智能車圖像采集及優(yōu)化處理的研究

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 葛俊杰 何志琴 吳 遜

0 引言

隨著時代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，智能車越來越廣泛的出現(xiàn)在在人們的生活中。不同類型的智能車幫助人們完成不同的工作，具有攝像頭的智能車，對于環(huán)境的信息的判斷更為準(zhǔn)確，相對于普通的傳感器而言，圖像識別所需要處理更多的數(shù)據(jù)，增長的處理時間，影響的智能車控制性能。因而，在不減少圖像信息的基礎(chǔ)上，對圖像處理進(jìn)行優(yōu)化，縮短處理時間，對智能車的發(fā)展有著重要的意義[1]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 智能車圖像采集總體方案

智能車系統(tǒng)設(shè)計包括道路信息采集，道路信息處理，智能車控制算法，舵機控制和電機控制等部分。其中信息采集通過攝像頭采集賽道信息完成，信息的處理和控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)。舵機輸出和電機輸出屬于小車的執(zhí)行機構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在硬件上分為電源模塊、主控器模塊、舵機控制模塊、圖像采集模塊、電機驅(qū)動和測速模塊模塊。在智能車的控制方案實現(xiàn)中，采用恩智浦公司生產(chǎn)的K60系列芯片作為小車的控制器[2]，將攝像頭采集到的圖像信息進(jìn)行處理提取出虛擬賽道中線，通過虛擬中線計算出賽道偏差，再將偏差值入到控制算法中，從而計算出舵機的控制量，輸出到舵機完成小車方向控制。在小車的速度控制中，K60芯片通過讀取光電編碼器的脈沖信號計算出小車當(dāng)前速度。將當(dāng)前速度和小車目標(biāo)速度帶入控制算法中從而計算出小車電機驅(qū)動的控制量，輸出到到電機完成小車速度控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

(1)電源設(shè)計模塊

智能小車的電源的來源通常是由一塊鎳鎘電池提供。因智能車各模塊所需電壓大小不同，為保證系統(tǒng)各個模塊的正常工作，我們需要為各模塊提供穩(wěn)定、合適的工作電壓。TPS7350穩(wěn)壓電路為編碼器測速提供5v工作電壓。經(jīng)過TPS7350穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為5v的電壓再經(jīng)過TPS7333穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為3V電壓為攝像頭、OLED、K60主控板供電。

(2)轉(zhuǎn)向控制模塊

舵機是智能小車的控制環(huán)節(jié)中的執(zhí)行機構(gòu)。性能優(yōu)秀的舵機可以讓小車循跡更加完美。采用S-D5舵機，它使用簡單，便捷功能強大，可直接由控制單元的輸出口控制，供電電源為5V。

(3)電機驅(qū)動模塊

智能車的電機驅(qū)動模塊一般由三個部分構(gòu)成，分別是主控制器、驅(qū)動電路及電動機，根據(jù)實際控制需要智能車的驅(qū)動電路需要同時具有快速響應(yīng)性能和較強穩(wěn)定性，在接受主控制器產(chǎn)生的PWM波時，能夠迅速地實現(xiàn)對電機進(jìn)行的轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整。采用BTN7971芯片搭建的H橋電路來驅(qū)動電機的實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。BTN7971具有電路簡單、穩(wěn)定性好、散熱效果好的優(yōu)點。非常適合智能小車的使用。

(4)圖像采集模塊

采用OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭作為賽道信息采集的傳感器。OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理是：當(dāng)掃描到某點時，該點處圖像的灰度值被攝像頭中的圖像傳感芯片換成與灰度值對應(yīng)的電壓值，不同的電壓值經(jīng)過硬件二值化電路的處理轉(zhuǎn)化成高低電壓，這樣就完成電壓值的二值化處理（高低電壓）。最后將圖像信息數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口輸出到控制器[3]。

3 圖像優(yōu)化控制方案

傳統(tǒng)的圖像采集的方法大多是使用場中斷與行中斷配合進(jìn)行圖像的采集，這種方法采集圖像經(jīng)常出現(xiàn)消隱區(qū)等問題，采集過程不穩(wěn)定且在傳輸過程中需要控制器全程參與，這大大地降低了控制器運行效率[4]。為了改進(jìn)這一缺點，優(yōu)化方案如下：當(dāng)攝像頭采集到圖像時，發(fā)出場中斷信號，控制器捕捉到這一場中斷信號，觸發(fā)中斷，進(jìn)入場中斷服務(wù)程序，場中斷標(biāo)志置1。在場中斷服務(wù)程序中，初始化DMA傳輸，并使能DMA傳輸。之后控制器捕捉PCLK時鐘信號，PCLK時鐘信號為脈沖方波，它的每一個上升沿都將觸發(fā)一次DMA傳輸，每次DMA傳輸將一個字節(jié)的圖像信息送入控制器寄存器中，當(dāng)觸發(fā)n次后停止DMA傳輸。DMA傳輸停止時觸發(fā)中斷程序進(jìn)入中斷復(fù)位函數(shù)，在中斷復(fù)位函數(shù)里禁止DMA傳輸關(guān)閉場中斷，同時標(biāo)記圖像采集完畢。這樣就完成一場圖像信息的采集。

4 結(jié)束語

本設(shè)計在吸收結(jié)合前人的設(shè)計基礎(chǔ)上，建立了合理實用的硬件電路模塊。對于圖像采集部分，以ov7725攝像頭采集圖像信息，采用二值化電路對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理。在圖像處理中，在傳統(tǒng)賽道邊沿檢測算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計，降低了單片機的運算負(fù)擔(dān)，提高了圖像處理的的效率。