新手做车的常见误区（不定期更新）

alexyzhov · 发表于 2017-10-29 22:05:46

做过一段时间车，也在论坛、群里水了一阵时间，对初学者做车的常见误区有很多想法。更新在这个帖子里，希望抛砖引玉。

alexyzhov · 发表于 2017-10-29 22:06:01

1. 模拟摄像头比数字摄像头更适合智能车比赛？
网络上（包括论坛）可以找到很多关于模拟、数字之争的讨论，结论往往是模拟摄像头要优于数字摄像头。但要注意，智能车比赛已经开展了十余年，电子技术也进步了十余年。早年Cortex-M尚未成熟，智能车比赛以飞卡自主设计的16位机甚至8位机为主，性能有限，对摄像头提供的高通量数据量束手无策。模拟摄像头因其异步的采集方式，便于参赛队员主动削减单片机采集的信息量，缓解计算压力，因而受到青睐。所以可以看到，基于模拟摄像头的图像二值化电路（清华的边沿检测、贝壳的滞回比较器）成为了这段时间摄像头技术的代表，因为它在解决数据采集问题的基础上（模拟摄像头异步采集的特性减少了单片机采集带宽的要求），进一步缓解了单片机的性能压力（二值化是最有效的图像预处理方式，将这个功能硬件化减轻了运算压力）。但这些都因K60（Cortex-M4）和*外哥的数字二值化方案的诞生发生了转变，一方面K60作为新一代Kinetis系列MCU的代表，新的硬件架构和内核提供了当时划时代的性能，ARM高效的数据总线为数字摄像头的采集提供了便利，M4强劲的性能和高达256KB的SRAM使得性能和空间也不再捉襟见肘。同时以7725为代表的数字摄像头，以其出色的感光器性能和灵活的isp在画质上与模拟摄像头画质的代表，Sony CCD相比也不再落后。再加上低功耗（可以省掉一路12V供电）优势、同样的二值化预处理（尽管原理不同），迅速风靡全国高校。实际上在这个时期（2011~13年），模拟摄像头在画质、采集就已经不再有优势了，摄像头组迅速进入数字摄像头时代。最近两年，伴随各路高校的深挖，事实上我们已经拥有了MT9V032等性能多方面碾压同期模拟方案的摄像头。有的同学喜欢以贝壳为例宣扬模拟吊打数字方案的论点，实际上非常荒谬。贝壳强不是因为模拟方案性能真的优秀，而因为人才优秀。好的画质能够简化我们图像处理的工作量，但绝对不是制约小车性能的最大短板。说得直白一点，厉害的人怎么玩都能化腐朽为神奇，换成水平一般的人，还没开始做就该准备凉啦。
但模拟摄像头也不是一无是处。前面说到了，模拟方案是异步采集，对timing的容忍度很高。而数字方案在采集过程中，一旦timing出错，则全图皆废，一不留神就会导致车毁奖亡、前功尽弃。所以总的来说，在智能车应用环节，模拟方案是有抗干扰优势的。但出于对数字方案的私心我想强调一下，timing的问题是完全可以通过合理的硬件设计规避的（信号阻抗匹配、layout和接插件的优化）。不过最终的方案选型还是要靠自己对模拟、数字方案的认识，结合自己的比赛策略（求稳还是求挑战）作出最终决定，而不是人云亦云。

alexyzhov · 发表于 2017-10-29 22:08:28

2. 舵机的控制周期越高越好？
首先，智能车比赛常用的舵机型号有两种，一款模拟舵机s3010，典型工作频率50Hz；一款数字舵机SD5，典型工作频率300Hz。舵机关于“模拟”和“数字”的区别在于内部的控制形式，更多细节请搜索相关资料。这里讲到的一个工作频率，指的是舵机接受的PWM波频率，也是舵机机械的动作频率。即，s3010典型工况下，以50Hz的频率产生动作，SD5同理。这代表高于舵机工作频率的控制周期输入，都是没有意义的。因为舵机最终产生的动作，无法达到你期待的频率。事实上，产生PWM波形的过程中，为了生成固定频率的波形，避免高频率重置电路计数导致的PWM频率异常，单片机内部都有关键寄存器的缓冲、锁存机制。所以大于PWM频率的状态更新，在电路中就已经被舍弃了，也就意味着多余的输入从来就不会产生效果。感兴趣可以研究一下单片机里PWM波形是怎样产生，状态又是怎样更新的，对这个问题的理解可以更深刻。

alexyzhov · 发表于 2017-10-29 22:11:59

3. 摄像头帧率越高越好？
这也是一个很典型的误区，因为一些商家的高调宣传和选手经验不足的缘故，新手往往误入一昧追求“快”的误区。先举反例，模拟摄像头只有两种输出制式：PAL和NTSC。其中PAL制式的帧率是25fps，NTSC是29.97fps。这意味着什么？万年使用OV5116的贝壳图像帧率最多也不过29.97fps，照样能力压一票高帧率“大神”。
说完了结论，再说为什么。众所周知光线因素一直是摄像头组最大的不确定性，光源的不同往往对图像的影响也不同。常见的场地光源有：自然光、白织灯光、日光灯和LED。其中，自然光、白炽灯和LED不存在频闪问题。而日光灯依赖气体放电释放电子轰击荧光物质发光，因为电源（交流电）的缘故，其发光实质是周期性频闪，频率等于市电（50Hz）。频闪会对摄像头曝光产生一个问题，即工频干扰。何为工频干扰？试想一下，当摄像头曝光频率高于日光灯闪烁间隔的时候，则可能在日光灯全暗的间隔，完成一次曝光，导致画面过暗，体现在图像中就是无规律闪烁（为何无规律？因为要考虑自动曝光调整的因素）。一些帧经过完整曝光，图像优良；而另一些帧则因曝光不足导致画面欠曝。倘若输入的图像就是曝光错误的图像，你巡线算法再强大，又有什么用呢？所以考虑到可能出现的场地因素（比赛场地采用日光灯照明），因为工频干扰的存在，摄像头的帧率最多不应当超过50fps。使用7725等高速摄像头，小车总出现莫名冲出赛道的同学，不妨检查一下实验室的补光和摄像头帧率的设定，也许问题就出在这哦。
tip:小车系统对于控制周期的截至频率其实很低，在现有的赛道元素安排下，PAL制式（25fps）的摄像头也能跑的很好。当然，倘若对自己的算法不自信，或者说想提高小车在出入弯的加减速性能，也许适当提高一点帧率（控制周期）是有效的。

alexyzhov · 发表于 2017-10-29 22:22:16

4. 到底有几种摄像头？
根据感光器原理，可分为CCD、CMOS摄像头；
根据输出信号的形式，可分为模拟、数字摄像头。

两种分类模式组合一下，就成了平时讨论的四种摄像头类型：
模拟CMOS摄像头：代表型号OV5116，BF3003
模拟CCD摄像头：代表型号Sony 673、Sony 811
数字CMOS摄像头：代表型号OV7620/7670/7725、MT9V032
数字CCD摄像头：（没见过有人比赛用）

因为使用模拟摄像头的队伍中，使用Sony CCD的占了多数，有人习惯用“模拟摄像头”指代常见的Sony CCD。又因为数字CCD摄像头的罕见，平时称呼的“数字摄像头”多半就直接指代了OV7725等数字CMOS摄像头。但具体还是应该区分一下的，摄像头不止分模拟和数字，万一选型时不留神，就是关公战秦琼了…