基于硬件二值化的视觉信号高速采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于摄像头的智能车视觉信号高速采集系统，其中设计并采用了图像的二值化和边缘检测电路，该设计很好的弥补了已有的图像采集系统存在的存储空间不足和处理周期较长等缺陷。本发明专利技术设计并使用了图像采集、图像处理等相关算法，以Freescale?16位单片机MC9S12XS128为平台编写出相关代码以及功能验证通过。分析图像处理过程可分为图像二值化、边缘检测和黑线提取这三个步骤。黑线提取涉及到黑线宽度信息，起始线的判断，需用软件来实现，因此提出了用硬件来实现图像二值化和边缘检测的方案，这样可以提高分辨率和大大减少内存需求、图像处理算法执行时间，以便实现更加精确和复杂的舵机、电机控制，增加智能汽车的处理能力和执行速度，达到更加快速、高精度的控制和运行。

【技术实现步骤摘要】
基于硬件二值化的视觉信号高速采集系统
本专利技术涉及自动控制技术、传感技术等，尤其涉及智能视觉信号高速采集技术。
技术介绍
智能汽车是未来汽车的发展方向，将在减少交通事故、发展自动化技术、提高舒适性等许多方面发挥很重要的作用；同时智能汽车是一个集通信技术，计算机技术，自动控制，信息融合技术，传感器技术等于一身的行业，它的发展势必促进其他行业的发展，在一定程度上代表了一个国家在自动化智能方面的水平。智能小车作为智能汽车的简化体，通过对智能小车在信息采集、处理，控制策略等方面的研究，可以为智能汽车的方案改进提供较好的验证平台。已有的智能小车的信号采集方式主要有摄像头、光电方式(红外线、激光)以及电磁导引三种方式。其中以摄像头采集方式最为复杂，具有视野宽广、获取道路信息较多等优点，但同时增加了图像处理复杂度；；光电小车，电路设计复杂，程序设计相对简单，但是前瞻小，易受外界光线的干扰；电磁小车是根据赛道中间的电磁导引线来导航的，受外界干扰相对较小，和光电车一样，同样受限于前瞻，还有就是十字路口的磁场，处理有一定难度。摄像头小车需要在图像处理周期和控制周期之间取得较好的折中方案，图像处理周期较长可以获得较为详细的道路信息，在小车控制方面可以做得较为准确，但是导致控制周期变长，即控制舵机转向和电机驱动的控制频率小降，这是不利的。目前基于摄像头的智能小车图像信息主要是通过对摄像头输出的数字图像进行行列非线性的降采样采集，单片机存储图像输出信道的Y信号，不对UV信号采集，这将会增加单片机的片上存储空间。同时，单片机的系统时钟频率基本上不会超过100MHz，对赛道黑白跳变的检测通过对已采集像素点的灰度值进行差值处理，运算量是相当大的，占用单片机的处理时间较长。在图像信息采集与处理模块，占用了单片大部分的存储空间和运算时间，而最终的控制算法反而由于控制周期的原因不能写得更复杂和精细。若能获得较为精确的图像信息，同时不增加单片机的运算复杂，便有足够的空间实现更为详细的舵机转向控制与电机驱动控制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:单片机对图像采集处理的存储空间和处理能力有限，局限了控制算法的复杂度和运算精度。为了在不增加单片机运算负荷的前提下，获得更精细的图像信息并进行更为精确的控制，我们研究用硬件采集图像的思路代替单片机处理的方案。本专利技术为解决以上技术问题，所采用的技术方案是:将摄像头输出的信号通过硬件电路进行二值化处理，提取出边缘信息并存入FIFO存储器，通过I/O 口输入单片机再进行后续图像的相关处理。该方案旨在获取更为准确的视频信号，提高图像分辨率，将S12XS单片机从繁重的视频信号采集任务中解放出来，并简化图像处理，以实现更优的转向控制和速度控制。所述的单片机采用的是Freescale公司设计的MC9S12XS128单片机，它是一种16位单片机。所述的硬件二值化处理和FIFO电路包括4bit比较器74F85芯片、8D触发器74F273芯片、2D触发器74F74芯片、四二输入与门74R)8芯片、四二输入异或门74F86芯片、四二输入或门74F32芯片、具有三态并行口的八位二进制计数器74AHCT593芯片以及4bitxl6FIF0芯片74HC40105。4bit比较器用于将两个四位数据进行比较，将比较结果按对应脚输出；8D触发器具有异步清零功能，接至HREF信号，时钟引脚接至四分频以后信号实现移位寄存；2D触发器具有预置和清零功能，利用其实现四分频功能；四二输入与门、四二输入异或门和四二输入或门用于实现滤波和HREF信号的延迟功能；八位二进制计数器用于实现对同一行分频后的像素时钟计数功能来实现横向位置计数；4bitxl6FIF0芯片用于存储一行当中边缘位置。所述的摄像头采用数字摄像头0V7620，其接口较为简单，方便硬件处理接口设计。本专利技术通过软件实现图像采集和黑线提取，黑线提取过程先进行边缘滤波，以达到更加的提取效果。本专利技术的有益效果如下:本专利技术使用硬件电路实现图像二值化和边缘检测，大大减少了大量图像信息对内存的需求、降低了单片机用于分析和处理图像信息所耗费的资源和处理周期，增加了控制算法的复杂度和精度，全面提升了智能车的处理信息和判断能力。本专利技术通过采用上述硬件电路设计，可提高图像分辨率，将S12XS单片机从繁重的视频信号采集任务中解放出来，并简化图像处理，以实现更优的转向控制和速度控制。本专利技术选用的设备芯片等级较低，实现了低成本的高速信号采集。【附图说明】图1为本专利技术整体硬件结构图图2为硬件二值化和边缘检测电路设计结构图图3为本专利技术搭载车体实物图图4为硬件二值化和边缘检测电路实物图图5为弯道边缘检测效果图图6为黑线提取流程图【具体实施方式】下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术是基于智能车车模结构的框架，搭建硬件结构，通过核心模块MC9S12XS128单片机的处理，将传感器采集到的信息采集分析处理后得出运算结果，控制电机和舵机做出适应赛道及战术策略的响应的一套系统，如图1所示。整个系统主要通过硬件和软件实现了赛道信息识别和车体控制两大部分功能。硬件电路:智能车的硬件构架是方案的直接体现，主要模块有:核心板，16位单片机与I/O针脚，以及SD卡插槽，便于调试；接口板，为单片机提供3.3V稳压源及数码管、拨码盘等，将单片机的I/O针脚与各模块的接口细化；驱动板，采用两片BTS7960B半桥驱动芯片，芯片负载电流可以达到43A，内阻仅为16πιΩ，为电机驱动提供大电流；直流电机，电流越大，转速越快；光电编码器，主要是用来测速，实现小车的速度闭环控制，进行及时准确的速度控制，分辨率越高，测得的速度越精确；舵机，伺服马达，通过调整输入PWM波的占空比来调整舵机的转向；摄像头，是智能汽车最重要的传感器之一，输出信息的准确直接关系到整个小车的性能；图像硬件处理电路，实现图像二值化以及边缘检测，将处理结果存储入FIFO，供单片机提取。为了减轻单片机的负担同时提高分辨率，提供更精确的黑线信息，本专利技术通过硬件来实现图像二值化和边缘检测。对于黑白赛道来说，无需图像的色差信息UV，只需亮度信息Y即可，根据设定的灰度值的阈值进行二值化，后续电路采用滤波处理取出噪声，通过黑白跳变检测出图像边缘，并将边缘位置记录下来存入FIFO，单片机可以定期读取FIFO的数据进行后续处理与控制。硬件处理电路分为二值化、滤波、边缘检测、位置计数和边缘位置存储五个模块。在黑线边缘处灰度变化不是很明显，而且相邻像素灰度变化可能有反复，选择高4位进行比较，可以容许灰度值变化在±16，可以排除部分干扰，经实验表明4位像素值比较对于黑白跳变检测已经足够，因此选择灰度值高四位作为阈值比较位。二值化后的数据进入移位寄存器，根据相邻像素点的数据进行滤波，然后利用异或门检测边缘，最后将分频计数后的像素列值存入FIFO供单片机读取以进行后续电路的处理。采用图像 处理硬件电路与单片机直接图像采集与处理方案相比的优势为:分辨率高100x160，占用单片机资源少，速度快。内存计算中包括图像信息存储，黑线宽度和黑线位置所占空间:单片机直接实现方案=Row_max*(Line_max+1) +6*Row_max ；硬件处理方案=Row_ma本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于硬件二值化的视觉信号高速采集系统，其特征在于：它包括主控单片机MC9S12XS128、摄像头传感器OV7620、图像硬件处理电路及FIFO、电机驱动电路、光电测速编码器以及舵机和电机。

【技术特征摘要】
1.基于硬件二值化的视觉信号高速采集系统，其特征在于:它包括主控单片机MC9S12XS128、摄像头传感器0V7620、图像硬件处理电路及FIFO、电机驱动电路、光电测速编码器以及舵机和电机。2.根据权利要求1所述的视觉信号高速采集系统，其特征在于:通过视频解码芯片和FIFO队列，实现对视频信号采集的灵活控制，提高数据采集精度，并简化单片机数据采集流程。3.根据权利要求1所述的视觉信号高速采集系统，其特征在于:硬件二值化处理和FIFO 电路采用 74...

【专利技术属性】
技术研发人员：赛音，张超，王浩，李素非，
申请(专利权)人：赛音，
类型：发明
国别省市：