第二届光电大赛.docx

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第二届光电大赛

第二届全国光电设计大赛理论方案报告

一、参赛题目名称

基于太阳能的光电导航搬运车

二、研究内容

1、激光导航系统部件原理

1）激光发射接收器结构

如图，激光发射接收器是由一个激光发射器和若干个包围在发射器周围的光敏管组成。

由于激光的聚光性很好，所以，发射器发出的激光并不会被周围的光敏管接收到。

2）微棱镜反光膜

微棱镜反光膜是在材料上密集布满微小的全反射棱镜（如图），从而使任何角度射来的光线都会按照原路返回。

3）激光探测系统

如图，中心红圈发出激光束，当激光束照射到标志物（带有反光膜），沿着原路返回的激光光晕环（粉红部分）便会被周围分布的光敏管探测得到，从而输出信号。

2、CMOS图像处理

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件）和CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件）。

CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。

尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。

因此，我们的设计方案采用CMOS摄像头作为图像处理导航系统的核心部件。

3、单片机

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

我们拟采用适用于中低速单片机的基于FIFO的数字图像采集处理系统，用MC9S12DG128单片机进行实时图像采集和控制。

该系统机构简介,成本低廉，通用性强，相对成熟。

1）主要芯片

MC9S12DG128是Freescale公司出品的16位单片机，其采用增强型16位HCS12CPU，内部总线时钟最高可达25MHz；片内资源包括8KBRAM、128KBFlash、2KBEEPROM、8路10位A/D转换器、SCI、IIC、SPI串行通讯模块、PWM模块以及多路CAN总线模块等。

同时它支持Freescale特有的背景调试模式（BDM），可以进行在系统调试，使开发效率大大提高。

OV7620是美国OmniVision公司出品的彩色/黑白CMOS图像传感器。

这是一种自带图像敏感阵列和A/D转换元件、能直接提供8/16位CCIR601、CCIR656等格式视频数字信号的彩色／黑白图像传感器，图像输出最高速度可达60S/s，最大图像分辨率为644×492，5V供电；它具有自动增益、自动曝光、自动白平衡、边缘增强、伽玛校正等控制功能；可以通过I2C总线进行设置；同时OV7620具有图像开窗输出的功能，即允许用户可根据实际使用需要设置其内部寄存器，使其只输出完整图像中的任意一矩形区域内的信号，其范围从4×2到644×492。

这种功能从硬件上屏蔽了图像中不需要的部分，只保留用户需要的部分图像，大大减少了图像的数据量，提高了系统的效率。

 FIFO存储器没有地址线，按照先入先出的顺序进行顺序读写，因此是接口电路十分简洁，读写速度快，允许读写动作同时进行。

IDT7205是IDT公司生产的高速、低功耗异步FIFO，容量为8192×9bit，存取时间最小只有12ns，有空、半满、满三个标志位，最大功耗660mW，工作电压+5V；D0～D8为数据输入总线，Q0～Q8为数据输出总线，为读写控制端，分别在信号下降沿锁存、输出数据，是FIFO写满标志位，此外，IDT公司还提供256B～64KB不同容量的FIFO可供选择。

2）系统硬件结构设计

由于所使用的MC9S12DG128单片机的频率较低，最高只有25MHz，而摄像头的图像输出速率一般至少有13.5MHz（以30万像素为例），每个像素的信号保持时间不到75ns，若使用单片机直接采集图像传感器输出的数字信号，则会受到其时钟频率的影响，难以将信号完整地采集进系统。

因此本系统使用FIFO芯片IDT7205作为图像传感器与单片机之间的数据缓存，通过设计一定的逻辑电路，使图像传感器自动地将图像数据写入FIFO，同时MCU开始从FIFO读出数据。

图像采集系统结构框图如图1所示。

摄像头同步信号分析

OV7620的同步信号时序如下：

垂直同步信号VSYN为两个正脉冲之间扫描一帧的定时，即完整的一帧图像在两个正脉冲之间；水平同步信号HREF扫描该帧图像中各行像素的定时，即高电平时为扫描一行像素的有效时间；像素同步信号PCLK为读取有效像素值提供同步信号，高电平时输出有效图像数据，若当前图像窗口大小为320×240，则在VSYN两个正脉冲之间有240个HREF的正脉冲，即240行；在每个HREF正脉冲期间有320个PCLK正脉冲，即每行320个像素。

这就是VSYN、HREF、PCLK三个同步信号之间的关系[2]。

OV7620同步信号时序如图2所示。

数字图像信号的采集

为了将图像传感器输出的图像信号自动地存入FIFO，只需要通过一个“与非门”就能产生符合FIFO要求的写时钟脉冲，如图3所示。

将帧同步信号VSYN引入单片机输入口，复位后V_EN置0，“与非门”关闭，输出1。

当单片机检测到VSYN上跳后，V_EN输出1，打开“与非门”。

当摄像头输出有效像素时，HREF为高，PCLK高电平时像素数据有效，三者“与非”后输出为0，使信号产生一个下跳，触发FIFO锁存OV7620输出的图像数据。

经过图3电路处理后的系统时序如图4所示。

写信号已符合脚的时序要求，经实际使用，功能正常。

 当一帧图像写入FIFO后，单片机根据时序要求在FIFO的

脚上产生相应脉冲，即可从FIFO中读出图像数据，按照一定格式存入内存，进行后续处理。

3）单片机图像采集系统的优化

虽然单片机通过一定的硬件结构等可以实现图像信号的采集，但是由于内部结构的原因，其进行大数据量运算的能力有限，进行图像处理速度较慢。

通过以下方法进行优化，可以使单片机进行一些简单的图像处理和实时控制任务。

减小图像数据量

CMOS图像传感器具有图像开窗输出（Windowing）的功能，通过设置其内部相应寄存器，可以使CMOS只输出特定区域内的图像数据。

如设置CMOS使其只输出画面中用户所关心部分的图像信号，图像数据量则可大大减少，同时也减轻了后期进行图像处理的难度，提高了系统的性能。

在要求图像精度不高的情况下，为了进一步降低图像数据量、减轻单片机负担，可以采取隔行、隔像素采集的方法，即在PCLK和HREF信号上加入计数电路，每隔N行和M个像素采集一次，这样在保证图像可用的情况下数据量可减小为原来的1/（N×M）。

FIFO异步读写图像数据

IDT7205具有两套独立的读写指针，可以同时进行读和写操作而互不干扰。

当图像输出速度比单片机读入速度快许多时，为了提高采集效率，可以让图像读写同时进行，即当新的一帧图像开始写入FIFO后，单片机就开始读取图像数据，读写同时进行，以减少单片机等待数据写入FIFO完成的空闲时间。

优化程序算法

单片机并不适合完成复杂的图像处理算法，如卷积等运算。

因此在编写图像处理算法时应根据单片机特性，尽量避免使用浮点运算，要简化算式，或者可以牺牲一定精度来换取时间。

以图像分割的大津算法（OTSU）为例，该算法遍历0～255个灰度值，以找出一个最小的灰度u，使得到的g最小。

OTSU原始算式：

g=Wa×（u0-u）2+Wb×（u1-u）2

OTSU改进算式：

g=Wa×Wb×（u0-u1）2

使用原始算式和改进的等效算式进行计算时，每次迭代中改进算式比原始算式少进行2个乘法运算，其速度约提高1/3。

基于FIFO和单片机的图像处理系统，结构十分简洁，成本低廉。

虽然单片机并不十分适合于大数据量的图像处理任务，但通过优化和精度与性能的折中，可以完成一些简单的基于图像的处理任务，并具有一定的实时性。

，使用一片MC9S12DG128单片机运行于24MHz的总线时钟并配合IDT7205、OV7620图像传感器实现了图像采集、处理和小车控制。

因此该系统基本满足我们的要求且最大限度的

三、研究方案

1、部件安装设定

1）激光发射接收器安装

由于比赛是在室外进行，考虑到太阳光的强背景光辐射对光敏管的影响，激光发射接收装置将安装在小车底部，利用车身阴影来减小强光对光敏管的影响。

同时我们在光敏管表面加红膜，用于滤掉除红光之外的自然光。

再加上人工滤波电路使其响应波长控制在激光发射器发射的激光波长范围内。

2）COMS摄像头安装

摄像头安装在小车上光电池板前部，设定一定的向下倾斜角，来减小拍摄范围。

3）障碍物外套

如图，整个外套由黑色硬纸板做成的略比障碍物大的锥形纸筒套。

在其底部贴上一圈反光膜，是激光导航可以识别出障碍物。

上部全黑色为CMOS图像识别障碍物提供了方便，减小了识别干扰。

2、激光导航实现方案示意图

图一

图二

3、CMOS图像导航实现方案示意图

1）小车左转控制方案

CMOS图像采用逐行扫描处理，当障碍物出现在画面中时COMS导航系统开始工作，此时小车仍向着障碍物行驶。

当障碍物的像到达画面中事先在试验中标定好的某一行位置时（如图），单片机发出信号控制小车开始向左转向，并且扫描方式改为逐列扫描。

2）小车右转控制方案

当障碍物的像从画面中移出时，单片机发出信号控制小车开始右转。

当激光探测器探测到第二个障碍物时小车再次切换为激光导航，向第二个障碍物前进。

再次重复前面的步骤，直到到达装载区。

若小车右转过程中画面中再次出现障碍物的像，则单片机输出信号控制小车左转，直到像移出画面，单片机发出信号控制小车继续右转。

4、动力及方向控制系统

如下图，采用1:

10电动遥控大脚车为智能车车体原型，保留原有的车身底盘和动力及转向系统。

用自制的单片机控制系统取代原有的遥控控制系统。

去除一些不必要的负重以减轻车体重量，如可充电池，防撞板等。

再利用其原有的车身支柱设计一个载重平台来放置重物以及CMOS摄像头和光电池。

车身整体设计思路如下图，CMOS摄像头安装在光电池下方以尽量避免太阳光干扰，与地面有一定倾角。

激光发射与接收装置安装在贴近地面的一层。

四、技术路线及可行性分析

对于本此比赛题目，我们认为需要解决的关键问题有两个：

一、光电导航系统最大的问题——太阳光的强背景辐射。

为此，我们在远程导航时使用激光导航方案，此方案充分利用了激光的方向性好、亮度高、单色性好等特点，加上光敏管的安装位置利用了小车自身阴影等，成功的解决了该问题。

二、CMOS图像干扰问题。

为避免摄像头拍摄到多出障碍物影像，导致导航混乱，我们为摄像头设定了向下的倾斜，限定了摄像头的拍摄范围，从而去除了多个障碍物进入拍摄范围的可能性。

五、拟解决的关键问题

1、激光导航时，如何避免后面障碍物被激光照到导致的导航误差（拟加入光强判别模块，需测试）。

2、由光电池供能的电机如何保证转速稳定（拟加入稳压器件，需实物测试）。

六、特色与创新点

关键词：

多传感器融合双导航系统远距离激光导航近距离CMOS图像处理避障自主性全程误差校正

我们设计的太阳能光电导航搬运车，其核心构思是利用激光导航和COMS图像处理导航来做到全程误差校正导航。

对于激光导航，我们充分发挥了激光本身的三大特点，即定向发光、颜色纯度高和亮度高。

我们设计的激光导航系统部件由激光发射器和激光接收器两部分组成。

接收器实质上是由一组包围在发射器周围的光敏管组成的。

由于光敏管包围在发射器周围，这样就确保了返回的激光能够被接收到而不会出现遗漏，从而导致导航偏差。

我们将激光发射接收器设计在了小车底部，这样的设计可以利用车身自己的阴影来减小外界光对光敏管的影响，再加上人工滤波器和在光敏管表面加上红膜，进一步提高了光敏管接收信号的准确性。

如果说激光导航系统为我们的设计提供了远程导航，那么COMS图像则为我们提供了近程导航的可能。

通过利用COMS图像和单片机协同合作的方式，我们巧妙的使小车拥有了近距离避开障碍物的功能。

在激光导航和COMS导航二者的共同合作下，我们的搬运车拥有了极其灵敏的导航功能，自主性极强，在整个行进过程中能够全程对误差进行校正，确保顺利到达装载区。

七、时间进度安排

五月中下旬确定需要组件，列出清单，进行采购。

六月进行实物安装与调试，并对单片机所编程序进行仿真模拟。

七月将车与芯片整合，并进行实战模拟，寻找问题，解决问题。

提高两者的契合度。

八、经费预算

1:

10遥控模型大脚车：

580元

黑白CMOS摄像头：

45元

0.2平方米太阳能光电池板：

500元

红光镭射灯头：

80元

MC9S12DG128CPV智能车专用芯片+PCB板：

40+30元

其他电子元件与材料：

200元

合计：

1475元

九、参赛队伍简介

1.队伍成员：

顾才琪、包锡平、许俊鹏，三人均为南京理工大学紫金学院在校大学生。

2.参赛目的：

锻炼自己，能够对自己所学专业有更深层次的了解。