基于CMOS图像传感器的视觉导航小车设计

摘 要

以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12DGl28作为核心控制单元，设计了智能循线汽车控制系统的软硬件，主要包括传感器选型及信号采集处理、电机和舵机的控制等部分。采用CMOS传感器作为信息采集模块，安装在小车前部，检测白色跑道上的黑色引导线。根据黑线的位置，通过所设计的电路和程序对传感器信号进行采集处理。从而获取车模相对赛道的偏移量、方向、速度等信息。通过编写控制程序，产生PWM脉冲信号，对模型车转向舵机以及驱动电机进行控制。最后完成了智能车工程制作及调试，并实现车模能够沿着赛道高速稳定地行驶。

关键字：智能汽车；CMOS传感器；MC9S12DGl28；控制

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Abstract

Using 16bit Freescale microcontroller MC9S12DGl28 as the electmnic control unit(MCU)，this paper designed and developed a smart car which tracks a black line on the white raceway as fast and stable as possible．The hardware and software of the smart car were designed，which included the line tracking module，motor driving module，servo conttrolling module，and speed sensor module，etc．It selected CMOS sensors which named ov7620 to detect the black line.The relative position of the center black line on the raceway，direction and speed of the car were obtained and analysed by MCU.,according to controlling algorithms,PWM signals were sent to drive the DC motor and turn the servo.So the smart car can run by tracking the black line.

Key words：Smart car ;CMOS sensors;MC9S12DG128;control

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目录

第一章 绪 论 ................................................................................................................................. 5

1.1 选题背景 .................................................................................................................................. 6 1.2主要设计（研究）内容 ........................................................................................................... 6 1.3系统主要技术指标 ................................................................................................................... 7 1.4移动机器人视觉系统研究现状 ............................................................................................... 7 1.5移动机器人视觉系统的技术要求 ........................................................................................... 8 第二章 系统总体结构方案设计 ....................................................................................................... 10 2.1系统总体结构及其功能 ................................................................................................................. 10 2.2方案设计 ......................................................................................................................................... 10

2.2.1 处理器模块 ................................................................................................................. 10 2.2.2 路径识别模块 ............................................................................................................. 11 2.2.3电机控制的选择 .......................................................................................................... 12 2.2.4显示选择 ...................................................................................................................... 13 2.2.5速度检测模块的选择 .................................................................................................. 13 2.2.6运动控制策略 .............................................................................................................. 15

第三章 系统的硬件设计 ................................................................................................................. 16

3.1 单片机 .................................................................................................................................. 16

3.1.1控制器介绍 .................................................................................................................. 16 3.1.2 外部电路设计 ............................................................................................................. 19 3.2 电源模块设计 ...................................................................................................................... 20 3.3 图像处理模块 ........................................................................................................................ 22

3.3.1摄像头结构和工作原理 .............................................................................................. 22 3.3.2检测黑线原理 .............................................................................................................. 22

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3.3.3检测黑线方法 .............................................................................................................. 23 3.3.4 CMOS摄像头的选取 ................................................................................................. 24 3.3.5 OV7620的介绍 ........................................................................................................... 24 3.3.6 OV7620的输出特性 ................................................................................................... 24 3.3.7 图像存储方式 ............................................................................................................. 25 3.3.8 图像采集系统 ........................................................................................................... 25 3.4电机驱动模块 ......................................................................................................................... 26

3.4. 1 电机的选择 ................................................................................................................ 26 3.4.2 电机的特性 ................................................................................................................. 27 3.4.3 电机驱动模块的选择 ................................................................................................. 27 3.4.4 MC33886原理.......................................................................................................... 27 3.4.5 MC33886的使用说明 .............................................................................................. 30 3.4.6驱动电路的设计 .......................................................................................................... 32 3.5速度检测模块 ......................................................................................................................... 33 3.6 舵机控制模块 ........................................................................................................................ 34

3.6.1 舵机的介绍 ................................................................................................................. 34 3.6.2 舵机工作原理： ......................................................................................................... 35 3.6.3 舵机的基本资料 ......................................................................................................... 35 3.6.4舵机的控制方法 .......................................................................................................... 35 3.6.5 舵机的控制 ................................................................................................................. 36

第四章 智能小车的软件设计与实现 ................................................................................................. 39

4.1 软件设计环境 ........................................................................................................................ 39 4.2 软件整体设计方案 ................................................................................................................ 39 4.3 程序流程 ................................................................................................................................ 40 4.4 初始化 .................................................................................................................................... 41 4.5 程序代码 ................................................................................................................................ 43 第五章 运动控制策略 ..................................................................................................................... 45

5.1 PID控制器结构设计 ............................................................................................................. 45 5.2 PID运用 ................................................................................................................................. 46 5.3速度PID控制算法 ................................................................................................................ 48 5.4 方向控制策略 ........................................................................................................................ 49 5.5速度给定控制策略 ................................................................................................................. 50 第六章 总结 ....................................................................................................................................... 53

6.1主要工作情况及创新之处 ..................................................................................................... 53 6.2系统改进及发展前景 ............................................................................................................. 53 致 谢 .................................................................................................................................................. 54 附录A 程序 ....................................................................................................................................... 55 附录B 中英文翻译 ........................................................................................................................... 72 参考文献............................................................................................................................................... 83

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第一章 绪 论

对于移动机器人来说，定位和导航能力是非常重要的。在移动机器人相关技术研究中，导航技术是其核心技术，也是其实现真正的智能化和完全的自动移动的关键技术。移动机器人的导航方式很多，有惯性导航、磁导航、视觉导航、基于传感器(超声传感器、红外传感器、接触传感器等)数据导航、卫星导航等。这些导航方式分别适用于各种不同的环境，包括室内和室外环境，结构化环境与非结构化环境。其中，视觉导航方式具有信号探测范围宽、信息量丰富等优点，近年来广泛应用于移动机器人的自主导航，是移动机器人导航的一个丰要发展方向。目前国内外主要采用在移动机器人上安装车载摄像机的基于局部视觉的导航方式，视觉导航主要完成障碍物和路标的探测及识别。

视觉导航技术作为移动机器人领域中一项关键技术，近年来已经被越来越多的学者所重视，并进行深入的研究。目前视觉导航技术已经成为移动机器导航方法的主流趋势，并且在交通、医学、娱乐、物流等领域的得到广泛的应用。目前多数机器人视觉系统采用的是CCD摄像机，此类视觉体系中必须

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