基于攝像頭和飛思卡爾16的智能小車(chē)尋跡系統設計

1 引言

智能小車(chē)尋跡系統是基于攝像頭和飛思卡爾16微處理器mc9s12xs128組成，由攝像頭采集圖像有用信息送入單片機分析道路參數。

智能小車(chē)跑道表面為白色，中心有連續黑線(xiàn)作為引導線(xiàn)，黑線(xiàn)寬25mm，鋪設跑道地板顏色與背景不一樣;跑道寬度為60cm，窄道區的寬度為45cm;跑道最小曲率半徑不小于50 厘米; 跑道可以交叉，交叉角為90度。

系統主要包括視頻圖像采集、圖像處理、黑線(xiàn)中心提取、路徑判斷。

2 視頻圖像采集

圖像采集是基于mc9s12xs128單片機來(lái)實(shí)現的。mc9s12xs128是飛思卡爾開(kāi)發(fā)的以cpu12內核為核心的單片機，采用5v電源供電，總線(xiàn)速度最高可達40mhz，8kb ram，128kb flash，具有豐富的i/o模塊和工業(yè)控制專(zhuān)用的通信模塊[1]。

(a) 視頻信號;(b) 行同步信號;(c) 場(chǎng)同步信號;(d) 奇偶場(chǎng)同步信號

圖1 攝像頭信號時(shí)序圖

攝像頭前瞻距離大，有利于提高速度。同時(shí)跑道色內外色差只有黑白兩色，只需提取探測畫(huà)面的灰度信息就能識別黑線(xiàn)信息，因而圖像采集選用黑白攝像頭。攝像頭輸出的是pal制式的復合全電視信號，每秒輸出25幀，每幀分為偶場(chǎng)和奇場(chǎng)。黑白視頻圖像信號由圖像信號、消隱信號及同步信號共同組成。場(chǎng)同步脈沖標志著(zhù)新的一場(chǎng)到來(lái)。場(chǎng)消隱區恰好跨在一場(chǎng)的結尾部分和下場(chǎng)的開(kāi)始部分，得等到場(chǎng)消隱區過(guò)去，下場(chǎng)的視頻信號才真正到來(lái)。pal制式的攝像頭每秒掃描25幅圖像，每幅又分奇偶兩場(chǎng)，故每秒掃描50場(chǎng)圖像[2]。為此要有效地采集攝像頭的視頻信號，需要把攝像信號進(jìn)行分離。lm1881視頻同步信號分離芯片可從攝像信號中分離出行同步脈沖，場(chǎng)同步脈沖和奇偶場(chǎng)脈沖。下圖為視頻信號lm1881分離后時(shí)序圖如圖1所示，其攝像頭采樣電路圖如圖2所示。

圖2 攝像頭采樣電路圖

設計采用80引腳mc9s12x128單片機。根據其引腳特點(diǎn)，pt口響應速度不如pj口響應速度好，所以選擇pj口作為行中斷和場(chǎng)中斷輸入口，本設計選用 pj7和pj6。但是pj口共用一個(gè)中斷向量，因此在軟件設計中用巧妙的方法先開(kāi)pj6，關(guān)閉pj7。當奇偶場(chǎng)上升沿脈沖到來(lái)時(shí)，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序里延時(shí)一段時(shí)間，清掉消隱時(shí)間，然后開(kāi)啟行中斷pj口，當行中斷產(chǎn)生時(shí)延時(shí)一段時(shí)間開(kāi)始采集圖像信息，這里所有延時(shí)都是為了濾掉采集的非圖像信息。本系統采集圖像是采集同一場(chǎng)圖像(即奇場(chǎng)和偶場(chǎng))。這樣可以減少攝像頭因奇偶場(chǎng)硬件上不同而帶來(lái)偏差。

為獲得充足的圖像信息，實(shí)現對智能車(chē)準確控制，圖像采集每場(chǎng)為42×47個(gè)點(diǎn) 。通過(guò)實(shí)驗證明，42×47的圖像能夠得到滿(mǎn)意圖像信息。采集效果如圖3所示。圖中數值為20-25表示黑線(xiàn)所在位置。

圖3 圖像采集灰值情況

3 圖像處理

了防止場(chǎng)地黑線(xiàn)干擾導致控制出錯，需要對整幅圖像進(jìn)行濾波處理。因為黑色指引線(xiàn)是一條平滑連續的曲線(xiàn)，因此對于圖像中出現的那些跳躍性較大的點(diǎn)即可視為干擾加以去除。

濾波方法有很多，如中值濾波對單片機開(kāi)銷(xiāo)較大，因此本系統采用對整幅圖像進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的插值處理。這樣不僅占用cpu時(shí)間少，而且也實(shí)現了對實(shí)時(shí)控制的要求。攝像頭提取到的近處黑線(xiàn)信息出錯的概率非常小，因此利用近處黑線(xiàn)的中心偏差，對前方的黑線(xiàn)中心偏差進(jìn)行插值濾波。其濾波流程圖如圖4所示。插值濾波時(shí)，同時(shí)要注意小車(chē)在過(guò)急彎時(shí)的情況，因此要對插值后的黑線(xiàn)中心進(jìn)行限幅處理。

圖4 插值算法流程圖

4 引導線(xiàn)提取

由于黑線(xiàn)和白賽道的灰度值不確定，如果以設定的值作為黑線(xiàn)的灰度值，必然適應新環(huán)境的能力不強。但是黑色和白色灰度值之差變化不大，因此可以用灰度值之差作為黑線(xiàn)與白道的標準。根據實(shí)驗，灰度值之差一般在15-30之間。本系統就是以此范圍作為灰度值范圍。

在查找黑線(xiàn)的點(diǎn)順序也有一定方法。如果采用常用的從左到右依次查找黑點(diǎn)，這樣不僅容易把周?chē)念伾`認為黑線(xiàn)，同時(shí)在一定程度上比較耗時(shí)。本系統采用從圖像中央開(kāi)始向側查找，當找到黑線(xiàn)就停止該行查找，這樣不僅可盡量減少查找到周?chē)念伾臋C會(huì )，同時(shí)也能減少查找耗時(shí)。同時(shí)注意，在查找黑點(diǎn)時(shí)，應該查找到兩個(gè)或兩個(gè)以上的黑點(diǎn)才能作為黑線(xiàn)的位置，這樣可以避免因隨機產(chǎn)生的干擾的影響。

5 路徑判斷

5.1 彎直道判斷

根據圖像采集特點(diǎn)，直道時(shí)黑點(diǎn)偏離中心線(xiàn)位置較小，彎道時(shí)偏離中心線(xiàn)的位置大，用一個(gè)數學(xué)公式表征這一特點(diǎn)[3]即

式中：xi為采集到的黑點(diǎn)實(shí)際坐標

x為圖像中心線(xiàn)的坐標位置

n為采樣到黑點(diǎn)的總行數

通過(guò)多次實(shí)際賽道實(shí)驗，直道時(shí)的curve一般在2以下，小彎道在3-10的范圍內，10以上則能判定為大彎道，這就以數值判斷賽道的情況，從而實(shí)現對舵機的有效控制。在實(shí)際的舵機控制中，需要根據賽道的實(shí)際情況做適當校正。

5.2 大s彎和小s彎的判斷

跑道分為大s彎和小s彎。通過(guò)實(shí)際實(shí)驗，小車(chē)的舵機在改變角度的時(shí)候，小車(chē)會(huì )減速，因此小車(chē)的舵機改變角度的大小和次數都會(huì )影響最后的比賽成績(jì)。在小s彎時(shí)，小車(chē)攝像頭可以照到全部，取平均值后相當于是直道，小車(chē)舵機可不改變方向而直線(xiàn)行駛從而提高速度。在大s彎時(shí)，由于大彎不能在完整的的一個(gè)視野范圍內，小車(chē)將取平均值后偏離直道，小車(chē)舵機將改變方向行駛。

5.3 十字交叉路線(xiàn)的判斷和起跑線(xiàn)的識別

兩個(gè)黑色引導線(xiàn)垂直相交，經(jīng)ad采樣后，橫向灰度值特點(diǎn)為黑色灰度值都在同一行，經(jīng)查找由黑到亮變化的灰度值是沒(méi)有的，因而此處黑點(diǎn)坐標幾乎接近中心位置，不會(huì )對引導線(xiàn)的位置產(chǎn)生影響，這就實(shí)現了小車(chē)不發(fā)生錯誤通過(guò)十字交叉路線(xiàn)。