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摘要:

智能汽車作為當今科技時代下的新興產(chǎn)物,集中運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、自動控制、人工智能及通訊等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),是未來汽車發(fā)展的重要方向。本文詳細介紹了基于攝像頭傳感器的智能競速汽車控制器的設(shè)計方案,分別介紹了智能車的硬件組成、路徑的檢測識別方法和智能車的控制策略。利用攝像頭傳感器采集、識別道路信息,規(guī)劃最優(yōu)路徑,采用PID控制算法控制電機和舵機實現(xiàn)自動控制。

關(guān)鍵詞:

攝像頭；智能汽車；設(shè)計方案

本設(shè)計是基于MK60DN512ZVLL10單片機開發(fā)實現(xiàn)的,該系統(tǒng)采用攝像頭采集、識別道路兩旁或者中央的引導(dǎo)線,在此基礎(chǔ)上利用合理閉環(huán)的算法控制智能車運動,從而實現(xiàn)智能車快速穩(wěn)定的尋跡行駛。

1智能車整體結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計

1.1圖像傳感器的選擇

圖像傳感器,即數(shù)字攝像頭。目前市場主流的兩種攝像頭傳感器:以金屬氧化物半導(dǎo)體元件為感光材料的CMOS攝像頭和以電荷耦合元件為感光材料的CCD攝像頭。綜合兩種攝像頭解析度、靈敏度、成本、功耗比、模塊電路、體積、重量,CMOS攝像頭可以滿足于4米/秒速度以下智能車行駛,并且CMOS攝像頭功耗低,工作電壓只需3.3V-7V,完全可以由智能車穩(wěn)壓后得到,穩(wěn)定經(jīng)濟,所以選擇CMOS攝像頭中的OV7725攝像頭。

1.2起跑線檢測傳感器選擇

起跑用的是發(fā)車燈塔控制方式,發(fā)車燈塔不僅發(fā)出起跑信號,而且發(fā)出終點信號。我們使用基于使用HS0038B傳感器的基礎(chǔ)電路作為接收燈塔光信號一個基礎(chǔ)電路,OUT口接MK60的C5。

1.3速度檢測傳感器選擇

一個完整的控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制的,所以需要測速裝置,用以精準反映智能車實時速度。我們采用了由歐姆龍公司研制的一款200線的小型編碼器。

1.4車模選型

本次設(shè)計采用由飛思卡爾半導(dǎo)體公司贊助的G768型車模,即為競賽中的C車模。

2智能車硬件電路設(shè)計

2.1硬件設(shè)計方案

本設(shè)計方案采用模塊化方式完成總設(shè)計,模塊化設(shè)計使思路清晰,在使用出現(xiàn)錯誤時容易修理。

2.2電路設(shè)計方案

本次設(shè)計將智能車系統(tǒng)電路分成兩個主要部分,以MK60N512ZVLQ10為核心的控制電路和以電源為核心的驅(qū)動電路?？紤]到MK60最小系統(tǒng)電路板比較大,所以將整個系統(tǒng)電路分為兩塊規(guī)則PCB板(主控板和驅(qū)動板)。

2.3控制電路

以MK60為核心的單片機系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括以下幾個部分:電源電路、時鐘電路、JTAG接口、復(fù)位電路。

2.4驅(qū)動電路

因為本次比賽攝像頭組使用的電機是RS-380SH直流電機,小車驅(qū)動芯片決定選用集成的高電流半橋電機驅(qū)動應(yīng)用BTN7971B,它的輸出電流足以帶動電機轉(zhuǎn)動并且較穩(wěn)定。

2.5電源模塊

比賽使用飛思卡爾專用電池,2000mAh的鎳鎘電池1塊,標準電壓7.2V。

3智能車軟件算法設(shè)計

3.1軟件控制整體設(shè)計

本次設(shè)計所用的軟件調(diào)試工具支持C語言和匯編語言混合編程的IAREmbeddedWorkbench軟件,由于C語言操作簡單,可修改和移植性強,所以本次軟件設(shè)計大部分程序都使用C語言編寫,只有在某些地方加入了匯編語句。

3.2主程序結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)初始化方面,我們所用到的底層硬件資源進行初始化和上層模塊初始化。在方案選擇及參數(shù)設(shè)定上,我們在主板上設(shè)置了一組四位的撥碼開關(guān)和三個按鍵結(jié)合OLED顯示屏實現(xiàn)的方案和參數(shù)的可調(diào),以在比賽時對車作適當?shù)卣{(diào)整。在圖像獲取上,對于Ov7725數(shù)字攝像頭,使用場中斷加高速DMA傳輸?shù)姆绞絹慝@取圖像。圖像處理則采用黑線提取和中心線提取。

3.3控制算法

控制算法是智能車的靈魂,為了使小車能以穩(wěn)定的速度通過跑道,精確的速度控制是關(guān)鍵,采用速度閉環(huán)控制方案。

4智能車開發(fā)與調(diào)試

4.1軟件開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)編譯下載是在IARIDE開發(fā)環(huán)境下完成的,EmbeddedWorkbenchforARM是IARSystems公司為ARM單片機開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境,這一開發(fā)環(huán)境使用方便、入門容易和代碼簡明緊湊。此外,由于在IAR軟件中進行編寫,調(diào)用,修正函數(shù)比較復(fù)雜繁瑣,所以使用了Sourceinsight3軟件進行輔助編寫小車程序。

4.2硬件開發(fā)環(huán)境

本次畢業(yè)設(shè)計所用的硬件開發(fā)平臺為著名硬件開發(fā)公司Altium公司的AltiumDesigner10,這已開發(fā)環(huán)境在板級設(shè)計特性、軟設(shè)計特性、數(shù)據(jù)管理特性、通用特性都較有優(yōu)勢。

4.3軟件調(diào)試

軟件調(diào)試主要包括:程序在線仿真調(diào)試,上位機調(diào)試。在線調(diào)試主要使用的是IAR中的調(diào)試器IARC-SPY。上位機調(diào)試主要是通過藍牙模塊將智能車運行過程中的狀態(tài)和SD卡采集的圖像及時地反饋到PC機上。

4.4現(xiàn)場調(diào)試

現(xiàn)場的調(diào)試包括攝像頭調(diào)焦以及固定、PID參數(shù)整定、速度控制算法的參數(shù)整定、智能車運行狀態(tài)等方面的調(diào)試。

5結(jié)語

在此次設(shè)計中,通過不斷不斷嘗試,不斷整改,發(fā)現(xiàn)問題,整改問題,最終達到我們預(yù)期的設(shè)計目標。在算法方面,首次采用閉環(huán)系統(tǒng)控制智能車,采用改進PID控制算法,對智能車速度及方向進行調(diào)整,使智能車較之前的開環(huán)狀態(tài)更加穩(wěn)定,最終完成了智能車的制作,實現(xiàn)了攝像頭采集識別,閉環(huán)控制等的功能。

作者：吳偉鴻 單位：嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院