引言

“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽是以HCS12 MCU為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。組委會(huì)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車并在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，其中比賽限制規(guī)則之一就是傳感器的總數(shù)不能超過(guò)16個(gè)。由于路徑識(shí)別在本智能車控制系統(tǒng)中的重要地位，而路徑識(shí)別結(jié)果的好壞又與傳感器的選擇、傳感器的數(shù)量有直接關(guān)系，因此，本文針對(duì)應(yīng)用于路徑識(shí)別的傳感器進(jìn)行討論。

圖1 智能車整體實(shí)物照片

傳感器概述

光電傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器是較為常見(jiàn)的應(yīng)用于路徑識(shí)別的傳感器。光電傳感器物理結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理方式簡(jiǎn)單但檢測(cè)距離近。CCD/CMOS能更早感知前方路徑信息，但數(shù)據(jù)處理方式復(fù)雜，將CCD/CMOS圖像傳感器應(yīng)用于路徑識(shí)別是發(fā)展趨勢(shì)。

紅外傳感器分為數(shù)字與模擬兩種。數(shù)字紅外傳感器硬件電路簡(jiǎn)單但采集路徑信息粗糙，模擬式通過(guò)將多個(gè)模擬紅外傳感器進(jìn)行適當(dāng)組合，可以再現(xiàn)賽道準(zhǔn)確信息，但需占用微處理器較多的AD端口。CCD/CMOS圖像傳感器可分為線陣式與面陣式兩種。線陣式圖像傳感器應(yīng)用于系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度有特殊要求的場(chǎng)合，一般價(jià)格較昂貴。面陣式圖像傳感器應(yīng)用于普通的視頻檢測(cè)，價(jià)格較便宜。對(duì)于HCS12單片機(jī)的處理能力，在這里只能選用CCD/CMOS圖像傳感器的信號(hào)輸出格式為電視信號(hào)。

設(shè)計(jì)方案

針對(duì)第一屆全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽的賽道特色，基于上述對(duì)傳感器的說(shuō)明，下面討論紅外傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器的路徑識(shí)別方案。

基于反射式紅外傳感器的數(shù)字光電傳感器陣列的路徑檢測(cè)方法具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，且單片機(jī)易于處理。雖然大賽限制傳感器為16個(gè)，但仍不足以解決精度問(wèn)題，而且光電傳感器本身存在著檢測(cè)距離近的問(wèn)題，不能對(duì)遠(yuǎn)方的路徑進(jìn)行識(shí)別，降低了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，影響了智能車的快速性和穩(wěn)定性。它利用傳感器對(duì)白色和黑色的反射率大小,把最大、最小值之間分為n個(gè)index區(qū)間，通過(guò)對(duì)各個(gè)傳感器index值的組合基本能夠確定智能車的位置,從而對(duì)位置和行駛方向都能做較精確的控制。但這種方法對(duì)識(shí)別道路的計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，且檢測(cè)距離也不是很遠(yuǎn)[1]。

基于圖像傳感器的智能控制，利用CCD/CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)在小車前方虛擬出24個(gè)光電傳感器，能夠精確地感知智能車的位置，并且硬件安裝簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。基于CCD/CMOS傳感器的路徑檢測(cè)方法具有探測(cè)距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，能夠盡可能早的感知前方的路徑信息進(jìn)行預(yù)判斷，再現(xiàn)路徑的真實(shí)信息。與光電傳感器陣列配合使用具有遠(yuǎn)近結(jié)合的優(yōu)勢(shì),且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。但大賽所要求的MC9S12DG128，總線時(shí)鐘最高25M，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高級(jí)的圖像算法和控制算法,且硬件電路較為復(fù)雜。

將以上各方案結(jié)合MC9S12DG128 MCU的運(yùn)算能力，在追求系統(tǒng)簡(jiǎn)潔性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能車控制系統(tǒng)路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性，我們選擇了基于CCD/CMOS圖像傳感器的智能控制方案應(yīng)用于最終的大賽。

具體應(yīng)用

我們采取了基于圖像傳感器的路徑識(shí)別方案，其參賽的智能車的整體實(shí)物照片如圖1所示。邀請(qǐng)賽指定唯一微處理器為Freescale HCS12DG128B16位MCU，128K字節(jié)的Flash EEPROM，8K字節(jié)的RAM，2K字節(jié)的EEPROM，2個(gè)異步串行通信接口(SCI)，2個(gè)串行外圍接口(SPI)，1個(gè)8通道的輸入捕捉/輸出比較(IC/OC)增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，2個(gè)8通道、10位轉(zhuǎn)換精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，1個(gè)8通道的脈沖調(diào)制器(PWM)，豐富的I/O資源，內(nèi)部集成PLL鎖相環(huán)，可以提高系統(tǒng)時(shí)鐘工作頻率。然而，S12單片機(jī)的上限內(nèi)部總線頻率25MHz。在此限制條件下，將微處理器的總線時(shí)鐘設(shè)定為24MHz。

圖2 LM1881視頻同步分離電路

根據(jù)智能車賽道引導(dǎo)線與其背景的巨大反差的特點(diǎn)，這里只需要選擇具有全電視信號(hào)輸出的黑白圖像傳感器即可。由于所選的黑白圖像傳感器為PAL制，故行頻為64ms，場(chǎng)頻20ms，行同步為12ms(行消隱脈沖4.7mS)，場(chǎng)同步脈沖寬度為25個(gè)行周期(2.048 ms)，去掉行同步時(shí)間，則每行的有效信息時(shí)間是52ms。通過(guò)將圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)接至視頻同步分離芯片LM1881的視頻輸入端，就可以得到行同步、場(chǎng)同步、奇/偶場(chǎng)同步信號(hào)等，這里只使用行同步、奇/偶場(chǎng)同步信號(hào)作為單片機(jī)進(jìn)行視頻AD采集的控制信號(hào)。使用LM1881提取視頻信號(hào)中的行、場(chǎng)同步信號(hào)的電路原理如圖2所示。

處理器MC9S12DG128進(jìn)行AD采樣與轉(zhuǎn)換的時(shí)間要求，這里使用24MHz的總線速度，這樣每采集一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間大約是2ms，每行的掃描時(shí)間是64ms，去掉行消隱與行同步時(shí)間12ms，每行有效信息時(shí)間為52ms。從數(shù)據(jù)可靠性與穩(wěn)定性的角度考慮，我們選擇每行采集24個(gè)點(diǎn)，每場(chǎng)采集200行，但在實(shí)際應(yīng)用中，每場(chǎng)采取每間隔10行采集一行數(shù)據(jù)的策略，如此操作就能夠滿足控制系統(tǒng)的精度要求。圖像傳感器每場(chǎng)的數(shù)據(jù)變換成一個(gè)20行、24列的一個(gè)二維數(shù)組。由于微處理器HCS12DG128B的AD默認(rèn)參考電壓為5V左右，而視頻信號(hào)的白電平為1.2V左右、黑電平0.5V左右，為了體現(xiàn)白黑的巨大差異，這里將A/D采集的參考電壓調(diào)整為1.5V，從而使得AD采集的正常結(jié)果通常是在85～204之間。

結(jié)語(yǔ)

本文從傳感器與路徑識(shí)別的關(guān)系出發(fā)，討論了紅外傳感器與CCD/CMOS圖像傳感器識(shí)別方案的優(yōu)缺點(diǎn),并優(yōu)選出CCD/CMOS圖像傳感器用于智能車路徑識(shí)別與傳感。通過(guò)將基于面陣CCD/CMOS圖像傳感器的路徑識(shí)別方案應(yīng)用于第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽，并從眾多使用紅外傳感器的參賽隊(duì)伍中脫穎而出，證明了該方案較紅外傳感器在路徑識(shí)別中更具潛在優(yōu)勢(shì)。