攝像頭智能循跡小車

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)智能攝像頭小車的設(shè)計(jì)與制作一.設(shè)計(jì)思想與總體方案1，設(shè)計(jì)思想 小車行駛過(guò)程中，通過(guò)攝像頭探測(cè)前方的黑線，將采集到的信息傳回單片機(jī)，通過(guò)判斷黑線的形狀和曲率調(diào)整舵機(jī)轉(zhuǎn)角，使小車沿黑線行駛，達(dá)到循跡功能。2，總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)以Freescale16位單片機(jī)、MC9SXS128作為檢測(cè)和控制核心，用CCD攝像頭探測(cè)黑線，飛思卡爾車體。3 攝像頭選擇由于對(duì)車體的控制方法都是基于對(duì)賽道黑線的準(zhǔn)確提取與判斷上的，所以對(duì)外界信息采集的唯一入口的攝像頭傳感器選擇就顯得尤為重要。本次

2、實(shí)驗(yàn)所選用的攝像頭為CCD攝像頭相比較而言，CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單，工作電壓低，電流小，功耗小，工作穩(wěn)定。但是在動(dòng)態(tài)圖像的現(xiàn)實(shí)中不如 CCD 攝像頭清晰，而且噪音比較大，靈敏度低。小車在高速運(yùn)動(dòng)情況下，不僅有小車沿賽道延伸方向的速度，還有位置校正帶來(lái)的橫向擺動(dòng)，這樣一來(lái)，黑線在曝光時(shí)間內(nèi)不穩(wěn)定，產(chǎn)生了圖像不實(shí)。在這一點(diǎn) CCD 攝像頭有更大的優(yōu)勢(shì)，它噪音小，靈敏度高，信噪比大，所以我們選擇CCD攝像頭，以適應(yīng)小車高速運(yùn)動(dòng)的情況。二.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由 HCS12 控制核心、電源管理單元、攝像頭模擬信號(hào)采集電路、車速檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制電路和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

3、電路組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)硬件框圖1，單片機(jī)單元XS128 最小系統(tǒng) 我們采用了自己設(shè)計(jì)制作的最小系統(tǒng)板，采用MC9SXS128芯片作為控制芯片。具有體積小，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。主頻最高可達(dá)到90M，圖2.8為系統(tǒng)版原理圖。 圖 2.8 最小系統(tǒng)板原理圖3， 測(cè)速電路設(shè)計(jì) 由于今年的車模是雙電機(jī)，要對(duì)小車進(jìn)行很好的控制就必須實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)小車的運(yùn)行狀態(tài)，即檢測(cè)小車的運(yùn)行速度。MC9SXS128系統(tǒng)板自帶一路脈沖捕捉電路，可以測(cè)出一個(gè)電機(jī)的速度，另一個(gè)電機(jī)的速度我們采用74HC161芯片來(lái)計(jì)數(shù)測(cè)出電機(jī)的當(dāng)前速度，其電路原理圖如圖2.11所示。 圖 2.11 電機(jī)測(cè)速電路4智能

4、車整體硬件電路設(shè)計(jì) 表2.1 車模硬件電路技術(shù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度控制4路8位的PWM輸出PWM0、PWM1、PWM2、PWM3電源7.2V驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制1路16位PWM輸出PWM45電源6V兩個(gè)測(cè)速傳感器速度反饋1個(gè)脈沖累加器外部引腳PT7和74HC161的CLK輸入引腳電源5V攝像頭圖像采集PORTB口PT0、PT1、PT2口電源12V串口和電腦、SD卡數(shù)據(jù)傳輸SCI0、SPI控制板2個(gè)程序開始按鍵2個(gè)I/O端口PJ6、PJ78位撥碼開關(guān)一個(gè)8個(gè)I/O端口PE0PE7復(fù)位按鍵1個(gè)8個(gè)I/O輸出口PAD0PAD7整體電容電源系統(tǒng)1758uF最小系統(tǒng)板61uF主控板10uF三.軟件設(shè)計(jì)軟件部分主

5、要包括：路徑識(shí)別、方向控制、速度控制、速度測(cè)量和速度控制四個(gè)模塊。這里先介紹了總程序流程，然后重點(diǎn)介紹了 CCD 攝像頭圖像信息的數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計(jì)流程圖。 1 整體程序介紹 圖5.1為程序流程圖。圖 5.1 整體程序流程圖四 控制算法 在經(jīng)過(guò)幾屆比賽的總結(jié)，我們得出一個(gè)結(jié)論：在智能車這個(gè)控制系統(tǒng)中，控制算法用 PID 足夠達(dá)到其極限速度，盲目追求較高級(jí)的控制算法是一種錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。除非現(xiàn)有的控制算法不足以支撐現(xiàn)有速度下的控制策略，在本科階段我們現(xiàn)在自認(rèn)為不足以達(dá)到這個(gè)高度，所以我們?cè)跍?zhǔn)確提取賽道的基礎(chǔ)上依然采用用分段PID算法作為控制算法。 極品1號(hào)的控制方法為 PID 控制方法。它由速度

6、閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制兩個(gè)部分組成，以下簡(jiǎn)稱速度環(huán)和位置環(huán)。速度環(huán)使用傳統(tǒng)的PI控制算式，為了提高車模對(duì)速度的階躍信號(hào)的快速響應(yīng)，采用自己設(shè)計(jì)制作的H橋。同時(shí)，算式中的比例系數(shù)Kp被設(shè)置的較大，用以改善電機(jī)的硬度。位置環(huán)負(fù)責(zé)對(duì)車模在賽道中的行進(jìn)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用了PD算式，并作了改進(jìn)。傳統(tǒng)的PD算式中微分項(xiàng)的響應(yīng)時(shí)間僅為一個(gè)采樣周期，可能還沒(méi)有達(dá)到好的控制效果時(shí)，微分輸出已經(jīng)消失。車模在高速行駛過(guò)程中，需要靈活的應(yīng)對(duì)各種路況，這就需要在低速狀態(tài)下具有快速的轉(zhuǎn)向性能。因此對(duì)微分部分進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。4.1 PID 控制算法及其改進(jìn)形式的應(yīng)用 4.1.1PID算法簡(jiǎn)介 PID 控制是工業(yè)過(guò)程控

7、制中歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的控制方式。這主要是因?yàn)檫@種控制方式具有直觀、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和魯棒性能好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。位置式PID算式連續(xù)控制系統(tǒng)中的PID控制規(guī)律是 5.1其中x0 是偏差信號(hào)為零時(shí)的控制作用，是控制量的基準(zhǔn)；利用外接矩形法進(jìn)行數(shù)值積分，一階后向差分進(jìn)行數(shù)值微分，當(dāng)選定采樣周期為T時(shí)，式5.1可離散為下面的差分方程 5.2增量式PID算式。 根據(jù)式5.2得出 5.3于是 5.4式 5.3 的計(jì)算結(jié)果，反映了第 k 和第 k-1 次輸出之間的增量，所以稱為增量算式。這個(gè)算式的結(jié)果是可正可負(fù)的。利用增量算式控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次只增加一個(gè)增量，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)起了一個(gè)累加的作用。對(duì)于整個(gè)系

8、統(tǒng)來(lái)說(shuō)，位置和增量式兩種算式并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是將原來(lái)全部由計(jì)算機(jī)完成的工作，分出一部分由其他元件去完成。然而，雖然增量式算式只是算法上的一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了不少優(yōu)點(diǎn)：算式只與最近幾次采樣值有關(guān)，不需要進(jìn)行累加，不易引起誤差累積，因此容易獲得較好的控制效果。計(jì)算機(jī)只輸出增量，誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可加邏輯保護(hù)，限制或禁止故障時(shí)的輸出。手動(dòng)于自動(dòng)切換時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)具有保持作用，所以容易實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，機(jī)器故障時(shí)，也可以把信號(hào)保持在原位。由于增量算式有上述優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際控制中，應(yīng)用得比位置式更為廣泛。式5.4還可進(jìn)一步改寫為 5.5其中： 5.6 5.7 5.8于是編程和計(jì)算可以得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。4.

9、1.2積分飽和及其抑制 控制系統(tǒng)在開工、停工，或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。這種較大的偏差，不可能在短時(shí)間內(nèi)消除，經(jīng)過(guò)積分項(xiàng)積累后，可能會(huì)使控制量x(k)很大，甚至超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由機(jī)械或物理性能所決定的極限。當(dāng)負(fù)偏差的絕對(duì)值較大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn) x(k)xmax(或 x(k)xmin)時(shí)，控制量并不能真正取得計(jì)算值，而只能取xmax或 xmin ,所以控制作用必然不及計(jì)算值理想，從而影響控制效果。下面以給定值突變?yōu)槔f(shuō)明： 假定設(shè)定值從0突變到 R： 首先假定執(zhí)行機(jī)構(gòu)不存在極限，則當(dāng)有R突變量時(shí)，便產(chǎn)生很大的偏差e，從而使控制量很大，輸出量 c 因此很快上升。然而在相當(dāng)一段

10、時(shí)間內(nèi)，由于 e保持很大，因此控制量 x保持上升。只有當(dāng) e 減小到某個(gè)值后，x才不再增加，然后開始下降。當(dāng) c 等于 R 時(shí)，由于控制作用 x 很大，所以輸出量繼續(xù)上升，使輸出量出現(xiàn)超調(diào)，e 變負(fù)，于是使積分項(xiàng)減少，x 因此下降較快。當(dāng) c 下降到小于 R 時(shí)，偏差又變正，于是 x 又有所回升。之后，由于 c 趨向穩(wěn)定，因此 x趨向于 x0。但是 x 是存在極限值 xmax的，因此當(dāng)設(shè)定值突變時(shí)，x 只能取 xmax。在xmax的作用下，系統(tǒng)輸出將上升，但不及在計(jì)算值 x下作用迅速，從而使 e在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較大的正值，于是又使積分項(xiàng)有較大的積累值。當(dāng)輸出達(dá)到設(shè)定值后，控制作用使它繼續(xù)上升。

11、之后，e 變負(fù)，ej不斷減小，可是由于前面積累得太多，只有經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間t后，才可能使xxmax而使系統(tǒng)回到正常的控制狀態(tài)。 可見(jiàn)，主要是由于積分項(xiàng)的存在，引起了 PID 運(yùn)算的“飽和”，因此這種飽和稱為積分飽和。積分飽和增加了系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量，稱為“飽和效應(yīng)”，對(duì)控制系統(tǒng)顯然是不利的。有許多克服積分飽和的方法，這里介紹應(yīng)用較多的兩種方法。 (1)積分分離法。 將5.2式改寫為 5.9其中A為門限電壓式 5.9 稱為積分分離 PID 算式。其控制思想是，當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，刪去積分作用，從而使ej不至于過(guò)大。只有當(dāng)較小時(shí)，才引入積分作用，以消除靜差。引入積分分離后，控制量不易

12、進(jìn)入飽和區(qū)，即使進(jìn)入了也能較快退出，所以系統(tǒng)的輸出特性比單純 PID 控制得到改善。門限值的選取，對(duì)克服積分飽和有重要影響，門限值可通過(guò)試驗(yàn)確定。 (2)遇限削弱積分法。 遇限削弱積分法的思想是，當(dāng)控制量進(jìn)入飽和區(qū)后，只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的累加，而不進(jìn)行增大積分項(xiàng)的累加。為此計(jì)算x(k)時(shí)，先判斷x(k-1)是否超過(guò)xmax或 xmin，若已超過(guò) xmax，值累計(jì)負(fù)偏差；若小于 xmin，只累計(jì)正偏差。這種方法也可避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在飽和區(qū)。和位置算式相比，增量式算法沒(méi)有累加和式，因此不會(huì)由于積分項(xiàng)引起飽和。但是在增量算式中，當(dāng)給定值突變時(shí)，比例微分項(xiàng)的計(jì)算值也可能引起控制量超過(guò)極限值的情況，從

13、而減慢系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 4.1.3 PID算法的其他改進(jìn)形式 對(duì)于干擾除了采用抗干擾措施，進(jìn)行硬件軟件濾波外，還可以通過(guò)對(duì) PID算法進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步克服干擾的影響。在 PID 算式中，差分項(xiàng)(特別是二階差分項(xiàng))對(duì)數(shù)據(jù)誤差和干擾特別敏感，因此在數(shù)值 PID 控制中，干擾主要是通過(guò)微分項(xiàng)起影響的。但是由于微分作用的重要性，不能因噎廢食，去掉微分項(xiàng)。通常是用四點(diǎn)中心差分法，或采用不完全微分的PID算式，對(duì)微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，降低其對(duì)干擾的敏感程度。 四點(diǎn)中心差分法 在四點(diǎn)中心差分法中，一方面將 Td/T 取得略小于理想情況；另一方面，在組成差分時(shí)，不是直接引用現(xiàn)實(shí)偏差 ek，而是用過(guò)去四個(gè)時(shí)刻的偏差的

14、平均值作基準(zhǔn)。 5.10 在通過(guò)加權(quán)平均和構(gòu)成近似微分項(xiàng) 5.11將式5.11代替式5.2中的微分項(xiàng)，就得到修正后的PID算法 5.12 其中： PID 增量算式的改進(jìn)形式，可用和式 5.12 相應(yīng)的式子代替式 5.4 中的差分項(xiàng)及二階差分項(xiàng)而得 5.13不完全微分的PID算式 不完全算法的思想是依照模擬調(diào)節(jié)器的實(shí)際微分調(diào)節(jié)器，以克服完全微分的缺點(diǎn)。不完全微分的PID算法的傳遞函數(shù) 5.14其中Kd稱為微分增益 不完全微分的PID位置算式為 5.15其中x0 是偏差為0時(shí)的控制作用。不完全微分的PID增量算式為 5.16將完全PID算式和不完全微分型PID算式的控制作用比較，在e(t)發(fā)生階躍

15、變化時(shí)，完全微分作用自在擾動(dòng)發(fā)生的一個(gè)周期內(nèi)起作用；而不完全微分作用按指數(shù)規(guī)律逐漸衰減到零，可以延續(xù)幾個(gè)周期。延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短與 Kd 的選取有關(guān)，Kd大，延續(xù)時(shí)間短；Kd小，延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。Kd一般取1030。從改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的角度看，不完全微分的 PID 算式較好。因此在控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，常采用不完微分的 PID 算法。當(dāng)然，完全微分型算式比較簡(jiǎn)單，系數(shù)設(shè)置方便，計(jì)算過(guò)程占用的內(nèi)存也少，不完全微分算式則相反。 4.1.4針對(duì)智能車的PID算法改進(jìn) 極品1號(hào)的控制算法中，速度環(huán)和位置環(huán)都采用的 PID 控制方法。速度環(huán)使用的是基本的 PI 算式，在積分項(xiàng)處理上，積分項(xiàng)智能在積分限內(nèi)變化。整個(gè)控制算式的比例系