基于嵌入式系統(tǒng)的全自動控制小車設計與研究

孫小淋　周冬梅

摘要：全自動控制小車可應用于工業(yè)、生活、勘探以及航天探月等場合，具有非常實際的研究意義。介紹了智能小車測控系統(tǒng)的結構和軟硬件實現(xiàn)，系統(tǒng)實現(xiàn)了通過對攝像頭圖像復雜的處理，分析路面的情況，實現(xiàn)尋軌自動行駛；文章完成了一個基于嵌入式系統(tǒng)的全自動控制小車樣機，具有產品開發(fā)的實際應用價值。

關鍵詞：嵌入式 模擬攝像頭 道路識別 自動駕駛

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0110-01

近年來，隨著智能交通、人工智能以及控制技術的發(fā)展，智能車輛的研究在智能交通領域已成為熱門課題。文章設計的小車由飛思卡爾公司的Cortex-M4處理器MK60DN512ZVL為系統(tǒng)數據處理和系統(tǒng)控制核心，Sony CCD模擬攝像頭對道路實時圖像采集，歐姆龍對小車速速實時檢測。最后在賽道上對小車進行測驗并評估。

1 系統(tǒng)概述

基于嵌入式系統(tǒng)的全自動控制小車采用嵌入式微處理器構成小車的全自動控制系統(tǒng)，通過將攝像頭采集的數據進行算法分析（圖像處理）解析賽道的情況參數，將參數通過PID算法轉換為電機和舵機的轉動參數，進而控制小車的行駛方式[1]。系統(tǒng)方案設計框圖如圖1。

2 主模塊電路設計

2.1 嵌入式最小系統(tǒng)模塊電路

MK60DN512ZVL系列單片機具有豐富的外圍資源；最小系統(tǒng)有功耗低性能高和強大的處理能力的特點。

（1）K60最小系統(tǒng)電路用于信號處理和小車控制；

（2）JTAG接口用于調試和下載程序；

（3）ARM工作需要3.3V電壓同時接入磁珠，增強電路抗干擾能力。

2.2 無線傳輸模塊電路

無線傳輸采用藍牙設備，它具有高靈敏性接收、低成本、體積小巧、低功耗、傳輸穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。此模塊電路是一個可插拔的獨立模塊，只需兩個數據接口與單片機相連就可通信。

2.3 電機驅動電路

NovalithIC家族有三個獨立的芯片，BTS7971是其中之一。一是具有高電位場效應晶體管的p型通道；二是具有低電位場效應晶體管的n型通道，它與驅動晶片作用，共同形成一個完全整合的高電流半橋；這三個芯片是安裝在一個共同的引線框。

2.4 圖像二值化電路

LM1881是經典視頻信號的同步分離芯片，為視頻信號的處理提供了極大的方便。視頻圖像經視頻分離芯片LM1881將視頻信號分為場中斷、行中斷、圖像信號后，圖像信號經LM393與參考信號比較，將灰階圖像轉換為黑白信號，可通過手動調節(jié)調節(jié)比較的閥值[2]。

2.5 光電編碼器模塊

光電編碼器安裝在主驅動齒輪上，是通過將旋轉的機械位移量轉換為電氣信號，然后再對該信號進行相應的處理得到位置速度，編碼器特點如下：

（1）根據軸的輸出位移的變化，再與聯(lián)合器和軸想作用可以檢測出旋轉位移量。

（2）開始時，原點不需要重置。在對型時，將旋轉角度億絕對數值的方式平行輸出。

（3）可以檢測旋轉方向。增量型通過A相和B相的輸出時間，絕對型通過增刪代碼來確定旋轉方向。

3 智能小車調試

3.1 舵機和電機控制

要讓小車安全行駛，采用了電機和舵機控制速度。電機的控制，使用的是增量式PID，它由微積分和比例量組成。系統(tǒng)對各路信號采樣，由此得到輸出量化值；通過調整PID參數以適應各種情形的需要，使系統(tǒng)的響應性達到最高，以保證最佳的控制性能。

舵機的控制采用的是位置式PID算法。對于舵機控制量的提取，首先需要圖像處理計算出來的中心的數據。將圖像的每行的中線數據與動態(tài)參考值相減，將值累加后，帶入到PID算法中計算，將計算出來的結果裝換為控制舵機的PWM波的占空比從而控制舵機的轉舵大小。

PID控制主要是調整參數。智能車參數系統(tǒng)是高耦合分布的，而且賽道具體環(huán)境也具有影響力，那么就很難對智能車運動控制做到精確的控制；由于要經常的不斷修正車身的機械結構，模型參數也要不斷地變化，在這里采用的是工程整定方法。

3.2 道路形狀識別算法調試

（1）直道的識別：采樣是根據等間隔采樣。從直線的特性可以看出，不論橫縱坐標，直線的中心點都應該等于起點和終點的一半。即使掃描到的圖像出現(xiàn)誤差，計算出的彎曲程度也會是一個很小的數。

（2）大彎的識別：我們可以通過計算道路彎曲程度得出道路的彎曲的方向。如果挨著車的道路是直線，而遠離車的道路沿著一個方向彎曲，且彎曲程度非常小小，就可以判斷為大彎。

（3）急彎的識別：計算出道路中每段的彎曲程度，如果靠近車的道路的彎曲程度都非常小，在遠離車的道路的彎曲程度都非常大，而且他們的彎曲方向都是一樣的，那么就可以判斷為急彎。

（4）大S彎識別：這種路形大部分路段的彎曲程度都非常大，但在兩彎相交處也會出現(xiàn)彎曲程度比較小的情況，而且它有一個很明顯的特點就是彎曲程度正負都包含很大的數。

（5）小S彎識別：小S型彎與大S型非常類似，唯一不同的之處就是小S型道彎曲程度的絕對值都是一些適中的數。

4 結語

文章把電路劃分為幾個模塊進行設計，主要對嵌入式最小系統(tǒng)模塊電路、系統(tǒng)電源電路、無線傳輸模塊電路、電機驅動電路、圖像二值化電路電路、光電編碼器模塊電路等電路進行實物的設計。

參考文獻

[1]臧春華，邵杰，魏小龍.綜合電子系統(tǒng)設計與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2009.

[2]李鵬博.基于視頻的自動巡航智能小車的設計與實現(xiàn)[J].河北工程大學學報（自然科學版），2012.