單目視覺智能小車控制系統(tǒng)的研制

石興旺 任國臣

摘 要：針對單目視覺智能小車控制系統(tǒng)，采用K60微控制器作為核心控制單元，選用OV7725攝像頭進行運動軌跡及物體識別，使用廣州科創(chuàng)電子的mini型編碼器進行小車測速，BTN7971作為電機驅(qū)動芯片，采用MOS全橋驅(qū)動，可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動智能小車的運動;在軟件設計方面，給出了物體位置中心點坐標提取算法、智能小車驅(qū)動電機、舵機控制思想以及主程序流程圖。

關鍵詞：單目視覺;攝像頭;PID;OV7725

Abstract：Aiming at the single-vision intelligent vehicle control system，K60 microcontroller is used as the core control unit，and CMOS camera OV7725 is used to track and recognize the object，BTN7971 is used as motor driver chip and MOS full-bridge driver to realize the forward and reverse of the motor，thus driving the intelligent car motion.The BTN7971 is used to measure the speed of the small car with the mini encoder of Guangzhou Kechuang Electronics.In the aspect of software design，the realization method of object position center point coordinate extraction and tracking is given，which ensures that the car has the function of autopilot and target tracking.

Key words：Smart car;Camera;MK60 module;OV7725

1 緒論

隨著社會的進步及科技發(fā)展，智能交通和貨物運輸已逐漸深入人心，人們更加熱衷于智能化汽車及先進的物流運輸分揀技術(shù)的研究。智能汽車集合了環(huán)境感知，數(shù)據(jù)處理，決策控制等多種技術(shù)為一體的復雜控制系統(tǒng)。車輛利用視覺傳感器和定位系統(tǒng)對車輛周圍環(huán)境進行檢測，利用計算機系統(tǒng)對車輛進行路徑規(guī)劃和運動控制，實現(xiàn)軌道自動導向、追蹤車輛巡航和防止車輛事故追尾。因此，研究單目視覺智能小車控制系統(tǒng)，有利于對推廣智能車輛技術(shù)應用，具有非常廣闊的市場價值和應用前景。

2 單目視覺智能小車控制系統(tǒng)硬件設計方案

研制的單目視覺智能小車主要側(cè)重運動狀態(tài)控制，因此，智能小車控制系統(tǒng)硬件主要包括電源模塊、主控模塊、采集模塊、舵機控制模塊、電機控制模塊、顯示模塊以及通信模塊等部分。小車在運行過程中，通過數(shù)字攝像頭傳感器獲取前方路況信息，將信息傳送給CPU，依據(jù)圖形分析前方物體及運動軌跡，CPU做出小車控制決策，并通過PWM信號控制直流電機和舵機做出相應動作，并由mini光電編碼器構(gòu)成反饋，實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向和速度的閉環(huán)控制。圖1為控制系統(tǒng)總體硬件設計方案框圖。

智能小車總體分為采集檢測系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)、動力反饋系統(tǒng)三個重要組成內(nèi)容部分。其中采集檢測系統(tǒng)采用CMOS數(shù)字攝像頭OV7725，控制決策系統(tǒng)由MK60N512ZVLL100模塊依據(jù)實時獲取的信息作出控制決策，動力反饋系統(tǒng)主要由舵機和電機的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)組成。綜合考慮小車運動性能指標要求，采用智能功率驅(qū)動芯片BTN7971實現(xiàn)2個直流電機的驅(qū)動。

3 物體位置中心點坐標提取方法

在實際工作過程中，小車對運行軌跡和物體識別方法基本相同。貨物在圖像中所呈現(xiàn)的大小會與車體和貨物之間的相對距離的遠近，角度大小等因素有關，因此，對同一物體進行采集，得到的圖像中貨物呈現(xiàn)的大小也會有所不同，所以，在設計中選擇以貨物圖像的中心點代替實際圖像。假設貨物在圖像中呈現(xiàn)出的圖案如圖2所示，在操作中首先確定x1和x2的值。在像素中從左到右選中一列，掃描其中是否有顏色突變的點，首次出現(xiàn)有顏色突變的列定義為x1，最后出現(xiàn)有顏色突變點的列定義為x2。依同樣原理，在像素中從上到下選中一行，掃描其中是否有顏色突變的點，首次出現(xiàn)有顏色突變點的列定義為y1，最后出現(xiàn)有顏色突變點的列定義為y2。此方法對顯示緩沖區(qū)像素掃描2次，即橫向和縱向各掃描1次。物體中心坐標計算方法如下：物體中心橫坐標x0=x1+x22物體中心縱坐標y0=y1+y22。圖3為貨物中心坐標程序流程圖，此方法計算物體中心坐標的準確性依賴于物體形狀的緊湊程度，一般情況下能獲得滿意效果。

4 小車電機、舵機控制方法

小車舵機采用的是Futaba 3010型舵機，該舵機的標準控制信號是周期20ms，正脈寬在0.5ms-2.5ms之間的PWM信號。其中0.5ms的占空比對應舵機的轉(zhuǎn)角為-90°，1.25ms的占空比對應的舵機轉(zhuǎn)角為0°，2.5ms的占空比對應的舵機轉(zhuǎn)角為+90°，出舵機控制信號不同的占空比直接對應于不同的舵機轉(zhuǎn)角，這與位置式PID控制算法的作用規(guī)律一致，因此對于舵機的控制即采用了位置式PID控制算法。由于PID控制過程中積分項I控制因數(shù)具有一定的延時性，會導致舵機轉(zhuǎn)向變慢，因此在舵機控制中決定舍棄積分項I控制，將PID控制簡化成PD控制。智能車驅(qū)動電機采用閉環(huán)PID控制，其控制流程是通過速度傳感器獲取小車當前運行速度，將當前速度與設定值進行比較，進而得到偏差，偏差通過增量式PID公式運算后輸出相應PWM控制量，控制量通過電機驅(qū)動作用于電機，最終達到對電機速度的控制。

5 系統(tǒng)主程序流程圖

在主程序流程圖中，首先是對各硬件模塊初始化，初始化完成后由攝像頭進行圖像的采集，并由MK60N512ZVLL100模塊對圖像數(shù)據(jù)進行處理，完成數(shù)據(jù)處理后，MK60N512ZVLL100模塊根據(jù)處理后得到信息控制舵機轉(zhuǎn)向與電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)小車對于貨物的跟蹤，并記錄當前貨物量;如果已經(jīng)達到了設定值，則小車停止運行，否則將開始新的一輪的貨物拾取，主程序流程圖如圖3所示。

6 結(jié)論

智能小車控制系統(tǒng)采用了高性能的MK60N512ZVLL100模塊作為控制核心，通過CMOS OV7725攝像頭獲取道路信息，通過PID控制策略和PWM控制技術(shù)對小車的轉(zhuǎn)向和速度進行控制，最后通過實物制作與調(diào)試，驗證了智能小車控制系統(tǒng)硬件設計和軟件設計以及相應控制算法的正確性。

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作者簡介：石興旺，學生;任國臣，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化以及智能裝置。