光電智能車硬件系統(tǒng)的設計研究

牛瑞鋒

中興通訊股份有限公司 天津 300300

我國經濟的快速發(fā)展使我國快速進入現(xiàn)代化發(fā)展階段。隨著經濟與科技的快速發(fā)展，IT行業(yè)、信息技術、物聯(lián)網、人工智能等得到長足的發(fā)展。智能汽車發(fā)展如火如荼，成為朝陽行業(yè)。所以，智能車成為大家廣為關注的焦點。

1 光電智能車硬件平臺的設計方案

要針對其進行控制器的設計和驅動器的設計：基于STM32F407芯片進行獨立的核心控制模塊設計來解決更換的問題，同時根據基本的智能車需求，設計相應的電源模塊、按鍵模塊、通信模塊、以及留有相關的傳感器接口。控制系統(tǒng)是實現(xiàn)光電智能車控制的關鍵，通過對傳感器采集回來的環(huán)境數據進行分析運算，從而給予控制系統(tǒng)進行相應決策。編碼器采集電動機實際轉速并傳輸到控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)進行PID負反饋運算后，再對PWM信號進行調整，從而實現(xiàn)對光電智能車的電動機控制。上位機與STM32是通過以太網或者Zigbee無線模塊進行通信交互，實現(xiàn)對光電智能車的監(jiān)控與控制。（1）控制器的設計，控制器是決定硬件平臺性能的最關鍵部分。設計所選用芯片為STM32F407VGT6，該芯片所具備的資源和功能在STM32中屬于中端水平，對于智能車而言，可以滿足多種應用需求。在設計過程中，根據控制芯片需要易于更換的要求，控制器分為兩部分，第一部分是核心模塊，其只有芯片的最小核心模塊。第二部分為各功能模塊的集成底板，具備各類功能與接口。（2）驅動器的設計，驅動器是光電智能車的運動核心部分。設計的驅動方案采用經典的H橋驅動的原理，實現(xiàn)電動機的正反轉控制。在設計過程中，需要考慮到電動機的工作電壓和功率。驅動器的兼容性取決于工作電壓的范圍，因為采用寬電壓供電，所以采用型號為AOD444的N通道MOS管。根據MOS管的漏源極電壓VDS的范圍，該型號的MOS管的工作電壓理論上最高可以達到60V，最小可以達到5V。驅動器采用IR2184S芯片。在設計中，該芯片的工作電壓設置為12V即可。但是，由于工作電壓的范圍較廣，不適宜用于穩(wěn)壓到12V。驅動器上有一個接口用于與控制器進行連接，用于接收PWM信號的，所以控制器可以輸入5V電源，通過TPS61040可以升壓到12V為IR2184S提供電源。同時，為了避免光電智能車的電動機在負載增大時，燒毀MOS管，而在電源輸入位置設置保險絲。當電流達到保險絲規(guī)定的電流大小，保險絲就會自動斷開以避免驅動板燒壞[1]。

2 基于機器視覺的車道線檢測

機器視覺車道線檢測算法可分為基于模板、基于特征和基于區(qū)域的車道線檢測算法，其中，基于模板的車道線檢測算法抗噪性強、效果穩(wěn)定、應用廣，因此本文設計的系統(tǒng)采用基于模板的機器視覺車道線檢測算法。所設計系統(tǒng)采用的基于模板的機器視覺車道線檢測算法工作原理：（1）相機標定，利用OpenCV標定庫函數進行相機內、外參數標定，確定三維空間與二維圖像的對應關系；（2）逆透視變換，利用IPM（inverseperspectivetransform,逆透視變換)算法求解逆透視變換矩陣H和反逆透視變換矩陣Hinv，建立世界坐標系與圖像坐標系的映射關系，獲取IPM圖像；（3）圖像預處理，對IPM圖像進行閾值化處理，剔除左、右邊界，利用高斯濾波器對IPM圖像進行平滑處理，利用形態(tài)學腐蝕消除“斑點”噪聲，對降噪后圖像再作閾值化處理，獲取預處理圖像；（4）邊緣檢測，利用Canny算子將預處理圖像各獨立邊拼接為輪廓；（5）直線檢測，利用PPHT（progressiveprobabilisticHoughtra nsform，累計概率霍夫變換）進行累加，提取邊緣輪廓中的直線特征；（6）曲線擬合，過濾、合并各直線掩碼區(qū)，利用RANSAC（randomsampleconsensus，隨機抽樣一致）算法依次在每個掩碼區(qū)內選取局內點，并進行貝塞爾曲線擬合，之后對每個掩碼區(qū)的擬合曲線進行評分，保留得分最高的樣條曲線；（7）圖像后處理，在IPM圖像上擴展保留的樣條曲線，再次進行貝塞爾曲線擬合，對擬合后的樣條曲線特征點進行反逆透視變換，并將變換后樣條曲線融合到原始圖像上，最后對轉換后曲線進行匹配，剔除變換過程中產生的噪聲，獲取后處理圖像。

3 基于超聲波雷達的道路邊沿檢測

按照相關規(guī)定，三級以上多車道公路每條車道寬度多為330-375cm，小型轎車寬度多為150-200cm。車輛定位導航系統(tǒng)對車輛橫向定位精度的要求要遠高于縱向定位精度，且縱向定位誤差可通過擴大跟車距離予以補償，而橫向定位誤差則難以補償。因此定位導航系統(tǒng)設置4組超聲波傳感器，獲取道路邊沿數據，以提高橫向定位精度[2-3]。

4 光電智能車設計要求

（1）車模本設計使用“恩智浦”杯智能汽車競賽光電組C型車模。該車模采用后輪雙電機驅動，電機型號RN-260，前輪由FUTABA3010舵機控制轉向。（2）傳感器本設計使用面陣光電傳感器進行賽道和環(huán)境檢測。（3）賽道要求比賽是在PVC賽道上進行，賽道采用黑色邊線引導，賽道中存在的元素有直到、彎道、十字交叉路口、障礙、坡道、環(huán)形賽道。

5 結語

本文主要介紹了光電智能車硬件系統(tǒng)的設計方案，總體來說，本設計手段簡略可靠，實驗代價不高，使用的元件及電路結構不復雜，具有一定的代表性和推廣性，為眾多熱愛智能車設計的發(fā)燒友提供了可鑒之處。