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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)代科學技術,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。

關鍵詞:

攝像頭；智能汽車；設計方案

本設計是基于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線,在此基礎上利用合理閉環(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智能車整體結構的選型與設計

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傳感器的基礎電路作為接收燈塔光信號一個基礎電路,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

本次設計采用由飛思卡爾半導體公司贊助的G768型車模,即為競賽中的C車模。

2智能車硬件電路設計

2.1硬件設計方案

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

2.2電路設計方案

本次設計將智能車系統(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。考慮到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)的硬件電路設計主要包括以下幾個部分:電源電路、時鐘電路、JTAG接口、復位電路。

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智能車軟件算法設計

3.1軟件控制整體設計

本次設計所用的軟件調(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主程序結構

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)設定上,我們在主板上設置了一組四位的撥碼開關和三個按鍵結合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)境在板級設計特性、軟設計特性、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結語

在此次設計中,通過不斷不斷嘗試,不斷整改,發(fā)現(xiàn)問題,整改問題,最終達到我們預期的設計目標。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：嘉興學院機電工程學院