基于嵌入式系統(tǒng)的全自動(dòng)控制小車(chē)設(shè)計(jì)與研究

孫小淋　周冬梅

摘要：全自動(dòng)控制小車(chē)可應(yīng)用于工業(yè)、生活、勘探以及航天探月等場(chǎng)合，具有非常實(shí)際的研究意義。介紹了智能小車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)對(duì)攝像頭圖像復(fù)雜的處理，分析路面的情況，實(shí)現(xiàn)尋軌自動(dòng)行駛；文章完成了一個(gè)基于嵌入式系統(tǒng)的全自動(dòng)控制小車(chē)樣機(jī)，具有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：嵌入式 模擬攝像頭 道路識(shí)別 自動(dòng)駕駛

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0110-01

近年來(lái)，隨著智能交通、人工智能以及控制技術(shù)的發(fā)展，智能車(chē)輛的研究在智能交通領(lǐng)域已成為熱門(mén)課題。文章設(shè)計(jì)的小車(chē)由飛思卡爾公司的Cortex-M4處理器MK60DN512ZVL為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制核心，Sony CCD模擬攝像頭對(duì)道路實(shí)時(shí)圖像采集，歐姆龍對(duì)小車(chē)速速實(shí)時(shí)檢測(cè)。最后在賽道上對(duì)小車(chē)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)并評(píng)估。

1 系統(tǒng)概述

基于嵌入式系統(tǒng)的全自動(dòng)控制小車(chē)采用嵌入式微處理器構(gòu)成小車(chē)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)將攝像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析（圖像處理）解析賽道的情況參數(shù)，將參數(shù)通過(guò)PID算法轉(zhuǎn)換為電機(jī)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而控制小車(chē)的行駛方式[1]。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1。

2 主模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式最小系統(tǒng)模塊電路

MK60DN512ZVL系列單片機(jī)具有豐富的外圍資源；最小系統(tǒng)有功耗低性能高和強(qiáng)大的處理能力的特點(diǎn)。

（1）K60最小系統(tǒng)電路用于信號(hào)處理和小車(chē)控制；

（2）JTAG接口用于調(diào)試和下載程序；

（3）ARM工作需要3.3V電壓同時(shí)接入磁珠，增強(qiáng)電路抗干擾能力。

2.2 無(wú)線傳輸模塊電路

無(wú)線傳輸采用藍(lán)牙設(shè)備，它具有高靈敏性接收、低成本、體積小巧、低功耗、傳輸穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。此模塊電路是一個(gè)可插拔的獨(dú)立模塊，只需兩個(gè)數(shù)據(jù)接口與單片機(jī)相連就可通信。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

NovalithIC家族有三個(gè)獨(dú)立的芯片，BTS7971是其中之一。一是具有高電位場(chǎng)效應(yīng)晶體管的p型通道；二是具有低電位場(chǎng)效應(yīng)晶體管的n型通道，它與驅(qū)動(dòng)晶片作用，共同形成一個(gè)完全整合的高電流半橋；這三個(gè)芯片是安裝在一個(gè)共同的引線框。

2.4 圖像二值化電路

LM1881是經(jīng)典視頻信號(hào)的同步分離芯片，為視頻信號(hào)的處理提供了極大的方便。視頻圖像經(jīng)視頻分離芯片LM1881將視頻信號(hào)分為場(chǎng)中斷、行中斷、圖像信號(hào)后，圖像信號(hào)經(jīng)LM393與參考信號(hào)比較，將灰階圖像轉(zhuǎn)換為黑白信號(hào)，可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)比較的閥值[2]。

2.5 光電編碼器模塊

光電編碼器安裝在主驅(qū)動(dòng)齒輪上，是通過(guò)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，然后再對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理得到位置速度，編碼器特點(diǎn)如下：

（1）根據(jù)軸的輸出位移的變化，再與聯(lián)合器和軸想作用可以檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)位移量。

（2）開(kāi)始時(shí)，原點(diǎn)不需要重置。在對(duì)型時(shí)，將旋轉(zhuǎn)角度億絕對(duì)數(shù)值的方式平行輸出。

（3）可以檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向。增量型通過(guò)A相和B相的輸出時(shí)間，絕對(duì)型通過(guò)增刪代碼來(lái)確定旋轉(zhuǎn)方向。

3 智能小車(chē)調(diào)試

3.1 舵機(jī)和電機(jī)控制

要讓小車(chē)安全行駛，采用了電機(jī)和舵機(jī)控制速度。電機(jī)的控制，使用的是增量式PID，它由微積分和比例量組成。系統(tǒng)對(duì)各路信號(hào)采樣，由此得到輸出量化值；通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)以適應(yīng)各種情形的需要，使系統(tǒng)的響應(yīng)性達(dá)到最高，以保證最佳的控制性能。

舵機(jī)的控制采用的是位置式PID算法。對(duì)于舵機(jī)控制量的提取，首先需要圖像處理計(jì)算出來(lái)的中心的數(shù)據(jù)。將圖像的每行的中線數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)參考值相減，將值累加后，帶入到PID算法中計(jì)算，將計(jì)算出來(lái)的結(jié)果裝換為控制舵機(jī)的PWM波的占空比從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵大小。

PID控制主要是調(diào)整參數(shù)。智能車(chē)參數(shù)系統(tǒng)是高耦合分布的，而且賽道具體環(huán)境也具有影響力，那么就很難對(duì)智能車(chē)運(yùn)動(dòng)控制做到精確的控制；由于要經(jīng)常的不斷修正車(chē)身的機(jī)械結(jié)構(gòu)，模型參數(shù)也要不斷地變化，在這里采用的是工程整定方法。

3.2 道路形狀識(shí)別算法調(diào)試

（1）直道的識(shí)別：采樣是根據(jù)等間隔采樣。從直線的特性可以看出，不論橫縱坐標(biāo)，直線的中心點(diǎn)都應(yīng)該等于起點(diǎn)和終點(diǎn)的一半。即使掃描到的圖像出現(xiàn)誤差，計(jì)算出的彎曲程度也會(huì)是一個(gè)很小的數(shù)。

（2）大彎的識(shí)別：我們可以通過(guò)計(jì)算道路彎曲程度得出道路的彎曲的方向。如果挨著車(chē)的道路是直線，而遠(yuǎn)離車(chē)的道路沿著一個(gè)方向彎曲，且彎曲程度非常小小，就可以判斷為大彎。

（3）急彎的識(shí)別：計(jì)算出道路中每段的彎曲程度，如果靠近車(chē)的道路的彎曲程度都非常小，在遠(yuǎn)離車(chē)的道路的彎曲程度都非常大，而且他們的彎曲方向都是一樣的，那么就可以判斷為急彎。

（4）大S彎識(shí)別：這種路形大部分路段的彎曲程度都非常大，但在兩彎相交處也會(huì)出現(xiàn)彎曲程度比較小的情況，而且它有一個(gè)很明顯的特點(diǎn)就是彎曲程度正負(fù)都包含很大的數(shù)。

（5）小S彎識(shí)別：小S型彎與大S型非常類(lèi)似，唯一不同的之處就是小S型道彎曲程度的絕對(duì)值都是一些適中的數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

文章把電路劃分為幾個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要對(duì)嵌入式最小系統(tǒng)模塊電路、系統(tǒng)電源電路、無(wú)線傳輸模塊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、圖像二值化電路電路、光電編碼器模塊電路等電路進(jìn)行實(shí)物的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]臧春華，邵杰，魏小龍.綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]李鵬博.基于視頻的自動(dòng)巡航智能小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.