飛思卡爾攝像頭智能車設(shè)計(jì)分析

翟朋輝

摘 要：基于MT9V032數(shù)字?jǐn)z像頭和飛思卡爾K60單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了自主尋跡的智能小車設(shè)計(jì)。分別介紹了智能車車體構(gòu)造及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案、智能車硬件設(shè)計(jì)、智能車圖像處理算法及電機(jī)PID控制算法。測(cè)試過程發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案具有良好的可行性，小車運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：攝像頭;K60單片機(jī);智能車

現(xiàn)如今無人駕駛技術(shù)正蓬勃發(fā)展，許多技術(shù)日益趨于成熟。各種傳感器技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也必將推動(dòng)無人駕駛技術(shù)研究更上一個(gè)臺(tái)階，愈加可靠的智能車走進(jìn)我們的生活指日可待。本次設(shè)計(jì)中的攝像頭智能車本著同樣的設(shè)計(jì)原則，追求快速性、穩(wěn)定性、精確性。智能車以飛思卡爾單片機(jī)為控制核心、攝像頭進(jìn)行路徑識(shí)別，PID算法控制小車行進(jìn)速度。

1 車體構(gòu)造及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 車體構(gòu)造

為了使小車在行駛時(shí)盡可能地保持快速、平穩(wěn)，硬件安裝時(shí)應(yīng)注意降低小車重心，如將電池、主板、電機(jī)盡量放置在同一平面;搭建硬件時(shí)采用高強(qiáng)度質(zhì)量輕的材料;攝像頭的放置應(yīng)盡可能地使視野開闊，盡量減少盲區(qū)。此外，機(jī)械安裝上的一些細(xì)小差別，如螺絲的松緊程度等都可能對(duì)小車行駛造成巨大影響，因此安裝時(shí)要不斷進(jìn)行調(diào)試檢驗(yàn)。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能車以飛思卡爾K60微控制器為核心控制單元，攝像頭用來獲取賽道信息，并將采集到的信息傳送給核心控制單元處理，處理后的結(jié)果作為小車接下來行駛路徑規(guī)劃的依據(jù);采用編碼器對(duì)小車速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);PID算法用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)行速度的閉環(huán)控制。智能車共有五大模塊：核心控制器模塊、攝像頭檢測(cè)模塊、速度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源供電模塊。

2 攝像頭智能車硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制器模塊

智能小車使用K60單片機(jī)，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。其具有處理速度快、性能穩(wěn)定及體積小的特點(diǎn)，主要用于對(duì)傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行分析處理從而控制小車行進(jìn)，以及利用PID算法對(duì)小車的速度進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.2 攝像頭檢測(cè)模塊

攝像頭作為智能車的“眼睛”，主要用于對(duì)賽道環(huán)境的識(shí)別，將采集的圖像信息傳送給核心控制器模塊進(jìn)行處理，是智能小車準(zhǔn)確行進(jìn)的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)采用逐飛科技MT9V032數(shù)字?jǐn)z像頭，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序并具有FPS可調(diào)、可自動(dòng)曝光、可實(shí)現(xiàn)二值化等優(yōu)點(diǎn)，但是功耗相對(duì)較高，工作電流大。

2.3 速度檢測(cè)模塊

早在車輛規(guī)劃設(shè)計(jì)早期，設(shè)計(jì)者們就已經(jīng)在車上加入了開環(huán)控制來確保車輛在行進(jìn)過程中的平穩(wěn)性，但是這種做法犧牲了車輛行進(jìn)速度。因此，若在車上安裝速度檢測(cè)器件，同時(shí)引入開環(huán)控制方案，便可以很好地解決上述問題。本設(shè)計(jì)采用編碼器進(jìn)行小車行駛過程中的速度檢測(cè)。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

飛思卡爾智能車速度的提高是參賽者不斷追求的目標(biāo)，而巧妙的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是提升小車速度的一個(gè)關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)中使用四塊BTS7960芯片兩兩并聯(lián)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用四路八位PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)電路具有較高的可靠性，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.5 電源供電模塊

電源供電模塊是小車驅(qū)動(dòng)力的來源，可靠的電源供電電路是小車穩(wěn)定行駛的基礎(chǔ)。小車所用的電池電壓為7.2V，當(dāng)需要5V電壓時(shí)需要對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用的降壓模塊具有較大的電壓允許輸入值，運(yùn)行環(huán)境寬廣，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3 攝像頭智能車軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像處理

采用二值化對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理。從中心向兩邊進(jìn)行搜索并測(cè)算十字搜線是否偏離了賽道，如果偏離了賽道，則進(jìn)行補(bǔ)線。彎道用到了斜率控制，而在終止冗余線段則用到了斜率和弧度進(jìn)行雙向判斷，進(jìn)一步提高了控制的精確性。

3.2 電機(jī)控制方式

使用數(shù)字PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，該算法可以在參數(shù)多變、控制模型不可控的實(shí)施對(duì)象中獲得較為理想的處置結(jié)果。本設(shè)計(jì)中采用增量式PID算法，其只有一個(gè)系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)公式為：

核心控制器通過攝像頭傳送的賽道信息判別此時(shí)賽道的狀態(tài)，并根據(jù)識(shí)別的不同結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的反饋控制命令，因此小車在行駛過程中要經(jīng)過多次變速。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，PID控制在此控制過程中獲得了較好的效果。

4 結(jié)語

基于MT9V032數(shù)字?jǐn)z像頭和飛思卡爾K60單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了自主尋跡的智能小車設(shè)計(jì)。攝像頭用來獲取賽道信息，經(jīng)核心控制器處理后控制小車運(yùn)動(dòng);編碼器用于對(duì)小車速度進(jìn)行檢測(cè);PID算法用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)行速度的閉環(huán)控制。測(cè)試過程發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案具有良好的可行性，小車運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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