CN101734252A - 一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器 - Google Patents

一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器 Download PDF

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陈无畏
姜武华
李进
王檀彬
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Abstract

本发明涉及智能车辆控制领域，为一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器。本发明通过视觉传感器获取导航路径的图像信息，经处理得到导航参数；并根据该导航参数和车速传感器信息，对智能车辆的转向、车速进行控制以达到路径跟踪目的。该预瞄跟踪控制器克服了常规反馈控制器只能根据当前路径信息进行跟踪控制，无法对未来信息进行有效利用的缺点，使得智能车辆能够根据路径的弯曲程度进行预瞄距离和车速的自动调节，从而提高路径跟踪的精度和行驶稳定性。

Description

一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器
技术领域
本发明属于智能车辆控制领域，具体涉及一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器。
背景技术
随着经济和社会现代化的发展，作为智能交通***(Intelligent TransportationSystems，ITS)重要组成部分的智能车辆日益受到世界各国的重视并成为研究热点。其中，基于视觉导航的智能车辆由于获取信息量丰富、智能化水平高、路径设置灵活等特点得到广泛的应用。其关键技术是计算机视觉技术和智能控制技术，即首先利用机器视觉获取智能车辆前方的路面环境信息，然后通过智能控制技术使智能车辆沿规划的路径行走。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计一种预瞄跟踪控制器，使它能够充分利用导航路径信息，自动调节智能车辆预瞄距离和跟踪车速，提高路径自动跟踪的精度和行驶稳定性。
本发明所采用的技术方案是：
整个预瞄跟踪控制器包括视觉传感器、图像处理模块，控制芯片，转速传感器、步进电机、步进电机驱动器、直流电机及***电路板等。视觉传感器输出信号送至图像处理模块，图像处理模块和转速传感器的输出信号送至控制芯片，控制芯片输出信号送至***电路板，***电路板将输出信号分别送至步进电机驱动器、直流电机，步进电机驱动器输出信号送至步进电机。
具体的技术方案如下：
一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，包括视觉传感器、图像处理模块，控制芯片，转速传感器、步进电机及其驱动器、直流电机及***电路板等。视觉传感器输出信号送至图像处理模块，图像处理模块和转速传感器的输出信号送至控制芯片，控制芯片将输出信号送至***电路板，***电路板将输出信号分别送至步进电机驱动器、直流电机，步进电机驱动器输出信号送至步进电机。通过直流电机的驱动控制和步进电机的转向控制，实现对导航路径的跟踪。
控制芯片根据导航路径的弯曲程度来调整智能车辆的行驶速度和预瞄距离。当弯曲度较大时，车速较低，预瞄距离较近；当弯曲度较小时，车速较高，预瞄距离较远。导航路径图像中划分出上下两个平行的矩形区域作为处理区域，上区域为远处，作为预瞄控制区，下区域为近处，作为反馈控制区；两区域分别提取导航参数并进行综合得到最终的参数。
图像处理模块由视频解码器TVP5150APBS和视频编码器SAA7105H组成。视频解码器TVP5150APBS将逐行倒相(Phase Alteration Line，简称PAL)制的模拟视频信号转换为8bit的BT1656格式、4:2:2的视频数据流，可接受2路复合视频信号输入和1路超级视频信号(Super-Video，Y/C)输入。视频编码器SAA7105H向PC显示器输出PAL/NTSC(National Television System Committee，简称NTSC，(美国)国家电视标准委员会)格式的视频。
视频解码器TVP5150Apbs的两路输入电路：一路为电容C1，C2，C3，C4，C5，电阻R1，R2，电感L1，L2构成的二阶模拟前端低通滤波电路；另一路为电容C6，C7，C8，C9，C10，电阻R3，R4，电感L3，L4构成二阶模拟前端低通滤波电路.
视频编码器SAA7105H向PC显示器输出视频信号的三路输出电路：第一路为电容C11，C12，C13，电阻R5.电感L5，L6构成的二阶高通滤波电路；第二路为电容C14，C15，C16，电阻R6，电感L7，L8构成的二阶高通滤波电路；第三路为电容C17，C18，C19，电阻R7，电感L9，L10构成的二阶高通滤波电路.
以TI公司的数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)芯片TMS320F2812作为控制芯片，完成串口数据接收，驱动电机调速和制动，步进电机控制，转速检测；TMS320F2812引脚定义如下：SCIRXDA引脚接收图像处理模块发送的导航参数，T1PWM T1CMP产生方波信号控制驱动电机转速，PWM1控制驱动电机的制动，T2PWM T2CMP控制步进电机的转速和转角，PWM2控制步进电机的转向，PWM3控制步进电机的脱机信号，CAP4_QEP3、CAP5_QEP4捕获两个转速传感器的跳变信号。
转速传感器模块用来测量智能车辆的车速，由齿轮盘、接近传感器及相关电路组成；在智能车辆左右驱动轮处各安装了一个同轴渐开线齿轮盘和一个接近转速传感器JD-LJA8M-2N1；驱动轮每旋转一个齿轮位置可检测到一个脉冲信号；相关检测电路中：两组接近转速传感器输出信号SA、SB分别经过电阻R8、R9送至光电隔离器TLP521-2的两个输入端，光电隔离器TLP521-2对信号进行隔离和电压转换，输出信号送至控制芯片的CAP4_QEP3、CAP5_QEP4引脚。
驱动制动模块利用控制芯片的输出信号完成智能车辆两个驱动电机的调速和制动；驱动电机的控制电路由场效应管驱动芯片U1，U2，场效应管Q1，Q2，二极管D1，D2，电阻R12，R13，R14，R15，R16，R17，电容C20，C21以及开关S组成；场效应管驱动芯片U1，U2的控制信号分别来自控制芯片的第92脚和第102脚；驱动电机和二极管D1并联.
步进电机控制模块包括步进电机及其驱动器，通过控制步进电机脉冲信号CP+、CP-，方向电平信号DIRECTION+、DIRECTION-，脱机电平信号FREE+、FREE-实现对前轮步进电机的转向控制；控制芯片的输出信号T2PWM_T2CMP，经过限流电阻R20连接到步进电机驱动器U4的步进脉冲信号CP+端；控制芯片的输出信号PWM2经过限流电阻R19连接到步进电机驱动器U4的方向电平信号DIRECTION+端；控制芯片的输出信号PWM3经过限流电阻R18连接到步进电机驱动器U4的脱机电平控制信号FREE+端；控制芯片的输出信号地GND连接到步进电机驱动器U4的CP-、DIRECTION-、FREE-端。
本发明所具有的积极效果是：
本发明克服了常规反馈控制器只能根据当前路径信息进行跟踪控制，无法对未来信息进行有效利用的缺点。它在获取的路径信息中确定当前路径和未来路径，对当前路径进行反馈控制，对未来路径进行预瞄控制，从而使得智能车辆能够根据路径的弯曲程度进行预瞄距离和车速的自动调节，因此提高了路径跟踪的精度和行驶稳定性。
附图说明
图1智能车辆视觉导航的工作原理示意图，
图2预瞄控制的导航参数提取图，
图3预瞄控制的导航参数和车速获取流程图，
图4视频解码器输入电路，
图5视频编码器输出电路，
图6TMS320F2812控制芯片引脚，
图7智能车辆转速检测电路，
图8驱动电机调速和制动电路图，
图9步进电机驱动器控制电路图，
图10***工作流程图。
具体实施方式
整个预瞄跟踪控制器包括视觉传感器、图像处理模块，控制芯片，转速传感器、步进电机、步进电机驱动器、直流电机及***电路板。图像处理模块和转速传感器的输出信号送至控制芯片，控制芯片的输出信号送至***电路板，经过***电路板将信号送至步进电机和直流电机。视觉传感器和图像处理模块完成该路径的识别和导航参数提取；控制芯片、转速传感器、步进电机、步进电机驱动器、直流电机及***电路板完成车体的运动控制。其工作原理如图1所示。
控制芯片作为预瞄跟踪控制器的核心部分，根据导航路径的弯曲程度来调整智能车辆的行驶速度和预瞄距离。当弯曲度较大时，车速较低，预瞄距离较近；当弯曲度较小时，车速较高，预瞄距离较远。导航路径图像中划分出上下两个平行的矩形区域作为处理区域，上区域(远处)作为预瞄控制区，下区域(近处)作为反馈控制区，如图2所示；两区域分别提取导航参数并进行综合得到最终的参数，如图3所示。
各主要模块的结构及原理说明如下：
1、图像处理模块
图像处理模块由视频解码器TVP5150APBS和视频编码器SAA7105H组成。视频解码器TVP5150APBS将PAL制的模拟视频信号转换为8bit的BT1656格式、4:2:2的视频数据流，可接受2路复合视频信号输入和1路超级视频信号(Super-Video，Y/C)输入。输入电路如图4所示。图4为Super-Video的二阶模拟前端低通滤波电路，用以滤掉由于日光、振动等环境因素引起的干扰噪声，以获得所需的有效信号。
视频编码器SAA7105H支持PAL(Phase Alteration Line，简称PAL，逐行倒相)与NTSC(National Television System Committee，简称NTSC，(美国)国家电视标准委员会)格式的视频编码输出；同时可提供分辨率为1280*1024的VGA(VideoGraphics Array)，简称VGA视频图形阵列)视频输出，可直接驱动PC显示器；最大分辨率1920*1080p的高清视频输出。其视频信号输出电路如图5所示。图5为标准清晰电视(Standard-Definition TV，简称SDTV)模式输出时的二阶高通滤波电路，用于滤掉由于解码误差以及传输过程而引起的噪声，以保证解码后信号的不失真。
2、控制芯片
以TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为控制芯片，完成串口数据接收，驱动电机调速和制动，步进电机控制，转速检测。TMS320F2812引脚定义如图6所示，其中SCIRXDA引脚接收图像处理模块发送的导航参数，T1PWM_T1CMP产生方波信号控制驱动电机转速，PWM1控制驱动电机的制动，T2PWM_T2CMP控制步进电机的转速和转角，PWM2控制步进电机的转向，PWM3控制步进电机的脱机信号，CAP4_QEP3、CAP5_QEP4捕获两个转速传感器的跳变信号。
3、转速传感器模块
转速传感器模块用来测量智能车辆的车速，由齿轮盘、接近传感器及相关电路组成。在智能车辆左右驱动轮处各安装了一个同轴渐开线齿轮盘和一个接近转速传感器JD-LJA8M-2N1。驱动轮每旋转一个齿轮位置可检测到一个脉冲信号，相关检测电路如图7所示。其中：两组接近转速传感器输出信号SA、SB分别经过电阻R8、R9送至光电隔离器TLP521-2的两个输入端，TLP521-2对信号进行隔离和电压转换，输出信号送至控制芯片的CAP4_QEP3、CAP5_QEP4引脚。
4、驱动制动模块
驱动制动模块利用控制芯片的输出信号完成智能车辆两个驱动电机的调速和制动控制。两个电机控制原理相同，图8为其中一个电机的电路图。当电机工作时，开关S1闭合，控制芯片的输出信号PWM1为低电平，控制芯片的输出信号T1PWM_T1CMP(方波信号)经过电阻R14、R15送到场效应管驱动器U2，U2输出信号经过电阻R17到场效应管Q2，驱动电机接在motorAu和motorAd之间。此时，电流从直流蓄电池的正极+24，依次流经保险丝FUSE、开关S、motorAu、驱动电机、motorAd、Q2、GND形成回路。
当电机制动时，控制芯片的输出信号T1PWM_T1CMP信号关闭，控制芯片的输出信号PWM1为高电平。PWM1经过电阻R12、R13送到U1，U1输出到电阻R16，再到场效应管Q1。此时，电流从motorAu经过Q1到motorAd、再经过驱动电机回到motorAu形成制动回路。
5、步进电机控制模块
包括步进电机及其驱动器，通过控制步进电机脉冲信号CP+、CP-，方向电平信号DIRECTION+、DIRECTION-，脱机电平信号FREE+、FREE-实现对前轮步进电机的转向控制。如图9所示，控制芯片的输出信号T2PWM_T2CMP，经过限流电阻R20连接到步进电机驱动器的步进脉冲信号CP+；控制芯片的输出信号PWM2经过限流电阻R19连接到步进电机驱动器的方向电平信号DIRECTION+；控制芯片的输出信号PWM3经过限流电阻R18连接到步进电机驱动器的脱机电平控制信号FREE+；控制芯片的输出信号地GND连接到CP-、DIRECTION-、FREE-。
整个***工作流程如图10所示。

Claims (8)

1.一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，包括视觉传感器、图像处理模块，控制芯片，转速传感器、步进电机及其驱动器、直流电机及***电路板等，其特征是：视觉传感器输出信号送至图像处理模块，图像处理模块和转速传感器的输出信号送至控制芯片，控制芯片将输出信号送至***电路板，***电路板将输出信号分别送至步进电机驱动器、直流电机，步进电机驱动器输出信号送至步进电机；通过直流电机的驱动控制和步进电机的转向控制，实现对导航路径的跟踪；
控制芯片根据导航路径的弯曲程度来调整智能车辆的行驶速度和预瞄距离；当弯曲度较大时，车速较低，预瞄距离较近；当弯曲度较小时，车速较高，预瞄距离较远；导航路径图像中划分出上下两个平行的矩形区域作为处理区域，上区域为远处，作为预瞄控制区，下区域为近处，作为反馈控制区；两区域分别提取导航参数并进行综合得到最终的参数。
2.如权利要求1所说的一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，其特征是：图像处理模块由视频解码器TVP5150APBS和视频编码器SAA7105H组成，视频解码器TVP5150APBS将逐行倒相(PAL)制的模拟视频信号转换为8bit的BT1656格式、4:2:2的视频数据流，可接受2路复合视频信号输入和1路超级视频信号(Super-Video，Y/C)输入，视频编码器SAA7105H向PC显示器输出PAL/NTSC格式的视频。
3.如权利要求1或2所说的一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，其特征是：视频解码器TVP5150Apbs的两路输入电路：一路为电容C1，C2，C3，C4，C5，电阻R1，R2，电感L1，L2构成的二阶模拟前端低通滤波电路；另一路为电容C6，C7，C8，C9，C10，电阻R3，R4，电感L3，L4构成的二阶模拟前端低通滤波电路。
4.如权利要求1或2所说的一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，其特征是：视频编码器SAA7105H向PC显示器输出视频信号的三路输出电路：第一路为电容C11，C12，C13，电阻R5.电感L5，L6构成的二阶高通滤波电路；第二路为电容C14，C15，C16，电阻R6，电感L7，L8构成的二阶高通滤波电路；第三路为电容C17，C18，C19，电阻R7，电感L9，L10构成的二阶高通滤波电路。
5.如权利要求1所说的一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，其特征是：以TI公司的数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F2812作为控制芯片，完成串口数据接收，驱动电机调速和制动，步进电机控制，转速检测；TMS320F2812引脚定义如下：SCIRXDA引脚接收图像处理模块发送的导航参数，T1PWM_T1CMP产生方波信号控制驱动电机转速，PWM1控制驱动电机的制动，T2PWM_T2CMP控制步进电机的转速和转角，PWM2控制步进电机的转向，PWM3控制步进电机的脱机信号，CAP4_QEP3、CAP5_QEP4捕获两个转速传感器的跳变信号。
6.如权利要求1所说的一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，其特征是：转速传感器模块用来测量智能车辆的车速，由齿轮盘、接近传感器及相关电路组成；在智能车辆左右驱动轮处各安装了一个同轴渐开线齿轮盘和一个接近转速传感器JD-LJA8M-2N1；驱动轮每旋转一个齿轮位置可检测到一个脉冲信号；相关检测电路中：两组接近转速传感器输出信号SA、SB分别经过电阻R8、R9送至光电隔离器TLP521-2的两个输入端，光电隔离器TLP521-2对信号进行隔离和电压转换，输出信号送至控制芯片的CAP4_QEP3、CAP5_QEP4引脚。
7.如权利要求1所说的一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，其特征是：驱动制动模块利用控制芯片的输出信号完成智能车辆两个驱动电机的调速和制动；驱动电机的控制电路由场效应管驱动芯片U1，U2，场效应管Q1，Q2，二极管D1，D2，电阻R12，R13，R14，R15，R16，R17，电容C20，C21以及开关S组成；场效应管驱动芯片U1，U2的控制信号分别来自控制芯片的第92脚和第102脚；驱动电机和二极管D1并联。
8.如权利要求1所说的一种用于智能车辆视觉导航的预瞄跟踪控制器，其特征是：步进电机控制模块包括步进电机及其驱动器，通过控制步进电机脉冲信号CP+、CP-，方向电平信号DIRECTION+、DIRECTION-，脱机电平信号FREE+、FREE-实现对前轮步进电机的转向控制；控制芯片的输出信号T2PWM_T2CMP，经过限流电阻R20连接到步进电机驱动器U4的步进脉冲信号CP+端；控制芯片的输出信号PWM2经过限流电阻R19连接到步进电机驱动器U4的方向电平信号DIRECTION+端；控制芯片的输出信号PWM3经过限流电阻R18连接到步进电机驱动器U4的脱机电平控制信号FREE+端；控制芯片的输出信号地GND连接到步进电机驱动器U4的CP-、DIRECTION-、FREE-端。
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