汽车电子 AUTO 基于CMOS摄像头传感器的巡线 小车系统设计 大连交通大学大学 电气信息学院 张孟 景显强 张志楠 李美健 陈少华 随着汽车工业和现代科技的不断 发展，汽车驾驶的智能化特别是辅助驾 驶和自动驾驶智能化技术将是21世纪汽 车发展的一个重要方向。本文将介绍以 CMOS摄像头为传感器的小车模型为基 础，实现小车模型巡黑色引导线自动驾 引导线的方向位置，而后将判断信息即 转向角度值折算成控制舵机的PWM的 占空比输出，对舵机的转向进行控制， 使小车前端的舵机摆动随路况的变化而 变化，同时将速度信息折算成PWM的 占空比，对电机进行加速减速控制，从 驶的系统。 而实现小车自动巡线驾驶。 系统工作原理及主要元器件选择 系统工作原理 系统通过CMOS摄像头采集黑色引 导线数据信息，进行基本的路况判断， 将图像值送入MCU并进行动态阈值比较 和二值化图像处理，根据处理后的二值 化图像，提取出黑色引导线的特征，并 根据特征值计算出车身与黑色引导线之 间的夹角，从而判断出巡线小车与黑色 主要元器件选择 ● 传感器 巡线小车系统的方案主要是传感器 的选择，一般分为反射式红外光电传感 器和摄像头传感器,其中摄像头传感器 还可分为CCD摄像头和CMOS摄像头两 种。对于CMOS摄像头传感器，它的观 测距离相对红外光传感器较远，且能直 接输出数字量，外围电路相对CCD更为 简单。故本系统选用COMS摄像头作为 传感器。 ● 核心微控制器 本系统采用MC9S12DG128微控制 器作为主体控制芯片。MC9S12DG128 是Freescale公司推出的S12系类微控 制器中的一款增强型16位微控制器。 它采用增强型16位CPU，片内总线时 钟频率最高可达25MHz；片内资源包 括8KB RAM、128KB FLASH、2KB EEPROM；SCI、SPI、PWM串行接口模 块；PWM模块可设置成4路8位或2路16 位，可宽范围选择逻辑时钟频率，特别 适合用于控制多电机系统；它还提供2 个8路10位精度A\D转换器、控制器局域 网模块CAN和增强型捕捉定时器，并支 图1 系统整体结构框图 50 万方数据 2009.06 图2 电机驱动电路图 

汽车电子 AUTO 转 向 部 分 主 要 采 用 舵 机 ， 通 过 MCU输出的PWM的占空比不同来改变 舵机的转角，从而控制小车的转向。一 般来讲，舵机主要由以下几个部分组 成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电 位计5k、直流电机、控制电路板。工作 时，控制电路板接受来自信号线的控制 信号，控制电机转动，电机带动一系列 齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机 的输出轴和位置反馈电位计是相连的， 舵盘转动的同时，带动位置反馈电位 计，电位计将输出一个电压信号到控制 电路板，进行反馈，然后控制电路板根 ● 电机部分设计 电机驱动芯片主要采用Motorola公 司的MC33886驱动芯片，此芯片是理想 的控制小功率直流电机和双向牵引电磁 线圈的H桥单片集成电路。该集成电路 整合了内部控制逻辑，电荷泵，栅极 驱动器，以及低RDS MOSFET输出电 路。33886可以在电流高达5A的情况下 控制连续电感DC负载。输出负载可以 在高达10MHZ的情况下进行脉宽调制 (PWM)。MC33886驱动芯片的电路图如 图2所示。 视频分频部分设计 由 于 所 采 用 的 CMOS 摄 像 头 的 像 素 为356×292，而实际 需 要 采 集 的 像 素 只 有 36×36，所以需要对 CMOS摄像头的行标志 脉冲信号以及列标志脉 冲信号进行分频，为了 得到36×36的像素，所 以需要先将这两种信号 8分频，得到44×36帧 图 像 ， 然 后 通 过 程 序 将其放入36×36的数组 中，从而得到理想的帧 像素矩阵。视频分频电 路如图3所示。 转向控制部分设计 图4 系统软件流程图 图3 分频电路图 持背景调试模式（BDM）。此外,它内 部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大 大简化我们的程序设计。 硬件设计 本系统主要由车模、CMOS摄像 头、舵机、MC9S12DG128B单片机系 统、直流电机，测速装置等部分组成。 其中CMOS摄像头负责路况信息的数据 采集，舵机负责控制转向，直流电机采 用MC33886芯片驱动负责小车的行驶， MC9S12DG128B单片机系统负责小车 的整体配合，测速装置负责速度信息的 反馈。 电源电机部分设计 ● 稳压电源设计 稳压电源部分主要包括5V和6V电 压输出，分别对CMOS摄像头，分频电 路，MC9S12DG128B单片机，电机驱 动，以及舵机进行供电。 5V的稳压电源主要采用了LM2576 稳压芯片，此种降压型开关稳压器，具 有非常小的电压调整率和电流调整率， 具有 3A的负载驱动能力，内置过热保 护电路和过流保护电路，用时比较简单 且外围元件较少，内置频率补偿电路和 固定频率振荡器，是常用的稳压元件。 6V的稳压电源主要采用7806稳压芯 片，此种芯片为最常用的6V稳压芯片， 外围电路及其简单，应用广泛。 万方数据 2009.06 51 

汽车电子 AUTO 据所在位置决定电机的转动方向和速 计算出黑色引导线各个特征坐标在 度，从而达到目标停止。 小车图像坐标之间的角度，并求出这些 软件设计 基于上述硬件原理和相关分析，软 件部分的主要任务是完成帧图像的处理 以及转向和电机部分的控制。软件流程 图如图4 所示。 帧图像处理 采集到一帧图像后，将这些数据 存入36×36的数组中，由于光线的强度 不同，在一帧图像的不同区域的灰度值 区别较大，必须进行降噪处理，提取黑 色引导线信息。即将这一帧的数据进行 阈值处理，这里采用动态阈值对实时帧 数据进行二值化处理。首先，在采集了 一帧图像数据后，找出图像数据中的最 大值和最小值，取最大值和最小值的平 均值作为动态阈值，但在实际调试过程 中发现，这种计算方法计算出来的阈值 有些偏大，虽然大体上提取了路况信 息，但无法准确的表达路况信息，所 以，通过实验调试，取最大值与最小 值的1／3，此时的动态阈值比较符合 要求，提取的路况信息比较接近真实 的路况，但仍然有一些噪声点，容易影 响对图像的判断。在这种情况下，需要 采用平均值法进行数字滤波，去除噪声 点，即先取2—3组数据，取其平均值， 然后将这些数据同动态阈值进行对比， 从而得到准确清晰的二值化图像。 然后，将采集到的去噪后的图像 重新放入36×36的数组中，分别取第5 行，第10行，第20行以及第30行的黑色 引导线特征点的边缘坐标，记为xі ,yі 。 取每行两边缘坐标的均值作为黑色引导 线的中心点坐标，记坐mі 。给每帧图像 设立一个用于判别小车位置的坐标系， 将17列设为Y轴，将第35行设为X轴， 根据算式： 52 万方数据 2009.06 合着3G时代的节拍 邦凯高能电源方案亮 相津门 于5月14日至17日在天津举办的第 七届国际手机产业展览会，是3G牌照 发放之后的第一场大规模手机展会。 TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三大3G标 准均将携其旗下各自产品同场竞技。 本届天津手机展标志着我国手机行业 已进入3G时代。 与之相应的是，手机部件也须快 速跟上3G时代的要求。在本次手机展 览会上，邦凯公司作为手机主要部件 参展商之一，为展会带上了属于邦凯 自主研发、拥有独立自主知识产权， 专用于3G需要的高能电源方案——3G 高容商务电池（固态聚合物电池）。 3G高容商务电池是一款定位于3G 手机和高端商务手机的专用电池。它 具有比普通电池高5～15%的容量（高 容量）、循环性能好（400次循环容量 保持率≥80%，高可靠性），和安全 性能好（高安全性）三大特征。与常 规锂电池比，具有不爆炸、不漏液、 厚度膨胀小、良好的抗过充性能和良 好的高温性能等优势。有关专家称， 在目前2G仍占我国市场主导地位的当 下，邦凯能够如此快地推出适用于3G 的手机电源解决方案，充分体现了邦 凯公司具有的战略眼光及其强大研发 实力，也是邦凯在手机锂电业界高居 无可置疑行业领先地位的表现。 几乎紧接着本届天津手机展结束 后不到一周，作为我国锂电行业领军 企业的邦凯公司就将在24日于深圳开 幕的“第四届华南锂电（国际）高层 技术论坛”上担纲承办角色。公司开 发的动力电池、3G高容电池、上网本 电池相继闪亮登场，将成为锂电论坛 的新看点。 角度的平均值作为黑色引导线与巡线小 车的夹角，通过一个比例系数将此夹角 转化为PWM的占空比值输出，对舵机 的转向进行控制。 转向与电机部分控制 转向部分控制算法采用二维模糊控 制器对系统进行控制。模糊控制的输出 只是一个等级，然后乘以角度和速度的 系数就可以得到角度和速度的精确值， 角度直接对舵机进行控制，速度值则作 为速度闭环控制的给定值。 电机部分的闭环控制采用较常用的 数字PID控制，由于考虑到节省MCU的 计算时间以及编程的简单化，所以采用 增量式PID控制策略。 增量PID的控制公式： 其中： 为第n次偏差； 为第n次输出增量； 为第n-1次 偏差； 为第n-2次偏差。本系统通过 大量的测试，取 。 结 语 本文设计的系统是一种以CMOS摄像 头为传感器的巡线小车模型，并在实际 开发的基础上，介绍了系统的原理；给 出了具体的硬件、软件设计。此系统为 智能汽车的设计提供了一种模型。相信 在不久的将来必将的到广泛的应用。 参 考 文 献 [1] 姜志玲. 简易智能电动车的设计[J]——华东交通大学学报,2005年 第22期 [2] 黄素贞，尹立新，苗洪庆.黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及 应用——国外电子元器件，2004年第7期 [3] 王威.HCS12微控制器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出 版社，2007. 

基于CMOS摄像头传感器的巡线小车系统设计 作者： 张孟， 景显强， 张志楠， 李美健， 陈少华 作者单位： 刊名： 英文刊名： 大连交通大学大学电气信息学院 电子元器件资讯 ECDN 2009(6) 年，卷(期)： 参考文献(3条) 1.姜志玲 简易智能电动车的设计[期刊论文]-华东交通大学学报 2005(22) 2.黄素贞;尹立新;苗洪庆 黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及应用[期刊论文]-国外电子元器件 2004(07) 3.王威 HCS12微控制器原理及应用 2007 本文读者也读过(4条) 1. 肖立.佟仕忠.丁启敏.毕雅宁 基于PIC单片机控制的智能巡线小车[期刊论文]-中国仪器仪表2005(3) 2. 唐建文.TANG Jian-wen 基于CMOS摄像头的智能小车导航控制[期刊论文]-装备制造技术2010(6) 3. 惠鸿忠.李健.成敬敏.温洲.邢彦杰 基于单片机控制的智能巡线小车的研制[期刊论文]-电工技术2009(10) 4. 黄旭.刘丽娟.杨丰 基于AVR单片机的自动巡线小车[期刊论文]-中国科技博览2009(9) 引用本文格式：张孟.景显强.张志楠.李美健.陈少华 基于CMOS摄像头传感器的巡线小车系统设计[期刊论文]-电子元器件资讯 2009(6)