智能小車視覺伺服系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著汽車行業(yè)和生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)于智能汽車的深入研究勢(shì)在必行，人們對(duì)車輛的功能要求越來越高，智能車輛也越來越得到大家的推崇。為適應(yīng)這一趨勢(shì)，智能小車研究開發(fā)迫在眉睫。它是智能自動(dòng)化控制研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。智能小車的設(shè)計(jì)研制過程涉及到了智能控制、圖像處理、視覺系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。智能小車可實(shí)現(xiàn)安全、可靠、快速的自適應(yīng)巡航。智能小車作為典型的高新技術(shù)綜合體，具有重要的軍用及民用價(jià)值。它可廣泛的應(yīng)用于工廠自動(dòng)料車、固定場(chǎng)地搬運(yùn)

2、車等技術(shù)領(lǐng)域，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文旨在研究出一套適應(yīng)于中低速單片機(jī)控制平臺(tái)的智能小車視覺伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)依托智能汽車競(jìng)賽開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種基于Freescale公司的16位HCS12單片機(jī)MC9S12XS128的智能小車視覺伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)是基于在白色背景上有一條任意給定的黑色帶狀引導(dǎo)線的場(chǎng)地，最終實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)平穩(wěn)沿線行駛。首先簡要介紹了智能小車的整個(gè)發(fā)展和研究歷程，從車模的安裝、跑道的制作，

3、到攝像頭的選擇、安裝，舵機(jī)的改造和編碼器的選擇安裝以及控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)等各個(gè)部分的詳細(xì)情況進(jìn)行了一一闡述。智能小車視覺伺服系統(tǒng)主要包括電源管理模塊、圖像采集模塊、速度采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和調(diào)試模塊。小車設(shè)計(jì)堅(jiān)持穩(wěn)定、簡單、量輕與低重心的原則，一個(gè)好的機(jī)械系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)小車穩(wěn)定性的先決條件。對(duì)小車而言，最重要的因素是其穩(wěn)定性和速度。智能小車視覺伺服系統(tǒng)的難點(diǎn)在于圖像數(shù)據(jù)的采集處理，舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制策略，電機(jī)調(diào)速控制策略，

4、良好的控制策略能讓小車的速度無極限。
　　 為了方便攝像頭標(biāo)定，系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)了可調(diào)式攝像頭支架，獲取適宜的攝像頭安裝高度和角度。為了提高小車的特性和舵機(jī)的響應(yīng)速度，將舵機(jī)抬高，進(jìn)而提高前輪轉(zhuǎn)向速度，同時(shí)對(duì)車模的一些參數(shù)做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，提高了車模的性能。系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)電路板，該電路板較好的集成了智能小車所需電路，使得整車的集成度提高，性能更加可靠。
　　 為了實(shí)現(xiàn)智能小車的路徑精確識(shí)別，同時(shí)不犧牲系統(tǒng)的運(yùn)行速度，系統(tǒng)采用低功

5、耗的數(shù)字?jǐn)z像頭CMOSOV6620獲取實(shí)時(shí)路徑信息，采用雙口靜態(tài)存儲(chǔ)器IDT7008作為數(shù)據(jù)緩存。系統(tǒng)采用隔行隔像素掃描的方式，只采集黑色引導(dǎo)線附近的區(qū)域，引入中值濾波快速算法和分割閾值的迭代算法，較好解決了位置信息階躍的問題，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)路徑識(shí)別和邊緣的精確定位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化，同時(shí)使系統(tǒng)的運(yùn)行速度提高約2/3，提高了圖像邊緣檢測(cè)的抗干擾能力，邊緣點(diǎn)完全由自身的灰度值確定，避免了噪聲影響范圍的擴(kuò)大。該方法能夠提取完整的圖像輪廓，使檢測(cè)所

6、得邊緣具有連續(xù)性。系統(tǒng)通過邊緣檢測(cè)方法提取跑道黑線，求出小車與黑線間的位置偏差，采用非線性PD控制算法對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。通過光電編碼器YZ30D4S-2NA-200實(shí)時(shí)獲取小車速度，采用Bang-Bang控制算法對(duì)小車限速，根據(jù)當(dāng)前舵機(jī)控制量設(shè)定小車期望速度，采用非線性P控制策略形成速度閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)平穩(wěn)調(diào)速，達(dá)到直道加速，彎道減速的目的。
　　 為了使智能小車品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，小車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的PD參數(shù)采用模

7、糊自適應(yīng)進(jìn)行離線整定，并基于MATLAB對(duì)智能小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制進(jìn)行仿真研究，獲取較佳的轉(zhuǎn)向PD參數(shù)。
　　 經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，該視覺伺服系統(tǒng)圖像質(zhì)量穩(wěn)定清晰，采集圖像穩(wěn)態(tài)誤差小，結(jié)構(gòu)模塊化、合理，簡單可靠，性價(jià)比高，簡化了電路設(shè)計(jì)，便于調(diào)試，處理速度快，有很好的抗干擾能力，大大減少了圖像采集和處理的時(shí)間，程序流程簡單明了，可方便移植到各種類型的處理器。該套方案能夠在MC9S12XS128微控制器運(yùn)行于40MHz的總線時(shí)鐘下實(shí)現(xiàn)了智