基于光電導航無人駕駛智能車設計

西南科技大學理學院 陳 浩 甘 露

1.研究內容

設計一輛具有光電導航功能的智能車，要求在指定賽道上從起點出發，經過現場隨機確定的至少5個十字或丁字路口（包括左轉、右轉或直行）后，進入指定位置的停車位并停好，結束后發出聲光提示。

2.研究方案

本方案采用模塊化的設計方式來實現智能車穩定及快速的性能，主要由MC9S12XS128控制核心、電源管理模塊、道路識別模塊、車速檢測模塊、舵機控制單元以及直流電機驅動單元構成。

本設計采用OV7620數字攝像頭采集道路前方的路況信息，轉換成圖像之后經單片機分析，驅動舵機控制單元，實現左轉或者右轉的功能；利用光電編碼器來檢測速度，經單片機分析處理驅動直流電機控制單元，實現加速或者減速的功能；采用電源管理模塊分別為各個模塊提供所需要的電源電壓。

3.技術路線及可行性分析

3.1 技術路線

本設計方案采用模塊化的方式來實現對智能車性能的分別控制，如圖1所示：

圖1 系統結構圖

3.2 可行性分析

3.2.1 硬件部分

3.2.1.1 核心控制單元

本智能車是基于Freescale公司的16-bit單片機MC9S12XS128控制的。MC9S12XS128單片機具有設計靈活性、平臺兼容性的特點，并對電子平臺實現了可升級性、硬件和軟件可重復性以及兼容性。S12X系列單片機既經濟又可兼容帶XGATE協處理器的S12XE系列單片機，從而削減了成本并縮小了封裝尺寸。

MC9S12XS128單片機CPU屬于增強型16位CPU，片內總線時鐘最高40MHz；其片內具有8KB RAM、128KB程序閃存、2KB數據閃存；脈寬調制模塊(PWM)可設置成8路8位或者4路16位，邏輯時鐘選擇頻率寬；具有1個8路12位精度A/D轉換器；另外片內還具有增強型捕捉定時器。完全可以勝任大量的數據處理和控制工作。

3.2.1.2 路徑識別單元

市面上常見的攝像頭主要有CCD和CMOS兩種：CCD攝像頭具有對比度高、動態特性好的優點，但工作電壓為12V，需要對電池電壓進行升壓處理；CMOS攝像頭體積小，耗電量小，圖像穩定性較高。對于CMOS攝像頭分為數字和模擬兩種。數字攝像頭OV7620可以直接輸出8路數字圖像信號，使主板硬件電路的簡化成為可能，且能夠達到60幀/S的幀速率，因此我們選用數字攝像頭OV7620，如圖所示。

OV7620是1/3CMOS彩色/黑白圖像傳感器。它支持連續和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種圖像格式；最高像素為664×492，幀速率為30fps；數據格式包括YUV，YCrCb，RGB三種，能夠滿足智能車圖像采集系統的要求。

基本參數如下：

◆大小：33x27x24(mm)；

◆掃描方式：逐行/隔行掃描；

◆信噪比：＞48dB；

◆最大像素：(H)664x(V)492；缺省有效像素：(H)640x(V)480；

◆5V電源供電；

◆工作時功耗＜120mW，待機時功耗＜10uW。

圖2 OV7620圖像傳感器

圖3 OV7620引腳示意圖

3.2.1.3 電機控制單元

智能車的速度一般表較快，通常速度達到2m/s以上，因此對電機驅動電流要求比較高，電機驅動電路必不可少。

我們使用BTS7960驅動芯片。這種芯片的好處是外圍電路簡單。通過設計電路，能使電機正轉以及翻轉反轉，而且使用PWM波控制，能起到很好的驅動效果。具體情況見圖4所示：

圖4 電機控制單元

3.2.1.4 速度檢測模塊

光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成，當光柵盤開始旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測出若干脈沖信號，通過計算一定時間光電編碼器輸出脈沖的個數就可以反映出當前的速度。

本設計中選用歐姆龍E6A2-CW5C旋轉編碼器，單相輸出，每圈500個脈沖，5V電壓供電。

圖5 6A2-CW5C旋轉編碼器實物圖

3.2.1.5 電源管理單元

電源是一個系統正常工作的保障，關系著小車是否能正常的運行。

本設計采用7.2V 2000mAh Ni-Cd電池供電。而單片機和傳感器需要5V電源，舵機需要6V電源，電機驅動模塊則需要7.2V電源，因此我們需要穩壓芯片降低電壓以提供給各個模塊使用。

經過大量選型和測試過后，我們選擇了LM2576和TPS7350。LM2576是外圍電路簡單，散熱快，最大輸出電流3A，經過TPS7350穩壓后，輸出5V，對單片機、傳感器和測速模塊等供電。TPS7350為微功耗低壓差線性穩壓器件，具有完備的保護電路，包括過流、過壓、電壓反接保護。使用這個芯片只需要極少的外圍元件就能構成高效穩壓電路。經過LM2576穩壓后，輸出6V，對舵機供電。如圖6、圖7所示為電源模塊基本電路圖。

圖6 LM2576穩6V電路

圖7 TPS7350穩5V電路

圖8

3.2.2 軟件部分

首先確定兩件事情，一是攝像頭采集到的是一幅圖像，本質的說就是點陣的集合。二是標志物在這幅圖像中的呈現是什么，如何突出標志物的不同。

3.2.2.1 導航的實現

我們是通過左右兩個標志物來確定中心值，然后根據這個中心值來實現導航。如圖8所示。

3.2.2.2 轉彎的實現

通過采集的圖像大小判斷車與標志物的位置，然后在一個設定大小處執行一個固化轉彎程序，實現轉彎90度，然后再打開圖像采集，根據下一個標志物導航路線。至于轉向，就是根據檢查到的黑色長方形里面是否有白色來判斷轉向，如果都沒有就是跑直道。如圖9所示。

圖9

3.2.2.3 入庫的實現

首先看到庫的標準，沒看見庫之前速度比較快，為了避免側滑，采用回退打正車身的方法，然后慢速尋找尋庫的準確位置。當找到后就反打舵機后退，讓車身垂直賽道尋找進庫中心線，通過反復調整車身找到最佳進庫位置，然后進庫停車。如圖10所示。

4.特色與創新點

(1)只采用攝像頭單一導航方式，技術含量高，研究具有現實意義；

(2)智能車速度快，可達2m/s，且能自動識別最短路徑；

(3)整體采用模塊化設計方式，便于設計、調試和安裝；

(4)進庫方式與現實汽車進庫基本一致。

[1]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京:清華大學出版社,2004,10.

[2]卓晴,黃開勝,邵貝貝等.學做智能車——挑戰“飛思卡爾”杯[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007,3.

[3]胡晨暉,陸佳南,陳立剛.上海交通大學CyberSmart隊技術報告[R].