基于面陣CCD的賽道參數(shù)檢測(cè)方法

　　前言

　　本文提出一種使用面陣CCD并且能夠有效利用S12單片機(jī)內(nèi)部硬件資源的路徑參數(shù)檢測(cè)方法。普通CCD圖像傳感器的工作電壓一般為12V，輸出NTSC或者PAL制式的模擬視頻信號(hào)。利用S12內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，配合從視頻信號(hào)中分離出的同步信號(hào)，可直接將圖像信號(hào)采集到單片機(jī)內(nèi)部RAM中，然后通過軟件對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，得到路徑各種參數(shù)。

　　技術(shù)難點(diǎn)與解決方法：

　　直接利用S12單片機(jī)中的AD采集視頻圖像，存在著采集速度、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)空間、處理速度、工作電壓以及同步信號(hào)分離等方面的技術(shù)難點(diǎn)。下面就這些問題及其解決方法進(jìn)行討論。

　　采集速度

　　跑道都是由直線和圓弧組成，檢測(cè)車模前方一段路線參數(shù)，只需要得到中心線上3~5個(gè)點(diǎn)的位置信息就可以估算出路徑參數(shù)(位置、方向、曲率等)。這些點(diǎn)的位置，通過圖像中若干行信息就可以檢測(cè)出來(如圖1所示)。因此，所需檢測(cè)圖像應(yīng)該是水平分辨率高、垂直分辨率低。

圖1 部分賽道形狀，賽道中心線檢測(cè)位置

　　將S12單片機(jī)采集的圖像分辨率特點(diǎn)，與賽道檢測(cè)對(duì)圖像分辨率的要求進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，在安裝CCD攝像頭的時(shí)候，只要將它旋轉(zhuǎn)90度，輸出的圖像信息也相應(yīng)旋轉(zhuǎn)90度(如圖2所示)。這樣一來，S12中的AD轉(zhuǎn)換器采集的圖像信息，水平分辨率與垂直分辨率就會(huì)互換，原來水平分辨率低、垂直分辨率高的圖像，就會(huì)變成水平分辨率高、垂直分辨率低的實(shí)際圖像，正好滿足道路參數(shù)檢測(cè)的要求。

圖2 賽道圖像以及旋轉(zhuǎn)90度后的賽道圖像

　　此外，我們還可以通過讓S12適當(dāng)超頻運(yùn)行、降低AD轉(zhuǎn)換器精度等方式，提高AD轉(zhuǎn)換器的速度。

　　圖像存儲(chǔ)空間：

　　由于將圖像水平旋轉(zhuǎn)了90度，需要將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，在整幅圖像的基礎(chǔ)上計(jì)算出路徑水平信息。S12內(nèi)部有8K字節(jié)的RAM空間。如果存儲(chǔ)300*48分辨率圖像則不夠，但可以存儲(chǔ)若干幅75*24的低分辨率圖像數(shù)據(jù)。從低分辨率圖像所得到的路徑參數(shù)，其精度仍可以滿足車?？刂频男枰?。一般情況下，只需要兩塊圖像存儲(chǔ)空間即可，一塊作為采集圖像的存儲(chǔ)空間，另外一塊作為處理緩沖區(qū)。

　　圖像信息處理速度：

　　如果采用75*24分辨率的圖像，每隔4行采集一行圖像信息，圖像采集所占用的CPU時(shí)間不會(huì)超過1/4。因此，大部分的CPU工作時(shí)間可以用于圖像處理以及運(yùn)動(dòng)控制。
　　由于采集到的圖像由白色背景和黑色中心線組成，所以檢測(cè)每一行路徑中心線位置可以通過簡(jiǎn)單的閾值比較的方式計(jì)算出來。在此基礎(chǔ)上，還可以通過參數(shù)擬合獲取道路位置、方向以及曲率等參數(shù)。另外，通過適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)閾值的方法，可以提高算法的穩(wěn)定性。核心算法如果處理相對(duì)簡(jiǎn)單，可通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，在圖像采集周期20毫秒內(nèi)計(jì)算出結(jié)果，達(dá)到實(shí)時(shí)圖像處理的要求。如果算法比較復(fù)雜，可以將核心算法采用匯編語(yǔ)言完成，以提高效率，配合CPU超頻運(yùn)行方法，保證算法需要時(shí)間小于20毫秒。

　　CCD器件工作電壓：

　　CCD器件工作電壓需要在12V左右。為此，需要在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，增加獨(dú)立12V電源模塊。或者也可以采用斬波升壓的方式獲得12V電壓，具體電路后面給出。

　　視頻同步信息分離：

　　為了采集圖像信息，CPU需要根據(jù)行、場(chǎng)同步信號(hào)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，采集穩(wěn)定的圖像。由于視頻信號(hào)的變化很快，所以需要另外設(shè)計(jì)同步分離電路。在本方案中，使用了LM1881視頻同步分離集成塊，獲取視頻同步信號(hào)，將此同步信號(hào)連到單片機(jī)的中斷輸入端口。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　硬件設(shè)計(jì)

　　基于S12單片機(jī)采集視頻圖像電路系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3 單片機(jī)采集圖像系統(tǒng)框圖

　　其中包括有S12單片機(jī)最小系統(tǒng)、同步分離電路、5V穩(wěn)壓電路、12V斬波升壓電路等。
　　其中S12單片機(jī)端口資源配置如下：

　　1) AD 輸入端口PAD02 ：輸入視頻模擬信號(hào);

　　2) 外部中斷口IRQ ：輸入視頻行同步信號(hào);

　　3) 數(shù)字IO口 PM1 ：輸入奇偶場(chǎng)信號(hào);

　　4) PWM輸出端口：PWM2 12V斬波升壓控制信號(hào);

　　部分系統(tǒng)電路圖見圖4、5。

圖4 12V斬波升壓電路

　　圖5 同步信號(hào)分離電路

　　圖5中，只需要將行同步信號(hào)和奇偶場(chǎng)信號(hào)輸入到單片機(jī)，視頻信號(hào)不經(jīng)過電容隔直直接輸入到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換口。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括由圖像采集模塊，圖像處理模塊以及通訊模塊。

　　其中圖像采集模塊的主要功能包括：

　　1)初始化模塊

　　2)外部中斷響應(yīng)模塊

　　3)AD 轉(zhuǎn)換中斷響應(yīng)模塊

　　圖像處理模塊主要完成采集圖像中的黑色中心線參數(shù)的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中，我們采用了簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)閾值比較的方法，得到每一行的中心線的水平位置，然后通過參數(shù)擬合得到中心線在圖像坐標(biāo)系中的位置、方向以及曲率。

　　為了能夠在PC上顯示出單片機(jī)采集的圖像信息，軟件中還包括了串口通訊模塊，通過軟件將內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)進(jìn)行顯示。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　下面是兩幅S12單片機(jī)采集到并通過串口傳送到微機(jī)顯示的前方直線路徑中心線的圖像，它們的分辨率為72 * 24。實(shí)驗(yàn)證明通過簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)閾值比較的方式，即可以將每行中心線位置計(jì)算出來，整個(gè)處理時(shí)間約為8毫秒左右。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，上述CCD檢測(cè)方法可以有效的獲取路徑圖像信息，并計(jì)算出其中的參數(shù)。

圖6 賽道中心線圖像：垂直位置

圖7 賽道中心線圖像： 傾斜位置

　　結(jié)語(yǔ)

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，通過合理放置CCD攝像頭，并且充分利用S12單片機(jī)內(nèi)部的硬件資源，可以獲得滿足路徑參數(shù)檢測(cè)需要的圖形數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以通過圖像處理算法，得到路徑參數(shù)。

　　當(dāng)然，利用CCD檢測(cè)路徑參數(shù)也存在一些缺點(diǎn)：比如占用RAM資源比較多、道路信息檢測(cè)速率受到限制(CCD每秒產(chǎn)生50幀圖像)、檢測(cè)有延時(shí)(1/50秒)等。

　　另外，除了使用單一CCD攝像頭檢測(cè)路徑參數(shù)之外，還可以采用光電管與CCD相結(jié)合的方式，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。