基于摄像头的路径信息采集系统的简易设计与实现

151www.eepw.com.cn 2008.5 栏目编辑 李健 高校园地 飞思卡尔智能车专栏 电子产品世界 引言 第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能 车竞赛中，要求各参 赛队赛车在规定的 赛道上行驶，速度快 者胜出。由于跑道只 有黑、白两色，对图 像的灰度没有要求， 所以只需要反映反 射光线的强弱。若用 A/D进行采样，不 仅软件设计比较麻 烦，而且测量的精度 和响应时间都不够 理想，抗干扰能力也 较差。本文摒弃传统 的视频信号采集方 法，结合单片机的输 入捕捉功能，提出一 种新的路径识别方 法，并在实际系统中得到应用，实践 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该 方法不仅使系统具有良好的性能，而且容易 实现。 视频信号的特征 使用CHD-918B面阵CMOS摄像头，通 过对内部电路的改造，可以在５V电压环境 下正常工作，输出PAL 制式模拟视频信号， 如图1所示。每秒扫描50场图像，一场又有 312.5行，每行图像信号时间为64μs，除去 行同步头，其中有效的图像信号约为59.3μ s。所以，若选用S12的A/D转换器采集，转 换耗时压力大，图像分辨率低。 系统设计思想 设计是于白色跑道和黑色导引线对光反 射能力不同的设计思路，同时又结合单片机 的输入捕捉功能模块来实现的。 根据竞赛的实际情况和要求，只需要在 白色背景的跑道中提取出黑色的导引线，而 与图像的灰度无关，通过分析摄像头输出信 号的特点，利用比较器将视频信号二值化， 进而把黑色导引线与白色背景区分开来，如 图2所示。同时，由于导引线的宽度是恒定 的，行扫描时间和同步头时间也是定值，通 过软件简单编程就可以滤除环境干扰，达到 不错的滤波效果。 鉴于MC9S12DG128是HCS12系列单 片机的一种，片内设有增强型定时器(ECT)， 具有输入捕捉功能，可通过捕捉系统时钟脉 基于摄像头的路径信息采集系统的简易设计与实现 Simple Design and Implementation of a Path Information Acquisition System Based on Camera ■ 刘进 齐晓慧 李永科 军械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院光学与电子工程系(河北 石家庄050003) 摘要： 本文基于freescale 16位HCS12单片机的输入捕捉功能 设计一种视频信号采集系统。在该系统中，将CMOS摄 像头的输出信号二值化，利用单片机输入捕捉功能实时 对信号采样、处理，提取出黑色导引线的形状特征。实 验证明：系统能很好地满足智能车对路径识别性能和抗 干扰能力的要求，实时性好，测量精度高，同时硬件和 软件的开销都比较小。 关键词：图像二值化；HCS12单片机；视频图像；比较器 图１　摄像头视频信号 图2 视频信号二值化示意图 152 www.eepw.com.cn2008.5 栏目编辑 李健 高校园地 飞思卡尔智能车专栏 电子产品世界 冲来检测导引线。这 样，计算单片机相应 阶段内输入捕捉系 统时钟脉冲的个数 就能反映当前的路 径信息。系统的实现 如图3所示。 系统实现 视频信号同步 分离：视频信号分离 电路主要采用视频 同步分离芯片1881， 电路原理图如图４ 所示。先将经过预处 理的视频信号通过 一个滤波电路接至 LM1881的2脚，为 了滤除杂波，匹配阻 抗，C4选取0.1μF， C2取510pF，R2取 620Ω。１脚输出行 同步信号，３脚输出 场同步信号，在实际 运用中，二者存在高 频干扰，所以必须加 上低通滤波器。 选行电路：在一 场视频信号中共扫 描312.5行，没有必 要每一行都进行采 样，只需要选择性的 采集特定行，计算出 跑道的大致形状，同 时也为后续处理留 出时间。该部分电路 主要由一片二进制 计数器74LS161实 现，原理图如图5所 示。对行使能信号控制行同步信号的开关， 通过对拨码开关的设置，可对行同步2、4、 8、16分频，选择采集不同的行。本文在调 试过程中设置成4分频。 二值化电路 视频信号的二值化主要由芯片MAX941 完成，通过调节滑动变阻器的阻值来改变阈 值电压。经反复试验本文将阈值定在2.55V。 防止黑色导引线的边界处出现毛刺干扰，在 二值化输出端加上RC低通滤波电路。电路 图如图6所示。 时序关系：在上述几个电路模块中，使 用了门电路、计数器、比较器，使原有的时 序关系发生了变化，后续编程处理和系统的 可靠性受到挑战。在比较器的输出端加入两 片非门，增大延时，情况得到改善。最后得 到的时序关系如图7所示。其中a为场同步， b为行同步，c是经过4分频后的行同步信号， d为二值化后的视频信号，包含着路径信息。 输入捕捉：MC9S12DG128单片机的外 部晶振为16MHz，，由于输入捕捉寄存器为 16 位，其计数值最大为65535，需要对系统 时钟进行分频处理，设分配系数为a，其中 a=2-n，(n=0,1,2⋯7) (1) 则分频后的系统时钟可由(2)式得， f1=f0×a=16MHz×2-3=2MHz (2) 即最小单位为0.5μs，对应的跑道采集 精度，远处的分辨率为0.4cm，近处的为 0.2cm ，完全符合路径识别的要求。输入捕 捉的触发方式设置成任意沿捕捉，这样可以 简化硬件电路的设计。以，仅仅需要计算几 个沿变化之间输入捕捉系统时钟脉冲的个 数，就能精准的反映当前的路径信。对应图 2，BC段是黑线，DE段是同步头，AB与CD 段反映的是左右视场边沿到黑线的距离，在 后续处理中，可以利用这些信息方便的计算 出跑道的曲率和斜率。由于黑色导引线的宽 度是一定的，每行有效图像扫描时间都约为 图3 系统总体框图 图4 视频同步信号分离原理图 图5　选行电路原理图 图6 视频信号二值化电路 图7 时序关系图 zhouhong 铅笔 zhouhong 铅笔 zhouhong 铅笔 zhouhong 铅笔 zhouhong 铅笔 zhouhong 铅笔 本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件(C)2005-2009，版权所有， 仅供试用。ഀ 153www.eepw.com.cn 2008.5 栏目编辑 李健 高校园地 飞思卡尔智能车专栏 电子产品世界 59.3μs，根据这些信息就可以剔 除明显的坏点，增强系统得抗干 扰能力。 软件实现：为了节约系统时 间，在编程中主要采用中断处理， 并且设置成上升沿触发。在场中 断期间，先调用屏蔽场同步消隐 子程序，把成像效果不好的部分 滤除掉，随后打开行中断。当经 过分频后的行同步头到来时，开 始捕捉图像信号的4个任意沿，在 相应两个沿之间，所捕捉到的系 统时钟脉冲个数就反映了当前的路径信息。 另外，为了消除偶然误差的影响，在不降低 系统速度测量精度的前提下，通过使用软件 上的循环队列算法，保证了路径信息的准确 性。循环队列的具体实现过程为：通过设置 一个长度为L的队列，每发生一次输入捕捉 中断就进行一次入队操作，由队列“先进先 出”的性质，即替换最先入队数据，能够保 证将最新的刷新数据进行数据处理并进行控 制，提高了控制的实时性。该系统部分软件 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图8所示。 图8 部分视频采集软件 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word 结语 若采用片内A/D采集，在最高时钟频率 2MHZ的情况下，进行一次10位精度A/D 转换的时间为7μs。这样，采集的图像每行 只有8个像素，图像分辨率过低。如果采用 超频的手段来补偿，又会降低系统的可靠 性。而本文采集的图像数据分辨率为128× 64,每行有128个像素，并且分辨率留有进一 步提高的余留量，软件的编写也比较简单。 但是该方法目前还不能区分图像的灰度，是 以后需要改进之处。 参考文献： 1 邵贝贝， 单片机嵌入式应用的在线开发方 法[M]， 北京：清华大学出版社，2004. 2 王明顺， 虚拟编码器在智能车上的应用[J， 电子产品世界，2006 (12) 3 吴建辉，印制电路板的电磁兼容性设计 [M]，北京：国防工业出版社，2005 4 [美]Steven F．Barrett，Daniel J．Pack 著，郑扣根译，嵌入式系统——使用68HC12和 HCS12的设计与应用[M]. 北京：电子工业出版 社，2006 5 卓晴等.， 学做智能车[M]. 北京那个航空 航天大学出版社，2007 表2 定点测量数据 130.5049mm，系统测量算术偏差在±0.3mm 内，即现有系统的分辨率约为0.3mm。采用系 统误差标定，软件算法改进等措施后，有望进 Ni 湹諣牋▲鞯 (mm) 湹諣牋▲绖牴牬犛 (mm) 1 130.5046 -0.0003 2 130.5048 -0.0001 3 130.5048 -0.0001 4 130.5048 -0.0001 5 130.5049 0.0000 6 130.5050 0.0001 7 130.5050 0.0001 8 130.5050 0.0001 9 130.5049 0.0000 10 130.5051 0.0002 一步提高系统的测量精度。 　　 结语 本系统是一种基于ARM的精密视觉测 量平台，实现了条码的精密测量功能。在该平 台上进一步开发，形成的系统可以应用于一 维、二维长度的精密测量，具有较为广阔的应 用前景。 参考文献： 1. 王凤鹏、王志兴、张晓，一种新的数字水 准仪测量算法，江西科学，2007, 25(3),1 2. ST产品目录，2006 3. 张晓、王志兴、李相银等，利用正弦条码 尺实现位移测量，光电工程，2005,32(3) 150