小車循跡及傳感器及其軟硬件設(shè)計培訓(xùn)課件

1小車循跡及

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

傳感器及其軟硬件設(shè)計張仁彥2014年山東省機器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、和等)電源電路（5V、3.3V、6V和12V等）舵機驅(qū)動(轉(zhuǎn)角控制)電機驅(qū)動(速度控制)測速電路(速度反饋)轉(zhuǎn)換電路(傳感器信號采集)軌跡檢測傳感器直流(或步進)電機舵機通信模塊(傳遞系統(tǒng)信息)電池(57.21224V)循跡小車機(上位機)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驅(qū)動電機驅(qū)動測速4軌跡表示可見黑色線條不可見（不講）交流電信號4軌跡表示可見5循跡檢測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)反射光的強弱檢測黑線81.1工作原理紅外光或激光，照射到根據(jù)反射光的強弱91.2電路設(shè)計1.2.1紅外傳感器1.2.2激光傳感器91.2電路設(shè)計1.2.1紅外傳感器101.2.1紅外傳感器紅外對管一體紅外發(fā)射管和接收管分離5000：藍色是發(fā)射，黑色是接收，發(fā)射端短的接地，接收端長的接地101.2.1紅外傳感器紅外對管5000：藍色是發(fā)射，黑色11使用要點反射的紅外光能被對應(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：不能強光照射選用工作電流：電流與光強間的線性度和使用壽命注意測試有效檢測距離11使用要點12硬件電路設(shè)計讀高低電平轉(zhuǎn)換12硬件電路設(shè)計讀高低電平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時間過熱解決辦法：釋放人體靜電烙鐵先通電，在焊接的時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：分時發(fā)光的策略，使用74138作為分時控制器16注意事項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常態(tài)低、常態(tài)高對焦透鏡對焦聚光增強接收能力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“點頭”車24北京科技大學(xué)“搖頭”加“點頭”車251.3軟件設(shè)計1.3.1軟件流程圖1.3.2典型控制策略251.3軟件設(shè)計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點亮紅外發(fā)射管判斷車道類型（如直道、小彎和大彎等）計算舵機轉(zhuǎn)角計算電機轉(zhuǎn)速PWM舵機轉(zhuǎn)角控制PWM電機轉(zhuǎn)速控制測速速度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點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處激光29光電傳感器路徑識別算法傳感器重心取值分配圖29光電傳感器路徑識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2.3軟件設(shè)計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2.2.1攝像頭工作原理2.2.2圖像信號的基本概念2.2.3攝像頭分類2.2.4模擬攝像頭電路設(shè)計2.2.5圖像采集342.2電路設(shè)計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、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)人眼對細節(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，這些組成畫面的細小單元稱為像素。像素越小，單位面積上的像素數(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行了一個幀處理，或稱為傳送了一幀，每幀圖像由許多像素組成，幀是構(gòu)成活動圖象最小單元。視覺暫留時間（約50~200）電視原理與系統(tǒng).37圖象幀視覺暫留時間（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)換成電信號的過程稱為掃描。電視系統(tǒng)中，掃描多是由電子槍進行的，通常稱其為電子掃描。

行掃描從左至右掃描幀(或場)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（奇場和偶場）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、每幅的掃描起始時刻相同即同頻又同相才能實現(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。同步脈沖每當掃描完一行時加入一個行同步脈沖每當掃描完一場時加入一個場同步脈沖。消隱在圖像換行和換場時，電子槍回掃時不掃描電視原理與系統(tǒng).39同步電視原理與系統(tǒng).40黑白全電視信號由"圖像信號"和確保掃描同步的"復(fù)合同步信號"以及消除掃描逆程回掃線的"復(fù)合消隱信號"等輔助信號而構(gòu)成的。40黑白全電視信號41制式每秒25幀50場分辨率標清：720*576場消隱區(qū)、行消隱區(qū)、場同步、行同步41制式每秒25幀50場422.2.2圖像信號的基本概念亮度人眼對光的明暗程度的感覺對比度最大亮度與最小亮度的比值灰度灰度即亮度級差或稱亮度層次

422.2.2圖像信號的基本概念亮度432.2.3攝像頭分類數(shù)字攝像頭輸出數(shù)字信號，如6620模擬攝像頭輸出模擬信號，制式（制式）432.2.3攝像頭分類數(shù)字攝像頭44數(shù)字攝像頭662044數(shù)字攝像頭662045與比較成像質(zhì)量高動態(tài)響應(yīng)比較好，比較重電壓12V質(zhì)量輕對電源電壓的要求低，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)彎時產(chǎn)生的離心力山東大學(xué)智能車競賽講稿,201048位置低位置高轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生山東大學(xué)智能車競賽講稿,201049直線行駛時，與安裝位置無關(guān)，沒有影響因舵機在前輪，轉(zhuǎn)向時安裝在前影響大安裝在后，轉(zhuǎn)向時影響小圖象中心偏移量大圖象中心偏移量小山東大學(xué)智能車競賽講稿,201049直線行駛時，與安裝因舵機在前輪，轉(zhuǎn)安裝在后，轉(zhuǎn)圖象中心圖50最遠點最近點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點最近點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)智能車競賽講稿,201050最遠點最近點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)計電源電路52525353542.2.5圖像采集利用同步信號向處理器發(fā)出中斷請求，在中斷中采集圖像。像素同步信號提示出現(xiàn)一個新的像素數(shù)據(jù)行同步信號提示一行開始場同步信號提示一場開始數(shù)字攝像頭像素同步讀一個像素的灰度，存入數(shù)組行同步數(shù)組換行場同步開始接收一幅新圖像542.2.5圖像采集利用同步信號向處理器發(fā)出中斷請求，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2.3.1軟件流程圖2.3.2控制策略582.3軟件設(shè)計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A/D轉(zhuǎn)換判斷車道類型（如直道、小彎和大彎等）計算舵機轉(zhuǎn)角計算電機轉(zhuǎn)速PWM舵機轉(zhuǎn)角控制PWM電機轉(zhuǎn)速控制測速速度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)計張仁彥信息與電氣工程學(xué)院2014.72014年山東省機器人大賽暑假培訓(xùn)1小車循跡及

傳感器及其軟硬件設(shè)計張仁彥2014年山東省機器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、和等)電源電路（5V、3.3V、6V和12V等）舵機驅(qū)動(轉(zhuǎn)角控制)電機驅(qū)動(速度控制)測速電路(速度反饋)轉(zhuǎn)換電路(傳感器信號采集)軌跡檢測傳感器直流(或步進)電機舵機通信模塊(傳遞系統(tǒng)信息)電池(57.21224V)循跡小車機(上位機)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驅(qū)動電機驅(qū)動測速67軌跡表示可見黑色線條不可見（不講）交流電信號4軌跡表示可見68循跡檢測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)反射光的強弱檢測黑線81.1工作原理紅外光或激光，照射到根據(jù)反射光的強弱721.2電路設(shè)計1.2.1紅外傳感器1.2.2激光傳感器91.2電路設(shè)計1.2.1紅外傳感器731.2.1紅外傳感器紅外對管一體紅外發(fā)射管和接收管分離5000：藍色是發(fā)射，黑色是接收，發(fā)射端短的接地，接收端長的接地101.2.1紅外傳感器紅外對管5000：藍色是發(fā)射，黑色74使用要點反射的紅外光能被對應(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：不能強光照射選用工作電流：電流與光強間的線性度和使用壽命注意測試有效檢測距離11使用要點75硬件電路設(shè)計讀高低電平轉(zhuǎn)換12硬件電路設(shè)計讀高低電平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時間過熱解決辦法：釋放人體靜電烙鐵先通電，在焊接的時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：分時發(fā)光的策略，使用74138作為分時控制器16注意事項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常態(tài)低、常態(tài)高對焦透鏡對焦聚光增強接收能力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“點頭”車24北京科技大學(xué)“搖頭”加“點頭”車881.3軟件設(shè)計1.3.1軟件流程圖1.3.2典型控制策略251.3軟件設(shè)計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點亮紅外發(fā)射管判斷車道類型（如直道、小彎和大彎等）計算舵機轉(zhuǎn)角計算電機轉(zhuǎn)速PWM舵機轉(zhuǎn)角控制PWM電機轉(zhuǎn)速控制測速速度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點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處激光92光電傳感器路徑識別算法傳感器重心取值分配圖29光電傳感器路徑識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2.3軟件設(shè)計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2.2.1攝像頭工作原理2.2.2圖像信號的基本概念2.2.3攝像頭分類2.2.4模擬攝像頭電路設(shè)計2.2.5圖像采集342.2電路設(shè)計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、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)人眼對細節(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，這些組成畫面的細小單元稱為像素。像素越小，單位面積上的像素數(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行了一個幀處理，或稱為傳送了一幀，每幀圖像由許多像素組成，幀是構(gòu)成活動圖象最小單元。視覺暫留時間（約50~200）電視原理與系統(tǒng).37圖象幀視覺暫留時間（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)換成電信號的過程稱為掃描。電視系統(tǒng)中，掃描多是由電子槍進行的，通常稱其為電子掃描。

行掃描從左至右掃描幀(或場)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（奇場和偶場）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、每幅的掃描起始時刻相同即同頻又同相才能實現(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。同步脈沖每當掃描完一行時加入一個行同步脈沖每當掃描完一場時加入一個場同步脈沖。消隱在圖像換行和換場時，電子槍回掃時不掃描電視原理與系統(tǒng).39同步電視原理與系統(tǒng).103黑白全電視信號由"圖像信號"和確保掃描同步的"復(fù)合同步信號"以及消除掃描逆程回掃線的"復(fù)合消隱信號"等輔助信號而構(gòu)成的。40黑白全電視信號104制式每秒25幀50場分辨率標清：720*576場消隱區(qū)、行消隱區(qū)、場同步、行同步41制式每秒25幀50場1052.2.2圖像信號的基本概念亮度人眼對光的明暗程度的感覺對比度最大亮度與最小亮度的比值灰度灰度即亮度級差或稱亮度層次

422.2.2圖像信號的基本概念亮度1062.2.3攝像頭分類數(shù)字攝像頭輸出數(shù)字信號，如6620模擬攝像頭輸出模擬信號，制式（制式）432.2.3攝像頭分類數(shù)字攝像頭107數(shù)字攝像頭662044數(shù)字攝像頭6620108與比較成像質(zhì)量高動態(tài)響應(yīng)比較好，比較重電壓12V質(zhì)量輕對電源電壓的要求低，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)彎時產(chǎn)生的離心力山東大學(xué)智能車競賽講稿,201048位置低位置高轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生山東大學(xué)智能車競賽講稿,2010112直線行駛時，與安裝位置無關(guān)，沒有影響因舵機在前輪，轉(zhuǎn)向時安裝在前影響大安裝在后，轉(zhuǎn)向時影響小圖象中心偏移量大圖象中心偏移量小山東大學(xué)智能車競賽講稿,201049直線行駛時，與安