基于“STC80C51單片機”的智能小車系統(tǒng)的設計

羅禮進++肖臣鴻++劉星++倪麒開++閆飛旭

摘要：以STC80C51單片機為控制核心，集光、電、機、無線通信等技術為一體，運用檢測技術、自動控制技術、無線通信技術、電子技術，制作一個可用于特定環(huán)境下的智能車輛系統(tǒng)，具有感知環(huán)境、規(guī)劃決策、自主識別路線進行行駛，可實現(xiàn)自主尋跡、自行避障。

關鍵詞：STC89C51單片機；循跡；避障

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）17-0172-02

Abstract： To manufacture an intelligent vehicle system which can be used in a specific environment， the intelligent minicar takes the STC80C51 single chip as the control core， sets light， electric， mechanical， wireless communication and other technologies as one and applies detection technology， automatic control technology， wireless communication technology and electronic technology. It can sense the environment， carry on the planning decision-making and the independent recognition route to carry on the traveling， simultaneously may realize the self seeking track， automatically avoids the barrier.

Key words： STC80C51 single chip， tracking， obstacle avoidance

1 概述

隨著社會的進步，物質生活水平與生產水平的提高，人們對智能的要求也在不斷提高，其中車輛操控的智能化引起人們廣泛的關注，其在交通運輸、生產自動化、制造業(yè)、危險環(huán)境作業(yè)等領域有著廣闊的研究應用前景。

本設計是一個以單片機為控制核心，以攝像頭和光電編碼器為傳感元件，以電機和舵機為驅動與轉向裝置的智能控制系統(tǒng)。在設計中運用了檢測、自動控制、無線通信和電子等方面的技術，集感知、識別、規(guī)劃、決策、行動為一體，可在特定環(huán)境中完成自主尋跡、自行避障、平穩(wěn)行駛。

2智能小車系統(tǒng)的總體設計

本智能小車系統(tǒng)是由中央處理器模塊、信息檢測模塊（包括圖像采集模塊和速度檢測模塊）、電機驅動模塊、舵機控制模塊、通信及調試模塊、電源模塊等組成，其總體結構框圖如圖1所示。

中央處理器模塊選用STC80C51微處理器，是整個智能小車控制系統(tǒng)的核心。圖像采集模塊采集到的圖像數(shù)據以及速度檢測模塊測出的速度信號都需要經過微處理器來進行分析和處理，然后通過電機驅動模塊和舵機轉向模塊控制小車的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)智能小車穩(wěn)定自主行駛[1]。

信息檢測模塊包括圖像采集模塊和速度檢測模塊。其中圖像采集模塊依靠數(shù)字攝像頭對道路進行監(jiān)測，由攝像頭采集到圖像信息，運用灰度處理方法對圖像進行處理，轉換成控制信號[2]。同時，攝像頭采集到圖像信息通過Jpge-streamer解碼，使之變成JPG格式圖片，傳送到上位機，實現(xiàn)對小車運行路況的遠程監(jiān)控[3]。速度檢測模塊是通過光電編碼器測速，將小車的速度信息反饋給中央處理器模塊，以便進行決策和控制[4]。

電機驅動模塊是為智能小車的行駛提供驅動力，同時依據電壓大小控制轉速原理，將微處理器針對圖像采集模塊與速度檢測模塊采集到的數(shù)據信號進行表達，從而改變電壓占空比來改變直流電機的轉速，實現(xiàn)控制智能小車的運行快慢與停止[5]。

舵機轉向模塊的作用是改變智能小車的運行方向，實現(xiàn)轉向功能。在智能小車行駛過程中，由微處理器傳送來的控制信號進入調制芯片，獲得直流偏置電壓。將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出，電壓差傳輸?shù)诫姍C驅動芯片控制電機的正轉與反轉[6]。

電源模塊為智能小車控制系統(tǒng)中的其他模塊提供所需的電源。

3智能小車的硬件設計

為便于測試與調整，采用模塊化的設計，按功能的不同設計成六個模塊。以下介紹各主要模塊的硬件設計。

3.1圖像采集模塊

圖像采集模塊的核心部件是攝像頭，是由鏡頭、圖像傳感器、信號處理芯片三個部分集合而成。本設計采用OV6620CMOS數(shù)字攝像頭，其內包含356292像素陣列、模擬信號處理器、A/D轉換器、數(shù)字數(shù)據格式化器、寄存器、時序發(fā)生器、自動曝光控制、白平衡控制以及視頻輸出端口、SCCB接口。使用時場中斷信號VSYNC引腳連接到STC80C51的中斷輸入引腳P3.2，行中斷信號HREF引腳連接STC80C51的中斷輸入引腳P3.3，數(shù)據輸出口Y0-Y7引腳連接到STC80C51的GPIO引腳。

3.2速度檢測模塊

速度檢測模塊采用反射式增量編碼器完成速度信息的采集。編碼器包括印刷有黑白條紋的碼盤、紅外線發(fā)射器和接收器，碼盤緊附在車輪的輪盤上，紅外線發(fā)射器和接收器對準碼盤。發(fā)射器發(fā)出的紅外光照射到碼盤上，反射產生與車輪速度成正比的光脈沖信號，投射到接收器，然后轉換成電脈沖信號， 再傳送到微處理器進行計數(shù)即可算出小車的運行距離和速度。本設計方案采A6A2-CW5C增量式旋轉編碼器，其具有較寬的工作電壓（5V-24V），工作電流小于20mA，分辨率達500p/r。

3.3電機驅動模塊

電機驅動模塊由直流電機和驅動芯片兩部分組成。本設計中電機選用RS-380SH電機，是屬無刷直流電機，具有0.1W-40W的輸出功率。驅動芯片選用LMD18200驅動芯片，是集成有CMOS控制電路以及DMOS功率器件的專用于直流電動機驅動的H橋組件，工作電流為3A-6A，可產生足夠大的驅動功率。圖2是由LMD18200和RS-380SH構成的電機驅動電路。PWM波由LMD18200的5腳輸入，借助調節(jié)PWM的占空比就可改變電機的轉速，電機的正反轉是通過改變3腳電平的高低來實現(xiàn)。此電路具有驅動能力強、運行穩(wěn)定、操控方便等優(yōu)點。

3.4舵機控制模塊

舵機控制模塊由直流電機、減速齒輪組、舵盤、位置反饋電位計、控制電路等組成，一般把這幾部分集成為一體式。本設計中采用Futaba S3010型舵機。圖3為舵機轉角與PWM脈寬關系曲線，即舵機的輸出轉角度數(shù)與輸入的PWM信號值呈線性關系。圖4為舵機接口示意圖，單片機憑借攝像頭收集到的道路信息，通過計算分析，輸出PWM控制信號，傳送到舵機的PWM輸入端，經由舵機控制，改變輸出轉角，實現(xiàn)小車的轉向。

3.5電源管理模塊

該模塊由蓄電池和穩(wěn)壓電路組成。蓄電池選用7.2V、容量為2000mAh可充電式的鎳鎘蓄電池。因為智能小車各個模塊的工作電壓不同，為此設計了相應的穩(wěn)壓電路，將鎳鎘蓄電池的電壓轉換成各個模塊所需要的工作電壓，并采取穩(wěn)壓措施。

4智能小車系統(tǒng)的軟件設計

4.1圖像采集及黑線提取算法

OV6620攝像頭每秒可采集25幀50場14600行圖像信號。為減輕處理器的負荷，提高處理效率，根據道路的特點，只需利用每幀圖像的部分行信號，就可完成小車的導航?？紤]到攝像頭的拍攝位置、道路的情況等因素，經過反復的比對調試，我們采用了從100行到400行的圖像信號作為提取信號。

為了從提取的圖像信號中獲取黑線位置，我們采用跟蹤邊緣算法。這是一種在直接邊緣算法的基礎上改進而成的算法。直接邊緣算法的要點是對提取的每行信號進行逐點灰度值的比較，根據相鄰兩點的差值是否大于設定的閾值來獲得黑線的兩個邊緣位置坐標，取其平均值作為黑線位置。這種算符因需要對每個像素點進行比對運算，占用的資源較多，影響運算速度。而經過改進的跟蹤邊緣算法，根據相鄰兩行的黑線位置比較接近的特點，在利用直接邊緣算法找出第一行（或前幾行）黑線位置的基礎上，在尋找下一行黑線位置時，可在上一行黑線位置的附近尋找即可，無需逐點尋找。這樣可節(jié)省大量資源，提高運算的速度與效率。

4.2電機和舵機控制算法

為確保對小車實現(xiàn)精準、快速、平穩(wěn)的控制，我們對小車運動狀態(tài)的控制部分采用了控制算法中應用較廣且效果良好的PID控制算法。PID控制是將從控制對象采集到的數(shù)據反饋到控制器的輸入端并與基準值進行比較，得出差值，再依據差值進行比例（P）、積分（I）和微分（D）運算，計算出控制量，傳送給控制對象對其進行閉環(huán)控制?？紤]到控制受車的重量、道路的不平以及小車過去的運動狀態(tài)等因素的影響，為獲得更佳的控制效果，進一步采用PID控制算法中的增量式PID控制算法。其閉環(huán)控制如下圖5所示。

根據電機控制與舵機控制的不同特點，以及電機與舵機執(zhí)行能力的差別，尤其要考慮舵機內部已有反饋系統(tǒng)，響應能力更強，所以要分別對電機控制和舵機控制設置相應的比例控制參數(shù)、積分控制參數(shù)、微分控制參數(shù)，并反復進行調試。

5總結

本設計的智能小車系統(tǒng)，經過反復的調試后，性能良好，響應靈敏、控制準確，運行平穩(wěn)，可完成以下任務：1）在特定賽道上的平穩(wěn)運行，包括起步、直線行駛、轉彎行駛、S彎道行駛、停止；2）避障，即在運行過程中遇到障礙物，能完成躲避繞行；3）直線上坡和直線下坡；4）實時通訊，實施顯示小車當前的道路狀況、小車的計算軌道、小車的運行狀態(tài)參數(shù)。

參考文獻：

[1] 王長濤，韓忠華，夏興華.單片機原理及應用——C語言程序設計與實現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2014：98-158.

[2] 王建飛.基于單片機控制的自動往返小汽車的新設計[J].現(xiàn)代與電子技術，2006，234（19）：127-129.

[3] 蔡福喜，黃大貴.基于模塊化設計思想的測控系統(tǒng)框架設計[J].測控技術，2009，28（1）：55-61.

[4] 吳建平，殷戰(zhàn)國，曹思榕.紅外反射式傳感器在自主式循跡小車導航中的應用[J].中國測試技術，2004，48（11）：21-23.

[5] 沙文，陳誠，葛立峰.基于單片機控制AD9851的信號源研究[J].微處理機，2010，31（1）：116-121.

[6] 黃大志，周慶貴，陳業(yè)強.基于單片機輪式尋跡機器人控制系統(tǒng)的設計[J].機床與液壓，2009，37（8）：350-352.