Створення автоматичної системи розпізнавання автомобілів при їх в'їзді на парковку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

У наш час індивідуальні, сімейні транспортні засоби вже заполонили всі дороги, двори, навіть тротуари. Особливо це актуально у великих містах, де дуже мало вільного простору для паркування автомобілів, розповсюджені викрадення. Виникає необхідність створення спеціалізованих парковок.

Метою курсового проекту є створення автоматичної системи розпізнавання (далі СР) автомобілів при їх в'їзді на парковку. Єдиним способом розрізнення сучасних легкових машин є їх індивідуальний неповторний державний номерний знак. СР повинна від встановленої при в'їзді на парковку системи фотографування, фільтрації та сегментації отримати забраження номерного знаку (до 8 зображень символів), провести їх розпізнавання та передати отриману інформацію блоку контролю вільних місць на парковці та оплати водія даного транспортного засобу за місце парковки.

СР має прийняти фотографію символу, вивести її на графічний LCD дисплей з роздільною здатністю 128х64 пікселі, провести розпізнавання, вивести шаблон розпізнаного зображення поряд з фотографією на екран, відправити ASCII код символу по послідовному порту, приготуватись до прийому наступного символу.

1. Розробка структурної схеми мікроконтролерної системи

Структурна схема комплексу розпізнавання представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Структурна схема комплексу розпізнавання

де ПОЗ - блок фотографування та попередньої обробки зоьраження;

СР - система розпізнавання;

ПП - пристрій (порт) прийому зображення;

БР - блок розпізнавання зображення;

ВП - вихідний пристрій;

РКІ - рідкокристалічний індикатор;

ППТ - послідовний порт;

КОС - блок контролю та обліку місць стоянки.

ПП реалізується на базі мікроконтролера AVR Attiny 2313 тому, що його розрахункової потужності та об'єму внутрішньої пам'яті програм достатньо для виконання поставленої задачі при відносно малій ціні. Він приймає через USB порт побайтно вхідне зображення, побітно передає його в буфер блоку розпізнавання.

Функції БР, ВП та ППТ виконує мікроконтролер AVR Atmega16. Цей мікроконтролер порівняно дешевий, надійний, простий, легко програмується всередині схеми; працює на частотах достатніх для швидкого виконання всіх необхідних розрахунків; має достатньо внутрішньої пам'яті програм та пам'яті даних для зберігання всієї необхідної інформації; Має відносно малу потужність споживання. Він зчитує побітно вхідне зображення в буфер, потім побайтно порівнює його з шаблонами, видає результуючий код. ВП, що представляє собою підпрограму, приймає результуючий код, визначає ASCII-симпол для передачі по ППТ, відправляє на єкран РКІ прийняте зображення та шаблонне. ППТ передає ASCII-код символа наступним блокам розпізнавального комплексу.

РКІ - Winstar WG12864A-NYJ має роздільну здатність 128х64 пікселі та два кольору-стани (чорний та зерений). Цей індикатор порівняно дешевий, може відображати всю необхідну інформацію, має внутрішню пам'ять, самостійно проводить динамічну індикацію.

2. Розробка принципової схеми мікроконтролерної системи

Розрахуємо та побудуємо принципову схему СР.

Всі компоненти схеми мають напругу живлення 5 В. Максимальний сумарний струм всіх елементів не перевищує 200 мА. Це свідчить про те, що вся система розпізнавання може живитися від порту USB, на виході якого стабілізована напруга 5 В та максимальний струм до 500 мА. Система нечутлива до пульсацій напруги живлення, тому в якості фільтру живлення використаємо конденсатор невеликої ємності.

Рівень напруги лініях даних порту USB має складати не менше 3.1 В та не бульше 3.6 В. Тому на відповідні виводи мікроконтролера необхідно підключити параметричні стабілізатори напруги 3.6 В.

Основний мікроконтролер - Atmega16. Це пов'язано з тим, що об'єм необхідної пам'яті для зберігання 22 шаблонів по 64х64 пікселі 11,3 кБ, а ОЗП - не менше 512 байт. Характеристики Atmega16 повністю задовільняють ці умови. Кварцевий резонатор обираємо з умови (2.1) так, щоб значення UBRR було цілим:

(2.1)

де UBRR - значення регістру конфігурації ППТ; - тактова частота мікроконтролера; BAUD - швидкість передачі інформації.

Так як максимальна швидкість, яку забезпечує мікроконтролер AVR Attiny 2313 при передачі з USB в UART 38400, то BAUD=38400.

Зі стандартного ряду частот кварцевих резонаторів максимально підходить частота 14,745 МГц. Принципова схема СР приведена в додатку 1. Графічне зображення принципової схеми пристрою в середовищі моделювання Proteus приведено на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Графічне зображення принципової схеми пристрою

3. Розробка друкованої плати та збіркового креслення пристрою

Так як використовується РКІ - Winstar WG12864A-NYJ, який має досить великі розміри, розмір друкованої плати обираємо таким же (93х70 мм) з отворами для кріплення на тих же позиціях, шо й у дисплею (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Графічне зображення друкованої плати дисплею

Поскільки кількість елементів принципової схеми невелика, будемо використовувати односоронню друковану плату. Так як площа плати велика, можна для підвищення надійності використати всі елементи в DIP-корпусах.

Креслення друкованої плати приведено в додатку 2.

Збіркове креслення та специфікація приведені в додатку 3.

4. Опис алгоритму і програми функціонування мікроконтролерної системи

Побудуємо коротку блок-схему алгоритму роботи програми (рис 4.1):

Зображення кожного символу попередньо центрується на підкладці білого кольору розміром 64х64 пікселі та фільтрується (рис 4.2).

Далі це зображення інвертується, бінаризується та передається на СР (блок 2).

Рисунок 4.1 - Блок-схема алгоритму роботи програми

Крайній лівий верхній піксель зображення - це перший. Перші 8 біт першої вертикалі складають перший байт, а останні - восьмий байт. Перші 8 біт другої вертикалі - дев'ятий байт. Далі - аналогічно. Білий колір позначається логічним нулем, а чорний - одиницею.

Рисунок 4.2 - Відцентроване та профільтроване зображення

Процес передачі послідовний, побайтний. Дані передаються по USB на мікроконтролер AVR Attiny 2313, який розпізнається як віртуальний COM-порт. Цей мікроконтролер на швидкості 38400 бод послідовно побітно передає зображення в мікроконтролер 2 - Atmega16. Поки забраження повністю не передасться МК 2 нічого не розраховує. Він просто очікує на прихід байта та зберігає його в ОЗП. По закінченню передачі (блок 3) виводиться на дисплей прийняте зображення (ліва половина екрану) та починається процес розпізнавання (блок 4).

Прийняте зображення побайтно зрівнюється з шаблонами за допомогою "виключаючого але" та підраховується кількість неспівпадінь бітів з кожним шаблоном. Останнім етапом програми є знаходження мінімального значення неспівпадінь (блок 5) та вивід на екран (права частина) відповідного шаблону з послідуючою відправкою розпізнаного ASCII-символу по ППТ (блок 6). Далі програма реініціалізується для прийому наступного зображення.

Лістинг програми приведено в додатку 4.

Програма разом з набором шаблонних зображень займає 13440 байт пам'яті програм, 512 байт пам'яті даних.

Розрахунки займають приблизно 300000 тактів на кожне шаблонне зображення. Час виконання розпізнавання одного символу складає 0.15-0.33 секунди.

5. Апаратна реалізація системи розпізнавання

мікроконтролерний друкований плата моделювання

Для підтвердження роботоздатності СР реалізуємо її апаратно. На макетній платі розмістимо мікроконтролер AVR Atmega16, графічний LCD дисплей Winstar WG12864A-NYJ. Для зручності на окремій платі виготовимо USB-UART перетворювач на базі AVR Attiny 2313. Відповідно до принципової схеми (додаток 1) проведемо всі необхідні лінії зв'язку.

В пакеті технічного програмування MATLAB розробимо програму, яка б могла провести симуляцію роботи фотокамери, пристрою попередньої обробки, фільтрації та сегментації зображень, їх передачі в СР.

В середовищі Proteus проведемо моделювання роботи системи, відкорегуємо роботу програми.

За допомогою програматора USBASP завантажимо написану раніше програму в мікроконтролер. Встановимо необхідні драйвери ПК для USB-UART перетворювача.

Зображення апаратно-реалізованої СР приведено на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 - Зображення роботи СР

Висновки

У вступі було визначено необхідність створення системи розпізнавання автомобілів та методи їх розрізнення.

У розділі 1 була розроблена структурна схема всього комплексу розпізнавання, розподілені ролі кожного блоку, прораховано вимоги до виконуючих мікроконтролерів, визначено, як реалізуються блоки апаратно.

У розділі 2 була розроблена принципова схема системи розпізнавання, прораховані номінали всіх елементів. Також було створено схему для моделювання в середовиші Proteus.

У розділі 3 були обрані корпуси всіх елементів, визначено їх розташування, спосіб кріплення плати до корпусу, розрахована та створена друкована плата СР.

У розділі 4 було розроблено алгоритм роботи мікроконтролерів, написана мовою програмування "С" програма, яка реалізує раніше продуманий алгоритм роботи системи. Також проведено аналіз об'єму та швидкодії програми.

У розділі 5 розроблену СР було повністю промодельовано в середовищі Proteus з використанням в якості допоміжного пакету програм середовища програмування MATLAB, реалізовано апаратно.

Розроблена система коректно працює та виконує всі свої функції. Зібрана схема показує ті ж результати, що й при моделюванні в середовищі Proteus. Час розпізнавання складає 5 с. Це пов'язано з тим, що перетворювач USB-UART має малу швидкодію. Можна використовувари паралельні інтерфейси, але це ускладнить схему.

При розпізнаванні зашумлених зображень система видає правильний результат навіть при рівні шуму до 99%, але при умові відсутності будь-яких інших спотворень. При повороті зображення система безпомилково з вірогідністю в 100% розпізнає символи при повороті до 10 градусів. Вірогідність розпізнавання зменшується при зміні рівня бінаризації, при неправильному розміщенні символа в секторі, при значному масштабуванні, при афінних перетвореннях.

Список використаної літератури

1. Однокристальные микро-ЭВМ.Справочник.Бобрикин А.В.и др.М.: МИКАП, 1994. - 400с.

2. Сташин В.В. и др. Проектирование цифрових устройств на однокристальних микроконтроллерах - М.: Энергоиздат,1990. -224с.

3. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. В 2-х томах. М.: Постмаркат, 2001.-416 и -488с.

4. Бродин В.П. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс.-М.:Изд. ЭКОМ, 1999.- 400с.

Размещено на Allbest.ru