小車循跡及傳感器及其軟硬件設(shè)計(jì)培訓(xùn)課件

1小車循跡及

傳感器及其軟硬件設(shè)計(jì)張仁彥信息與電氣工程學(xué)院2014.72014年山東省機(jī)器人大賽暑假培訓(xùn)1小車循跡及

傳感器及其軟硬件設(shè)計(jì)張仁彥2014年山東省機(jī)器2什么是小車循跡2什么是小車循跡3循跡小車的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主控制器(單片機(jī)、和等)電源電路（5V、3.3V、6V和12V等）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)(轉(zhuǎn)角控制)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(速度控制)測(cè)速電路(速度反饋)轉(zhuǎn)換電路(傳感器信號(hào)采集)軌跡檢測(cè)傳感器直流(或步進(jìn))電機(jī)舵機(jī)通信模塊(傳遞系統(tǒng)信息)電池(57.21224V)循跡小車機(jī)(上位機(jī))3循跡小車的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主控制器電源電路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)速4軌跡表示可見黑色線條不可見（不講）交流電信號(hào)4軌跡表示可見5循跡檢測(cè)傳感器黑色線條光電法紅外傳感器、激光傳感器圖像處理法攝像頭5循跡檢測(cè)傳感器黑色線條6主要內(nèi)容光電法循跡圖像法循跡6主要內(nèi)容光電法循跡71.光電法循跡1.1基本工作原理1.2電路設(shè)計(jì)1.2.1紅外傳感器1.2.2激光傳感器1.3傳感器的布局1.4軟件設(shè)計(jì)71.光電法循跡1.1基本工作原理81.1工作原理紅外光或激光，照射到黑色物體反射光能量少淺色物體反射光能量大根據(jù)反射光的強(qiáng)弱檢測(cè)黑線81.1工作原理紅外光或激光，照射到根據(jù)反射光的強(qiáng)弱91.2電路設(shè)計(jì)1.2.1紅外傳感器1.2.2激光傳感器91.2電路設(shè)計(jì)1.2.1紅外傳感器101.2.1紅外傳感器紅外對(duì)管一體紅外發(fā)射管和接收管分離5000：藍(lán)色是發(fā)射，黑色是接收，發(fā)射端短的接地，接收端長(zhǎng)的接地101.2.1紅外傳感器紅外對(duì)管5000：藍(lán)色是發(fā)射，黑色11使用要點(diǎn)反射的紅外光能被對(duì)應(yīng)的紅外接收管接收相鄰管之間互不干擾防止其它光源干擾，如：不能強(qiáng)光照射選用工作電流：電流與光強(qiáng)間的線性度和使用壽命注意測(cè)試有效檢測(cè)距離11使用要點(diǎn)12硬件電路設(shè)計(jì)讀高低電平轉(zhuǎn)換12硬件電路設(shè)計(jì)讀高低電平1313141.2.2激光傳感器發(fā)射管調(diào)制管接收管對(duì)焦透鏡141.2.2激光傳感器發(fā)射管15發(fā)射管和發(fā)射電路發(fā)射管調(diào)制管下拉電阻調(diào)整方波信號(hào)頻率180淘寶紅樹偉業(yè)一般接，腳可以不用15發(fā)射管和發(fā)射電路發(fā)射管淘寶紅樹偉業(yè)一般接，腳可以不用16注意事項(xiàng)硬件極性不能接反；盡量避免人體接觸和帶靜電物體接觸激光管，避免靜電燒壞；但避免焊接過熱和較長(zhǎng)時(shí)間過熱解決辦法：釋放人體靜電烙鐵先通電，在焊接的時(shí)候拔掉電源用膠固定軟件激光傳感器相互之間的干擾解決辦法：分時(shí)發(fā)光的策略，使用74138作為分時(shí)控制器16注意事項(xiàng)17接收管和接收電路接收管160200，180左右的頻率下接收能力最強(qiáng)常態(tài)低、常態(tài)高對(duì)焦透鏡對(duì)焦聚光增強(qiáng)接收能力17接收管和接收電路接收管1818191.3傳感器的布局191.3傳感器的布局2020212122清華大學(xué)“搖頭”車22清華大學(xué)“搖頭”車23………極限前瞻………………23………極限前瞻………………24北京科技大學(xué)“搖頭”加“點(diǎn)頭”車24北京科技大學(xué)“搖頭”加“點(diǎn)頭”車251.3軟件設(shè)計(jì)1.3.1軟件流程圖1.3.2典型控制策略251.3軟件設(shè)計(jì)1.3.1軟件流程圖261.3.1軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化讀取紅外接收管信號(hào)點(diǎn)亮紅外發(fā)射管判斷車道類型（如直道、小彎和大彎等）計(jì)算舵機(jī)轉(zhuǎn)角計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速PWM舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制測(cè)速速度PID261.3.1軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化讀取紅外接收管信號(hào)點(diǎn)271.3.2典型控制策略北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車競(jìng)賽加權(quán)法激光傳感器一字排布圖271.3.2典型控制策略北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車28激光傳感器在普通賽道上傳感器位置分布激光傳器在起點(diǎn)處激光傳感器在十字交叉線處28激光傳感器在普通賽道上傳感器位置分布激光傳器在起點(diǎn)處激光29光電傳感器路徑識(shí)別算法傳感器重心取值分配圖29光電傳感器路徑識(shí)別算法傳感器重心取值分配圖303031彎道策略入彎減速、出彎加速入彎急減速、彎內(nèi)提速、出彎加速31彎道策略322.圖像法循跡2.1圖像法工作原理2.2電路設(shè)計(jì)2.3軟件設(shè)計(jì)322.圖像法循跡2.1圖像法工作原理332.1圖像法工作原理攝像頭采集圖像圖像處理的方法識(shí)別軌跡332.1圖像法工作原理攝像頭采集圖像342.2電路設(shè)計(jì)2.2.1攝像頭工作原理2.2.2圖像信號(hào)的基本概念2.2.3攝像頭分類2.2.4模擬攝像頭電路設(shè)計(jì)2.2.5圖像采集342.2電路設(shè)計(jì)2.2.1攝像頭工作原理352.2.1攝像頭工作原理基本概念像素、幀、行、場(chǎng)、電子掃描、同步和消隱制式352.2.1攝像頭工作原理基本概念36基本概念像素平面圖像，根據(jù)人眼對(duì)細(xì)節(jié)分辨力有限的視覺持性，總可以看成是由許許多多的小單元組成。在圖像處理系統(tǒng)中，這些組成畫面的細(xì)小單元稱為像素。像素越小，單位面積上的像素?cái)?shù)目就越多，由其構(gòu)成的圖像就越清晰。電視原理與系統(tǒng).36基本概念像素電視原理與系統(tǒng).37圖象幀電視系統(tǒng)中把構(gòu)成一幅圖像的各像素傳送一遍稱為進(jìn)行了一個(gè)幀處理，或稱為傳送了一幀，每幀圖像由許多像素組成，幀是構(gòu)成活動(dòng)圖象最小單元。視覺暫留時(shí)間（約50~200）電視原理與系統(tǒng).37圖象幀視覺暫留時(shí)間（約50~200）電視原理與系統(tǒng).38掃描將組成一幀圖象的像素，按順序轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的過程稱為掃描。電視系統(tǒng)中，掃描多是由電子槍進(jìn)行的，通常稱其為電子掃描。

行掃描從左至右掃描幀(或場(chǎng))掃描自上而下掃描隔行掃描每幀掃描行數(shù)不變，將每幀圖像分為兩場(chǎng)（奇場(chǎng)和偶場(chǎng)）傳送。電視原理與系統(tǒng).38掃描電視原理與系統(tǒng).39同步同頻：掃描速度相同；同相：每行、每幅的掃描起始時(shí)刻相同即同頻又同相才能實(shí)現(xiàn)同步掃描保證圖象既無水平方向扭曲現(xiàn)象，也無垂直方向翻滾現(xiàn)象。同步脈沖每當(dāng)掃描完一行時(shí)加入一個(gè)行同步脈沖每當(dāng)掃描完一場(chǎng)時(shí)加入一個(gè)場(chǎng)同步脈沖。消隱在圖像換行和換場(chǎng)時(shí)，電子槍回掃時(shí)不掃描電視原理與系統(tǒng).39同步電視原理與系統(tǒng).40黑白全電視信號(hào)由"圖像信號(hào)"和確保掃描同步的"復(fù)合同步信號(hào)"以及消除掃描逆程回掃線的"復(fù)合消隱信號(hào)"等輔助信號(hào)而構(gòu)成的。40黑白全電視信號(hào)41制式每秒25幀50場(chǎng)分辨率標(biāo)清：720*576場(chǎng)消隱區(qū)、行消隱區(qū)、場(chǎng)同步、行同步41制式每秒25幀50場(chǎng)422.2.2圖像信號(hào)的基本概念亮度人眼對(duì)光的明暗程度的感覺對(duì)比度最大亮度與最小亮度的比值灰度灰度即亮度級(jí)差或稱亮度層次

422.2.2圖像信號(hào)的基本概念亮度432.2.3攝像頭分類數(shù)字?jǐn)z像頭輸出數(shù)字信號(hào)，如6620模擬攝像頭輸出模擬信號(hào)，制式（制式）432.2.3攝像頭分類數(shù)字?jǐn)z像頭44數(shù)字?jǐn)z像頭662044數(shù)字?jǐn)z像頭662045與比較成像質(zhì)量高動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好，比較重電壓12V質(zhì)量輕對(duì)電源電壓的要求低，功耗比較低成像質(zhì)量差，分辨率低，噪聲大電壓5V、、三跟線45與比較、、三跟線46小電視顯示的攝像頭采集圖像46小電視顯示的攝像頭采集圖像474748位置低力臂小位置高力臂大轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力山東大學(xué)智能車競(jìng)賽講稿,201048位置低位置高轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生山東大學(xué)智能車競(jìng)賽講稿,201049直線行駛時(shí)，與安裝位置無關(guān)，沒有影響因舵機(jī)在前輪，轉(zhuǎn)向時(shí)安裝在前影響大安裝在后，轉(zhuǎn)向時(shí)影響小圖象中心偏移量大圖象中心偏移量小山東大學(xué)智能車競(jìng)賽講稿,201049直線行駛時(shí)，與安裝因舵機(jī)在前輪，轉(zhuǎn)安裝在后，轉(zhuǎn)圖象中心圖50最遠(yuǎn)點(diǎn)最近點(diǎn)軸心線成像可視范圍垂直夾角大，可視范圍大，在線數(shù)一定的條件下，分辨率底垂直夾角最遠(yuǎn)點(diǎn)最近點(diǎn)軸心線成像可視范圍垂直夾角小，可視范圍小，在線數(shù)一定的條件下，分辨率高垂直夾角山東大學(xué)智能車競(jìng)賽講稿,201050最遠(yuǎn)點(diǎn)最近點(diǎn)軸心線成像可視范圍垂直夾角大，可視范圍大，在512.2.4模擬攝像頭電路設(shè)計(jì)電源電路5V、12V視頻分離電路512.2.4模擬攝像頭電路設(shè)計(jì)電源電路52525353542.2.5圖像采集利用同步信號(hào)向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，在中斷中采集圖像。像素同步信號(hào)提示出現(xiàn)一個(gè)新的像素?cái)?shù)據(jù)行同步信號(hào)提示一行開始場(chǎng)同步信號(hào)提示一場(chǎng)開始數(shù)字?jǐn)z像頭像素同步讀一個(gè)像素的灰度，存入數(shù)組行同步數(shù)組換行場(chǎng)同步開始接收一幅新圖像542.2.5圖像采集利用同步信號(hào)向處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求，在55模擬攝像頭轉(zhuǎn)換獲得像素值像素的灰度，存入數(shù)組行同步開始新一行圖像，轉(zhuǎn)換連續(xù)轉(zhuǎn)換獲得像素值場(chǎng)同步開始接收一幅新圖像55模擬攝像頭56采集圖像結(jié)果56采集圖像結(jié)果57圖像二值化結(jié)果57圖像二值化結(jié)果582.3軟件設(shè)計(jì)2.3.1軟件流程圖2.3.2控制策略582.3軟件設(shè)計(jì)2.3.1軟件流程圖592.3.1軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化圖像處理視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換判斷車道類型（如直道、小彎和大彎等）計(jì)算舵機(jī)轉(zhuǎn)角計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速PWM舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制測(cè)速速度PID592.3.1軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化圖像處理視頻信號(hào)A/602.3.2控制策略北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車競(jìng)賽加權(quán)法602.3.2控制策略北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車競(jìng)賽616162謝謝！62謝謝！演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！64小車循跡及

傳感器及其軟硬件設(shè)計(jì)張仁彥信息與電氣工程學(xué)院2014.72014年山東省機(jī)器人大賽暑假培訓(xùn)1小車循跡及

傳感器及其軟硬件設(shè)計(jì)張仁彥2014年山東省機(jī)器65什么是小車循跡2什么是小車循跡66循跡小車的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主控制器(單片機(jī)、和等)電源電路（5V、3.3V、6V和12V等）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)(轉(zhuǎn)角控制)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(速度控制)測(cè)速電路(速度反饋)轉(zhuǎn)換電路(傳感器信號(hào)采集)軌跡檢測(cè)傳感器直流(或步進(jìn))電機(jī)舵機(jī)通信模塊(傳遞系統(tǒng)信息)電池(57.21224V)循跡小車機(jī)(上位機(jī))3循跡小車的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主控制器電源電路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)速67軌跡表示可見黑色線條不可見（不講）交流電信號(hào)4軌跡表示可見68循跡檢測(cè)傳感器黑色線條光電法紅外傳感器、激光傳感器圖像處理法攝像頭5循跡檢測(cè)傳感器黑色線條69主要內(nèi)容光電法循跡圖像法循跡6主要內(nèi)容光電法循跡701.光電法循跡1.1基本工作原理1.2電路設(shè)計(jì)1.2.1紅外傳感器1.2.2激光傳感器1.3傳感器的布局1.4軟件設(shè)計(jì)71.光電法循跡1.1基本工作原理711.1工作原理紅外光或激光，照射到黑色物體反射光能量少淺色物體反射光能量大根據(jù)反射光的強(qiáng)弱檢測(cè)黑線81.1工作原理紅外光或激光，照射到根據(jù)反射光的強(qiáng)弱721.2電路設(shè)計(jì)1.2.1紅外傳感器1.2.2激光傳感器91.2電路設(shè)計(jì)1.2.1紅外傳感器731.2.1紅外傳感器紅外對(duì)管一體紅外發(fā)射管和接收管分離5000：藍(lán)色是發(fā)射，黑色是接收，發(fā)射端短的接地，接收端長(zhǎng)的接地101.2.1紅外傳感器紅外對(duì)管5000：藍(lán)色是發(fā)射，黑色74使用要點(diǎn)反射的紅外光能被對(duì)應(yīng)的紅外接收管接收相鄰管之間互不干擾防止其它光源干擾，如：不能強(qiáng)光照射選用工作電流：電流與光強(qiáng)間的線性度和使用壽命注意測(cè)試有效檢測(cè)距離11使用要點(diǎn)75硬件電路設(shè)計(jì)讀高低電平轉(zhuǎn)換12硬件電路設(shè)計(jì)讀高低電平7613771.2.2激光傳感器發(fā)射管調(diào)制管接收管對(duì)焦透鏡141.2.2激光傳感器發(fā)射管78發(fā)射管和發(fā)射電路發(fā)射管調(diào)制管下拉電阻調(diào)整方波信號(hào)頻率180淘寶紅樹偉業(yè)一般接，腳可以不用15發(fā)射管和發(fā)射電路發(fā)射管淘寶紅樹偉業(yè)一般接，腳可以不用79注意事項(xiàng)硬件極性不能接反；盡量避免人體接觸和帶靜電物體接觸激光管，避免靜電燒壞；但避免焊接過熱和較長(zhǎng)時(shí)間過熱解決辦法：釋放人體靜電烙鐵先通電，在焊接的時(shí)候拔掉電源用膠固定軟件激光傳感器相互之間的干擾解決辦法：分時(shí)發(fā)光的策略，使用74138作為分時(shí)控制器16注意事項(xiàng)80接收管和接收電路接收管160200，180左右的頻率下接收能力最強(qiáng)常態(tài)低、常態(tài)高對(duì)焦透鏡對(duì)焦聚光增強(qiáng)接收能力17接收管和接收電路接收管8118821.3傳感器的布局191.3傳感器的布局8320842185清華大學(xué)“搖頭”車22清華大學(xué)“搖頭”車86………極限前瞻………………23………極限前瞻………………87北京科技大學(xué)“搖頭”加“點(diǎn)頭”車24北京科技大學(xué)“搖頭”加“點(diǎn)頭”車881.3軟件設(shè)計(jì)1.3.1軟件流程圖1.3.2典型控制策略251.3軟件設(shè)計(jì)1.3.1軟件流程圖891.3.1軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化讀取紅外接收管信號(hào)點(diǎn)亮紅外發(fā)射管判斷車道類型（如直道、小彎和大彎等）計(jì)算舵機(jī)轉(zhuǎn)角計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速PWM舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制測(cè)速速度PID261.3.1軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化讀取紅外接收管信號(hào)點(diǎn)901.3.2典型控制策略北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車競(jìng)賽加權(quán)法激光傳感器一字排布圖271.3.2典型控制策略北京科技大學(xué)第三屆飛思卡爾智能車91激光傳感器在普通賽道上傳感器位置分布激光傳器在起點(diǎn)處激光傳感器在十字交叉線處28激光傳感器在普通賽道上傳感器位置分布激光傳器在起點(diǎn)處激光92光電傳感器路徑識(shí)別算法傳感器重心取值分配圖29光電傳感器路徑識(shí)別算法傳感器重心取值分配圖933094彎道策略入彎減速、出彎加速入彎急減速、彎內(nèi)提速、出彎加速31彎道策略952.圖像法循跡2.1圖像法工作原理2.2電路設(shè)計(jì)2.3軟件設(shè)計(jì)322.圖像法循跡2.1圖像法工作原理962.1圖像法工作原理攝像頭采集圖像圖像處理的方法識(shí)別軌跡332.1圖像法工作原理攝像頭采集圖像972.2電路設(shè)計(jì)2.2.1攝像頭工作原理2.2.2圖像信號(hào)的基本概念2.2.3攝像頭分類2.2.4模擬攝像頭電路設(shè)計(jì)2.2.5圖像采集342.2電路設(shè)計(jì)2.2.1攝像頭工作原理982.2.1攝像頭工作原理基本概念像素、幀、行、場(chǎng)、電子掃描、同步和消隱制式352.2.1攝像頭工作原理基本概念99基本概念像素平面圖像，根據(jù)人眼對(duì)細(xì)節(jié)分辨力有限的視覺持性，總可以看成是由許許多多的小單元組成。在圖像處理系統(tǒng)中，這些組成畫面的細(xì)小單元稱為像素。像素越小，單位面積上的像素?cái)?shù)目就越多，由其構(gòu)成的圖像就越清晰。電視原理與系統(tǒng).36基本概念像素電視原理與系統(tǒng).100圖象幀電視系統(tǒng)中把構(gòu)成一幅圖像的各像素傳送一遍稱為進(jìn)行了一個(gè)幀處理，或稱為傳送了一幀，每幀圖像由許多像素組成，幀是構(gòu)成活動(dòng)圖象最小單元。視覺暫留時(shí)間（約50~200）電視原理與系統(tǒng).37圖象幀視覺暫留時(shí)間（約50~200）電視原理與系統(tǒng).101掃描將組成一幀圖象的像素，按順序轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的過程稱為掃描。電視系統(tǒng)中，掃描多是由電子槍進(jìn)行的，通常稱其為電子掃描。

行掃描從左至右掃描幀(或場(chǎng))掃描自上而下掃描隔行掃描每幀掃描行數(shù)不變，將每幀圖像分為兩場(chǎng)（奇場(chǎng)和偶場(chǎng)）傳送。電視原理與系統(tǒng).38掃描電視原理與系統(tǒng).102同步同頻：掃描速度相同；同相：每行、每幅的掃描起始時(shí)刻相同即同頻又同相才能實(shí)現(xiàn)同步掃描保證圖象既無水平方向扭曲現(xiàn)象，也無垂直方向翻滾現(xiàn)象。同步脈沖每當(dāng)掃描完一行時(shí)加入一個(gè)行同步脈沖每當(dāng)掃描完一場(chǎng)時(shí)加入一個(gè)場(chǎng)同步脈沖。消隱在圖像換行和換場(chǎng)時(shí)，電子槍回掃時(shí)不掃描電視原理與系統(tǒng).39同步電視原理與系統(tǒng).103黑白全電視信號(hào)由"圖像信號(hào)"和確保掃描同步的"復(fù)合同步信號(hào)"以及消除掃描逆程回掃線的"復(fù)合消隱信號(hào)"等輔助信號(hào)而構(gòu)成的。40黑白全電視信號(hào)104制式每秒25幀50場(chǎng)分辨率標(biāo)清：720*576場(chǎng)消隱區(qū)、行消隱區(qū)、場(chǎng)同步、行同步41制式每秒25幀50場(chǎng)1052.2.2圖像信號(hào)的基本概念亮度人眼對(duì)光的明暗程度的感覺對(duì)比度最大亮度與最小亮度的比值灰度灰度即亮度級(jí)差或稱亮度層次

422.2.2圖像信號(hào)的基本概念亮度1062.2.3攝像頭分類數(shù)字?jǐn)z像頭輸出數(shù)字信號(hào)，如6620模擬攝像頭輸出模擬信號(hào)，制式（制式）432.2.3攝像頭分類數(shù)字?jǐn)z像頭107數(shù)字?jǐn)z像頭662044數(shù)字?jǐn)z像頭6620108與比較成像質(zhì)量高動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好，比較重電壓12V質(zhì)量輕對(duì)電源電壓的要求低，功耗比較低成像質(zhì)量差，分辨率低，噪聲大電壓5V、、三跟線45與比較、、三跟線109小電視顯示的攝像頭采集圖像46小電視顯示的攝像頭采集圖像11047111位置低力臂小位置高力臂大轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力山東大學(xué)智能車競(jìng)賽講稿,201048位置低位置高轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生山東大學(xué)智能車競(jìng)賽講稿,2010112直線行駛時(shí)，與安裝位置無關(guān)，沒有影響因舵機(jī)在前輪，轉(zhuǎn)向時(shí)安裝在前影響大安裝在后，轉(zhuǎn)向時(shí)影響小圖象中心偏移量大圖象中心偏移量小山東大學(xué)智能車競(jìng)賽講稿,201049直線行駛時(shí)，與安