7清华大学飞思卡尔智能车教程.ppt
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第第7章章智能汽车设计实践智能汽车设计实践摄像头型设计摄像头型设计武汉科技大学信息科学与工程学院第第第第77章章章章智能汽车设计实践智能汽车设计实践智能汽车设计实践智能汽车设计实践摄像头型设计摄像头型设计摄像头型设计摄像头型设计v两种检测方案的比较两种检测方案的比较路径识别方法优点缺点红外光电管传感器方案1电路设计相对简单2检测信息速度快3成本低1道路参数检测精度低、种类少2检测前瞻距离短3耗电量大4占用MCU端口资源较多5容易受到外界光线影响摄像头传感器方案1检测前瞻距离远2检测范围宽3检测道路参数多4占用MCU端口资源少1电路相对设计复杂2检测信息更新速度慢3软件处理数据较多表表表表7.17.1两种检测方案的比较两种检测方案的比较两种检测方案的比较两种检测方案的比较武汉科技大学信息科学与工程学院第第第第77章章章章智能汽车设计实践智能汽车设计实践智能汽车设计实践智能汽车设计实践摄像头型设计摄像头型设计摄像头型设计摄像头型设计v图像采集传感器可分为图像采集传感器可分为CCD型和型和CMOS型,其中型,其中CMOS型摄像头工艺简单,价格便宜,对于识别型摄像头工艺简单,价格便宜,对于识别智能车赛道这样的黑白二值图像能力足够,因此,智能车赛道这样的黑白二值图像能力足够,因此,我们以下主要以我们以下主要以CMOS型摄像头为例,介绍基于型摄像头为例,介绍基于摄像头方案的智能车详细设计。
摄像头方案的智能车详细设计。
武汉科技大学信息科学与工程学院77.1机械设计机械设计177.2硬件设计硬件设计27.3软件设计软件设计3第第第第77章章章章智能汽车设计实践智能汽车设计实践智能汽车设计实践智能汽车设计实践摄像头型设计摄像头型设计摄像头型设计摄像头型设计武汉科技大学信息科学与工程学院7.17.1机械设计机械设计机械设计机械设计v同光电管方案比起来,摄像头方案机械设计的不同光电管方案比起来,摄像头方案机械设计的不同主要体现在摄像头传感器的安装上,而舵机及同主要体现在摄像头传感器的安装上,而舵机及车速检测单元的安装基本同光电管一样。
下面我车速检测单元的安装基本同光电管一样。
下面我们将重点介绍摄像头传感器安装这一问题。
们将重点介绍摄像头传感器安装这一问题。
v摄像头的作用是检测道路的信息,相当于人的眼摄像头的作用是检测道路的信息,相当于人的眼睛,其视野范围和前瞻距离决定了小车的过弯性睛,其视野范围和前瞻距离决定了小车的过弯性能和速度。
所以摄像头的安装方式要适当。
摄像能和速度。
所以摄像头的安装方式要适当。
摄像头的安装方案有两种:
一种是正向安装,另一种头的安装方案有两种:
一种是正向安装,另一种是旋转是旋转90安装。
安装。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.17.1机械设计机械设计机械设计机械设计v图像采集是智能车设计的一个技术难点。
普通图图像采集是智能车设计的一个技术难点。
普通图像传感器通过行扫描方式,将图像信息转换为一像传感器通过行扫描方式,将图像信息转换为一维的视频模拟信号输出。
由于维的视频模拟信号输出。
由于S12的的A/D转换器转换器采集速度较低,进行采集速度较低,进行10位位A/D转换所需要的时转换所需要的时间为间为7s。
这样,采集的图像每行只有。
这样,采集的图像每行只有8个像素,个像素,图像的水平分辨率很低。
倘若在此基础之上就进图像的水平分辨率很低。
倘若在此基础之上就进行智能车的路径识别,则很可能漏检宽度仅行智能车的路径识别,则很可能漏检宽度仅2.5cm的黑色引导线,从而导致某些控制决策因无的黑色引导线,从而导致某些控制决策因无法获取足够精度的路径信息而失效。
但同时,法获取足够精度的路径信息而失效。
但同时,S12每场图像大约可以采集每场图像大约可以采集300行左右的图像信行左右的图像信息,故图像的垂直分辨率相对较高。
息,故图像的垂直分辨率相对较高。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.17.1机械设计机械设计机械设计机械设计v而按照大赛采用跑道的形状特点,这些跑道都是而按照大赛采用跑道的形状特点,这些跑道都是由直线和圆弧组成的,检测车模前方一段路径参由直线和圆弧组成的,检测车模前方一段路径参数,只需要得到中心线上数,只需要得到中心线上35个点的位置信息就个点的位置信息就可以估算出路径参数,如位置、方向和曲率等。
可以估算出路径参数,如位置、方向和曲率等。
通过图像中的若干行信息就可以检测出这排点的通过图像中的若干行信息就可以检测出这排点的位置,故所需的检测图像应该是水平分辨率高,位置,故所需的检测图像应该是水平分辨率高,垂直分辨率低。
垂直分辨率低。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.17.1机械设计机械设计机械设计机械设计v倘若正向安装摄像头,尽管水平方向的视野开阔一些,不倘若正向安装摄像头,尽管水平方向的视野开阔一些,不至于迷失黑线跑出赛道。
但实际采集到的图像是水平分辨至于迷失黑线跑出赛道。
但实际采集到的图像是水平分辨率低,垂直分辨率高,与所需的检测图像要求刚好相反。
率低,垂直分辨率高,与所需的检测图像要求刚好相反。
v为了保证不漏检黑色引导线,正向安装就需要提高水平方为了保证不漏检黑色引导线,正向安装就需要提高水平方向的分辨率,这就需要大大提高向的分辨率,这就需要大大提高MC9S12DG128单片单片机的机的A/D采样频率,导致采样频率,导致MC9S12DG128超频使用。
超频使用。
单片机超频使用会影响系统稳定性,容易发生程序失稳的单片机超频使用会影响系统稳定性,容易发生程序失稳的现象。
现象。
v除此之外,由于正向安装采集到的图像宽度大,长度短,除此之外,由于正向安装采集到的图像宽度大,长度短,致使智能车容易看到赛道边缘以及地面,产生较大的干扰,致使智能车容易看到赛道边缘以及地面,产生较大的干扰,而且对底端的图像信息丢失也过多,大大影响过弯速度。
而且对底端的图像信息丢失也过多,大大影响过弯速度。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.17.1机械设计机械设计机械设计机械设计v倘若将倘若将CMOS摄像头旋转摄像头旋转90安装,输出的图像安装,输出的图像信息也将旋转信息也将旋转90,通过,通过S12的的A/D转换器采集转换器采集的图像信息,水平分辨率与垂直分辨率会发生互的图像信息,水平分辨率与垂直分辨率会发生互换,从原来的水平分辨率低、垂直分辨率高的图换,从原来的水平分辨率低、垂直分辨率高的图像变成水平分辨率高、垂直分辨率低的实际图像,像变成水平分辨率高、垂直分辨率低的实际图像,正好符合道路参数检测模型的要求。
正好符合道路参数检测模型的要求。
v在同样保证在同样保证90cm的前瞻下,底端的宽度有的前瞻下,底端的宽度有22cm左右,顶端左右,顶端65cm,可以达到避免地面干扰,可以达到避免地面干扰的效果。
同时底端仅有不到的效果。
同时底端仅有不到20cm的图像丢失,的图像丢失,而且摄像头的俯角相对较小,可以克服反光的问而且摄像头的俯角相对较小,可以克服反光的问题,这样过弯道的时候会有安全保障。
题,这样过弯道的时候会有安全保障。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.17.1机械设计机械设计机械设计机械设计v此外,摄像头所架的高度一定要适宜。
架得过高此外,摄像头所架的高度一定要适宜。
架得过高会导致小车的视野过大,看到的黑线变得太细,会导致小车的视野过大,看到的黑线变得太细,还会导致智能车的重心太高,使智能车快速过弯还会导致智能车的重心太高,使智能车快速过弯时容易翻车;架得太低又会影响前瞻,带来反光时容易翻车;架得太低又会影响前瞻,带来反光的问题,影响采样。
合适的高度要既满足小车的的问题,影响采样。
合适的高度要既满足小车的重心要求,又保证前瞻距离。
重心要求,又保证前瞻距离。
v安装摄像头的底座和支杆应使用刚度大、质量轻安装摄像头的底座和支杆应使用刚度大、质量轻的材料,以防晃动。
的材料,以防晃动。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.27.2硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计v在摄像头方案中,由于车速检测模块、舵机控制在摄像头方案中,由于车速检测模块、舵机控制单元及直流驱动电机控制单元同光电管方案相同,单元及直流驱动电机控制单元同光电管方案相同,以下对路径识别单元、以下对路径识别单元、HCS12控制核心及电源控制核心及电源管理单元做简要介绍。
管理单元做简要介绍。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.27.2硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计v7.2.1HCS12控制核心控制核心v7.2.2电源管理单元电源管理单元v7.2.3路径识别单元路径识别单元武汉科技大学信息科学与工程学院7.2.1HCS127.2.1HCS12控制核心控制核心控制核心控制核心vHCS12控制核心单元既可以直接采用组委会提控制核心单元既可以直接采用组委会提供的供的MC9S12EVKX电路板,也可以自行购买电路板,也可以自行购买MC9S12DG128单片机,然后量身制作适合自单片机,然后量身制作适合自己需要的最小开发系统。
己需要的最小开发系统。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.2.1HCS127.2.1HCS12控制核心控制核心控制核心控制核心v在摄像头方案中,其在摄像头方案中,其I/O口具体分配如下:
口具体分配如下:
PAD1用于摄像头视频信号的输入口;IRQ(PE1引脚)用于摄像头行同步信号的输入捕捉;PM0用于摄像头奇-偶场同步信号的输入口;PT0用于车速检测的输入口;PB口用于显示小车的各种性能参数;PWM0(PP0引脚)与PWM1(PP1引脚)合并用于伺服舵机的PWM控制信号输出;PWM2(PP2引脚)与PWM3(PP3引脚)合并用于驱动电机的PWM控制信号输出(电机正转);PWM4(PP4引脚)与PWM5(PP5引脚)合并用于驱动电机的PWM控制信号输出(电机反转)。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.2.1HCS127.2.1HCS12控制核心控制核心控制核心控制核心v具体的对应引脚详见图具体的对应引脚详见图7.1图图图图7.11127.1112引脚封装的引脚封装的引脚封装的引脚封装的MC9S12DG12BMC9S12DG12B单片机引脚图单片机引脚图单片机引脚图单片机引脚图武汉科技大学信息科学与工程学院7.2.27.2.2电源管理单元电源管理单元电源管理单元电源管理单元v同光电管方案比较,摄像头方案的电源管理单元同光电管方案比较,摄像头方案的电源管理单元就显得复杂得多。
根据系统各部分正常工作的需就显得复杂得多。
根据系统各部分正常工作的需要,各模块的电压值可分为要,各模块的电压值可分为2.5V,5V,6.5V,7.2V,12V五个挡,主要包含以下五个方面:
五个挡,主要包含以下五个方面:
武汉科技大学信息科学与工程学院7.2.27.2.2电源管理单元电源管理单元电源管理单元电源管理单元
(1)采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压到5V后,给单片机系统电路、车速检测的转角编码器电路供电,且为后面的升压降压做准备;
(2)经过一个二极管降至6.5V左右后供给转向伺服电机;(3)直接给直流驱动电机、驱动芯片MC33886电路供电;(4)采用升压芯片B0512S将5V电压升压到12V后,给摄像头供电;(5)采用稳压芯片LT1764将5V电压稳压到2.5V后,作为单片机A/D模块参考电压。
武汉科技大学信息科学与工程学院7.2.27.2.2电源管理单元电源管理单元电源管理单元电源管理单元v由于稳压芯片由于稳压芯片LM2576的额定输出电流较小,故的额定输出电流较小,故采用两片采用两片LM2576分别对单片机电路、车速检测分别对单片机电路、车速检测电路供电,以保证系统正常运行。
电路供电,以保证系统正常运行。
v其电源分配图如图其电源分配图如图7.2所示。
所示。
图图图图7.27.2电源分配图电源分配图电源分配图电源分配图武汉科技大学信息科学与工程学院7.2.37.2.3路径识别单元路径识别单元路径识别单元路径识别单元v路径识别单元是智能车控制系统的输入采集单元,路径
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