線性CCD智能車自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭德占+那陽+王慶梓+李文順

摘 要：本設(shè)計(jì)是一種基于線性CCD檢測的智能車自主導(dǎo)航系統(tǒng)，采用藍(lán)宙電子公司的MK60DN5127VIQ108N300單片機(jī)為控制核心，主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、線性CCD、舵機(jī)以及反饋控制模塊構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)表明，智能小車能很好地識(shí)別賽道信息，并能很快地作出判斷，實(shí)現(xiàn)了自主轉(zhuǎn)彎、過障礙等功能。

關(guān)鍵詞：智能汽車；自主導(dǎo)航；單片機(jī)；自主轉(zhuǎn)彎；過障礙

中圖分類號(hào)：U469.79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0121-02

設(shè)計(jì)智能車所涉及的學(xué)科有機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字信號(hào)處理、傳感器技術(shù)、電路設(shè)計(jì)、C語言程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)、自動(dòng)控制原理等，因此智能小車是一個(gè)綜合了很多學(xué)科的制作。該設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩大方面，其中采集信號(hào)的模塊是線性CCD，MK60DN5127VIQ108N300單片機(jī)對線性CCD采集的信號(hào)進(jìn)行接收和處理，其中小車自主導(dǎo)航的依據(jù)就是單片機(jī)處理過的信號(hào)，從而能很好的控制小車轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、停止、加速、避障等，可以使智能車在賽道上進(jìn)行自主尋跡。

1 方案論證

1.1 為了降低小車在行駛過程中產(chǎn)生的震動(dòng)以及震動(dòng)對線性CCD的影響，經(jīng)過查閱質(zhì)料以及親自的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)加固C車模底盤使它成為剛體的方法可以有效減少震動(dòng)。

1.2 小車重心的確定，由于小車在轉(zhuǎn)彎過障礙的時(shí)候容易發(fā)生側(cè)翻。為了防止小車側(cè)翻把重心固定在底盤靠近車尾的地方，這樣就可以增加小車的可控性。

1.3 測試小車的賽道比較光滑，小車在直的長賽道上加速行駛，突然遇到急轉(zhuǎn)時(shí)彎易沖出賽道，為了防止小車沖出賽道可以打磨車輪胎，但是要注意力度，打磨過度輪胎就壞掉了，所以必須適當(dāng)打磨，這種方法可以提高小車的靈敏度，同時(shí)能更好的驅(qū)動(dòng)智能車加速。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為智能車設(shè)計(jì)最為重要的一環(huán)，需要特別可靠的方案來確保萬無一失。所以我們使用BTN7971芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的穩(wěn)定性高，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)且具有一定的抗干擾和自我保護(hù)能力，而且它還能提供良好的加速性能以及具備超強(qiáng)的散熱能力，是作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊芯片的不二之選[2]。

1.5 智能車使用7.2V容量為2000mah鋰離子電池進(jìn)行供電，由于各個(gè)模塊器件所需電壓值不同，所以我們需要使用不同的穩(wěn)壓芯片將電壓調(diào)整至各個(gè)模塊合適的電壓進(jìn)行供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片所需電壓為7.2V，可以直接連接電池使用，使用ASM1117（5V）線性穩(wěn)壓芯片將7.2V穩(wěn)壓成5V后給舵機(jī)供電，由于舵機(jī)是轉(zhuǎn)向的核心，所以它所需的電壓必須穩(wěn)定。用LM2940（5V）或TPS7350（5V）分別為MK60DN5127VIQ

108N300單片機(jī)、線性CCD、編碼器供電。

1.6 轉(zhuǎn)向模塊是設(shè)計(jì)和制作智能車的關(guān)鍵部分，因?yàn)檗D(zhuǎn)向性能會(huì)直接影響到智能車的速度和穩(wěn)定性。所以就需要使用舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，舵機(jī)是一種轉(zhuǎn)向裝置，雖然它的體積很小，但是它具有很大的力矩，可以使智能車在高速時(shí)更輕松和快速的過彎。這種裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定性優(yōu)秀，是制作智能車必不可少的器件之一。舵機(jī)的工作電壓為5V，但是通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高舵機(jī)電壓可以獲得更快的響應(yīng)速度，這樣就可以使智能車在更高速的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。舵機(jī)安裝在兩個(gè)前輪的正中間，這樣可以減小轉(zhuǎn)向時(shí)間，提高轉(zhuǎn)向速度[3]。

1.7 線性CCD可以說是智能車的眼睛，CCD是智能車的路況信息采集裝置，它能實(shí)時(shí)檢測所在路況信息并反饋給CPU進(jìn)行信息處理，并通過這些信息計(jì)算出偏移量等影響智能車轉(zhuǎn)向控制的因素，這些信息越精準(zhǔn)，檢測速度越快，智能車的速度也就越快，操控性也就越強(qiáng)。所以這種基于CCD的路徑識(shí)別系統(tǒng)的好壞直接影響智能車的性能。線性CCD擁有超遠(yuǎn)距離前瞻，可以提前檢測出轉(zhuǎn)彎、障礙等道路信息，及時(shí)反饋給CPU，處理信息后反饋給舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)彎和剎車等操作，所以CCD的性能越好，智能車的最大速度越大[3]。

在線性CCD的安裝上，我們使用了五軸固定的方法，通過五個(gè)點(diǎn)來固定CCD，這樣可以使CCD更穩(wěn)定，也利于調(diào)節(jié)。

CCD在智能車上的位置布局同樣至關(guān)重要，如果采用后置式CCD，就會(huì)帶來轉(zhuǎn)彎滯后等問題。而如果使用前置式CCD，就會(huì)出現(xiàn)車身抖動(dòng)和畫面模糊的問題。所以為了解決這兩個(gè)問題，經(jīng)過多次位置試驗(yàn)和調(diào)整，最終決定將CCD放置在中間靠前的位置，這樣可以較為完美的解決前置和后置所帶來的問題。

選用碳纖維作為CCD的支架，因?yàn)檫@種材料質(zhì)量輕，硬度大，能做有效支撐。為了確保CCD在高速移動(dòng)狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生位移影響性能，所以我們在制作時(shí)確定CCD所在位置后對它進(jìn)行雙重加固，這樣不僅能使其更加牢固，也能減輕電機(jī)對CCD模塊的震動(dòng)干擾。

1.8 光電編碼器也是制作智能車不可或缺的一部分，它通過計(jì)算單位時(shí)間編碼輸出脈沖來計(jì)算智能車的速度，反饋給CPU便可以獲取智能車的實(shí)時(shí)速度，更有利于控制小車速度。

1.9 在智能車的制作中，停車也是不可或缺的一個(gè)重要部分，在比賽中如果沒有停車系統(tǒng)，那就意味著你要在你原有成績上再加2S，這就可能導(dǎo)致你的成績不理想，所以停車所用的光電對管也是不能少的，光電對管主要是利用二極管來檢測黑線，如果2個(gè)同時(shí)檢測到黑線反饋給CPU。經(jīng)過處理后智能車可實(shí)現(xiàn)停車。

2 軟件部分

軟件算法主要由 PID 控制算法和預(yù)判算法等組成。中斷采集程序?qū)€性CCD傳回的信號(hào)進(jìn)行采集，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)送到MK60DN5127VIQ108N300來進(jìn)行處理，計(jì)算出控制參數(shù)發(fā)送到舵機(jī)等模塊，實(shí)現(xiàn)加減速停車，轉(zhuǎn)彎等功能。

算法調(diào)整完成后需要進(jìn)行一系列的賽道測試來測試智能車的實(shí)際情況，因?yàn)楸荣愘惖罆?huì)很復(fù)雜，所以我們進(jìn)行了各種賽道和路況的測試，通過對直線、彎道、交叉路和大S等復(fù)雜賽道的測試，發(fā)現(xiàn)了一系列問題，其中最主要的是CCD在進(jìn)行采集圖像時(shí)的數(shù)據(jù)過于龐大，導(dǎo)致CPU不能及時(shí)將所有數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，導(dǎo)致反饋不及時(shí)等現(xiàn)象。所以我們需要將CCD所提取的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。我們首先篩選出賽道兩旁的黑線，將黑線定位邊界，進(jìn)行在黑線內(nèi)的掃描和采集通過對不同賽道測試和試驗(yàn)，最終確定了一套不同賽道的偏差值和有效值的數(shù)據(jù)。這樣就能使智能車在不同賽道也能很好的控制速度和方向。

3 測試與結(jié)果

主板的設(shè)計(jì)和硬件的搭配對智能車的性能至關(guān)重要，需要不斷調(diào)試硬件參數(shù)使智能車達(dá)到最佳性能，在直線賽道上提升智能車的加速度，更快的起步，CCD檢測到彎道信息后，立刻反饋到CPU使小車減速，然后順利通過彎道。提高PWM的占空比可以使智能車的速度調(diào)節(jié)更快，經(jīng)過一系列優(yōu)化，可以使智能車在賽道加速更快，轉(zhuǎn)彎更準(zhǔn)，減速更迅速。這樣可以使智能車的速度有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。

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