們還可以通過讓S12適當(dāng)超頻

10、運(yùn)行、降低AD轉(zhuǎn)換器精度等方式，提高AD轉(zhuǎn)換器的速度。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)定S12中的時鐘PLL寄存器，可以將S12內(nèi)部總線頻率提高到4048MHz，而此時CPU仍然可以正常工作。同時，可以將AD轉(zhuǎn)換器時鐘頻率提高到12-24MHz，在損失一定轉(zhuǎn)換精度的代價下，將轉(zhuǎn)換時間縮短為1.5微秒左右。這樣，我們就可以在一行圖像信號中采集48個有效的圖像信息。 將上述方法結(jié)合在一起，可以采集到300 * 48分辨率的幀圖像數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，可以有效的檢測出路徑參數(shù)。通過實(shí)際測試，基于75 * 24分辨率的圖像，檢測出的路徑參數(shù)仍能滿足控制需要。也就是說，我們每隔4行采集一行數(shù)據(jù)、每行采集24個點(diǎn)就可以

11、了。這樣一來，所需要的圖像存儲空間以及圖像采集的時間就大為降低了。2、圖像存儲空間： 由于將圖像水平旋轉(zhuǎn)了90度，需要將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，在整幅圖像的基礎(chǔ)上計算出路徑水平信息。S12內(nèi)部有8K字節(jié)的RAM空間。如果存儲300*48分辨率圖像則不夠，但可以存儲若干幅75*24的低分辨率圖像數(shù)據(jù)。從低分辨率圖像所得到的路徑參數(shù)，其精度仍可以滿足車模控制的需要。一般情況下，只需要兩塊圖像存儲空間即可，一塊作為采集圖像的存儲空間，另外一塊作為處理緩沖區(qū)。3、圖像信息處理速度：CPU的主要工作包括圖像采集、圖像信息處理以及運(yùn)動控制等。圖像采集采用中斷的方式進(jìn)行，如果采用75*24分辨率的圖像，每隔4行采

12、集一行圖像信息，圖像采集所占用的CPU時間不會超過1/4。因此，大部分的CPU工作時間可以用于圖像處理以及運(yùn)動控制。由于采集到的圖像由白色背景和黑色中心線組成，所以檢測每一行路徑中心線位置可以通過簡單的閾值比較的方式計算出來。在此基礎(chǔ)上，還可以通過參數(shù)擬合獲取道路位置、方向以及曲率等參數(shù)。另外，通過適當(dāng)?shù)膭討B(tài)閾值的方法，可以提高算法的穩(wěn)定性。核心算法如果處理相對簡單，可通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，在圖像采集周期20毫秒內(nèi)計算出結(jié)果，達(dá)到實(shí)時圖像處理的要求。如果算法比較復(fù)雜，可以將核心算法采用匯編語言完成，以提高效率，配合CPU超頻運(yùn)行方法，保證算法需要時間小于20毫秒。4、CCD器件工作電壓： CCD

13、器件工作電壓需要在12V左右。為此，需要在系統(tǒng)電路設(shè)計中，增加獨(dú)立12V電源模塊?；蛘咭部梢圆捎脭夭ㄉ龎旱姆绞将@得12V電壓，具體電路后面給出。5、視頻同步信息分離： 為了采集圖像信息，CPU需要根據(jù)行、場同步信號啟動AD轉(zhuǎn)換器，采集穩(wěn)定的圖像。由于視頻信號的變化很快，所以需要另外設(shè)計同步分離電路。在本方案中，使用了LM1881視頻同步分離集成塊，獲取視頻同步信號，將此同步信號連到單片機(jī)的中斷輸入端口。 除此之外，一般的CCD輸出的視頻信號的峰峰值在1V左右，可以不經(jīng)過放大直接連接到單片機(jī)的AD輸入端口進(jìn)行采集，也可以進(jìn)行適當(dāng)視頻信號放大后將信號的峰峰值提高到3-4V左右輸入到單片機(jī)。三、系統(tǒng)

14、設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、硬件設(shè)計： 基于S12單片機(jī)采集視頻圖像電路系統(tǒng)框圖如下：5V穩(wěn)壓S12單片機(jī)12V斬波7.2V電池電壓12VLM1881同步分離CCD攝像頭視頻信號ADIO圖3 單片機(jī)采集圖像系統(tǒng)框圖其中包括有S12單片機(jī)最小系統(tǒng)、同步分離電路、5V穩(wěn)壓電路、12V斬波升壓電路等。其中S12單片機(jī)端口資源配置如下：1） AD 輸入端口PAD02 ：輸入視頻模擬信號；2） 外部中斷口IRQ ：輸入視頻行同步信號；3） 數(shù)字IO口 PM1 ：輸入奇偶場信號；4） PWM輸出端口：PWM2 12V斬波升壓控制信號；下面是部分系統(tǒng)電路圖：圖4 12V斬波升壓電路圖5 同步信號分離電路上圖中，只需要

15、將行同步信號和奇偶場信號輸入到單片機(jī)，視頻信號不經(jīng)過電容隔直直接輸入到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換口。2、軟件設(shè)計軟件設(shè)計主要包括由圖像采集模塊，圖像處理模塊以及通訊模塊。其中圖像采集模塊的主要功能包括：1）初始化模塊：AD 轉(zhuǎn)換器初始化、外部中斷初始化；2）外部中斷響應(yīng)模塊：判斷是否幀圖像開始、判斷是否采集該行圖像、啟動AD轉(zhuǎn)換、標(biāo)示圖像采集完畢；3）AD 轉(zhuǎn)換中斷響應(yīng)模塊：采集固定數(shù)目的圖像數(shù)據(jù)。 圖像處理模塊主要完成采集圖像中的黑色中心線參數(shù)的計算。實(shí)驗(yàn)中，我們采用了簡單的動態(tài)閾值比較的方法，得到每一行的中心線的水平位置，然后通過參數(shù)擬合得到中心線在圖像坐標(biāo)系中的位置、方向以及曲率。 為了能夠在PC

16、上顯示出單片機(jī)采集的圖像信息，軟件中還包括了串口通訊模塊，通過軟件將內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)進(jìn)行顯示。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 下面是兩幅S12單片機(jī)采集到并通過串口傳送到微機(jī)顯示的前方直線路徑中心線的圖像，它們的分辨率為72 * 24。實(shí)驗(yàn)證明通過簡單的動態(tài)閾值比較的方式，即可以將每行中心線位置計算出來，整個處理時間約為8毫秒左右。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，上述CCD檢測方法可以有效的獲取路徑圖像信息，并計算出其中的參數(shù)。圖6 賽道中心線圖像：垂直位置圖7 賽道中心線圖像： 傾斜位置四、結(jié)論：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，通過合理放置CCD攝像頭，并且充分利用S12單片機(jī)內(nèi)部的硬件資源，可以獲得滿足路徑參數(shù)檢測需要的圖形數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以通過圖像處理算法，得到路徑參數(shù)。當(dāng)然，利用CCD檢測路徑參數(shù)也存在一些缺點(diǎn)：比如占用RAM資源比較多、道路信息檢測速率受到限制（CCD每秒產(chǎn)生50幀圖像）、檢測有延時（1/50秒）等。除此之外，還有如下問題需要進(jìn)一步解決：1、 確定CCD攝