基于面阵CCD的赛道参数检测方法.doc

基于面阵CCD的赛道参数检测方法
卓晴王琎王磊
（清华大学自动化系北京100084）

摘要：在全国大学生智能车比赛中，控制车模运行需要检测赛道参数。本文提出了一种使用面阵CCD进行赛道参数检测的方法。该方法充分利用了MC9S12单片机内部硬件资源，直接采集CCD输出的模拟信号，可以获得满足参数检测需要的图像，进而可以计算出赛道参数。实验证明该方法简便、有效。

关键词：CCD；参数检测；MC9S12单片机

AMethodofRacetrackParameterDetectionbasedonPaneledCCD
ZHUOQing,WANGJin,WANGLei
(DepartmentofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing100084)

Abstract:IntheNationalUniversityIntelligentAutomotiveCompetition,themodelcariscontrolledbasedonracetraceparameterdetection.ThispaperproposesonemethodofracetraceparameterdetectionbasedonpaneledCCD.Itmakesfulluseoftheon-chiphardwareresourcesofMC9S12MCUtosampleanalogvideosignaldirectlyfromCCDandacquiresimagedatawhichmeetstheneedofparameterdetection.Baseontheimage,racetraceparametercouldbeestimated.Theexperimentresultshowsthatthismethodissimpleandefficient.

KeyWords:CCD;ParameterDetection;MC9S12MCU

前言：
在第一届飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛中，需要制作一个以MC9S12DG128单片机（下文简称S12）为核心控制单元并可以自主识别路径的模型赛车进行比赛。赛道底色为白色，标有黑色中心线。如何准确识别道路中心线参数（位置、角度、曲率等），计算出赛车与道路中心线的相对位置与相对角度，是整个控制系统中的关键。
检测路径参数可以使用多种传感器件：光电管阵列、CCD图像传感器、激光扫描器等等。其中，最常使用的方法为光电管阵列、CCD图像传感器（1）。各种检测方法都有相应的优缺点。如何有效利用单片机内部资源进行路径参数检测，也是确定检测方案的关键。

基于光电管阵列检测赛道参数的方法主要具有如下的缺点：
赛道空间分辨率低：一方面受到大赛规则（2）关于传感器个数的限制；另一方面，过多的光电传感器在固定安装、占用CPU输入端口资源等方面也有限制；
识别道路信息少，一般只能检测路径中心位置；
由于固定位置的限制，光电管只能安装在车模前面不远的位置，观测信息前瞻性差；
容易受到环境光线的干扰；
以上问题会影响车模控制精度以及运行速度。通过一定的硬软件设计，虽然可以部分解决上述的问题（这方面将有另文叙述），但相比之下，使用面阵CCD器件则可以更有效的解决这些问题。CCD器件在比赛规则中算作一个传感器。普通CCD传感器图像分辨率都在300线之上，远大于光电管阵列。通过镜头，可以将车模前方很远的道路图像映射到CCD器件中，从而得到车模前方很大范围内的道路信息。对图像中的道路参数进行检测，不仅可以识别道路的中心位置，同时还可以获得道路的方向、曲率等信息。利用CCD器件，通过图像信息处理的方式得到道路信息，可以有效进行车模运动控制，提高路径跟踪精度和车模运行速度。

本文提出一种使用面阵CCD并且能够有效利用S12单片机内部硬件资源的路径参数检测方法。普通CCD图像传感器的工作电压一般为12V，输出NTSC或者PAL制式的模拟视频信号。利用S12内部的AD转换器，配合从视频信号中分离出的同步信号，可直接将图像信号采集到单片机内部RAM中，然后通过软件对图像信息进行处理，得到路径各种参数。

下文中，我们将首先讨论使用S12单片机直接采集视频信号存在的技术难点与解决方法，然后给出了硬件设计方案以及实验结果，最后对这种检测方法特点以及存在的问题进行讨论。

二、技术难点与解决方法：
直接利用S12单片机中的AD采集视频图像，存在着采集速度、存储数据空间、处理速度、工作电压以及同步信号分离等方面的技术难点。下面就这些问题及其解决方法进行讨论。

1、采集速度：
普通CCD图像传感器通过行扫描方式，将图像信息转换为一维的视频模拟信号输出。CCD输出的信号变化很快，比如PAL制式的视频信号，每秒