線性CCD智能車自主導航系統設計

郭德占+那陽+王慶梓+李文順

摘 要：本設計是一種基于線性CCD檢測的智能車自主導航系統，采用藍宙電子公司的MK60DN5127VIQ108N300單片機為控制核心，主要由電源模塊、電機驅動模塊、線性CCD、舵機以及反饋控制模塊構成，實驗表明，智能小車能很好地識別賽道信息，并能很快地作出判斷，實現了自主轉彎、過障礙等功能。

關鍵詞：智能汽車；自主導航；單片機；自主轉彎；過障礙

中圖分類號：U469.79 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0121-02

設計智能車所涉及的學科有機械設計、電子技術基礎、數字信號處理、傳感器技術、電路設計、C語言程序設計、單片機、自動控制原理等，因此智能小車是一個綜合了很多學科的制作。該設計包括硬件和軟件兩大方面，其中采集信號的模塊是線性CCD，MK60DN5127VIQ108N300單片機對線性CCD采集的信號進行接收和處理，其中小車自主導航的依據就是單片機處理過的信號，從而能很好的控制小車轉彎、前進、停止、加速、避障等，可以使智能車在賽道上進行自主尋跡。

1 方案論證

1.1 為了降低小車在行駛過程中產生的震動以及震動對線性CCD的影響，經過查閱質料以及親自的實踐發現加固C車模底盤使它成為剛體的方法可以有效減少震動。

1.2 小車重心的確定，由于小車在轉彎過障礙的時候容易發生側翻。為了防止小車側翻把重心固定在底盤靠近車尾的地方，這樣就可以增加小車的可控性。

1.3 測試小車的賽道比較光滑，小車在直的長賽道上加速行駛，突然遇到急轉時彎易沖出賽道，為了防止小車沖出賽道可以打磨車輪胎，但是要注意力度，打磨過度輪胎就壞掉了，所以必須適當打磨，這種方法可以提高小車的靈敏度，同時能更好的驅動智能車加速。

1.4 電機驅動模塊作為智能車設計最為重要的一環，需要特別可靠的方案來確保萬無一失。所以我們使用BTN7971芯片作為驅動芯片。該芯片的穩定性高，對環境適應能力強且具有一定的抗干擾和自我保護能力，而且它還能提供良好的加速性能以及具備超強的散熱能力，是作為電機驅動模塊芯片的不二之選[2]。

1.5 智能車使用7.2V容量為2000mah鋰離子電池進行供電，由于各個模塊器件所需電壓值不同，所以我們需要使用不同的穩壓芯片將電壓調整至各個模塊合適的電壓進行供電。電機驅動芯片所需電壓為7.2V，可以直接連接電池使用，使用ASM1117（5V）線性穩壓芯片將7.2V穩壓成5V后給舵機供電，由于舵機是轉向的核心，所以它所需的電壓必須穩定。用LM2940（5V）或TPS7350（5V）分別為MK60DN5127VIQ

108N300單片機、線性CCD、編碼器供電。

1.6 轉向模塊是設計和制作智能車的關鍵部分，因為轉向性能會直接影響到智能車的速度和穩定性。所以就需要使用舵機進行轉向控制，舵機是一種轉向裝置，雖然它的體積很小，但是它具有很大的力矩，可以使智能車在高速時更輕松和快速的過彎。這種裝置機械結構簡單且穩定性優秀，是制作智能車必不可少的器件之一。舵機的工作電壓為5V，但是通過實驗發現，適當提高舵機電壓可以獲得更快的響應速度，這樣就可以使智能車在更高速的狀態下穩定運行。舵機安裝在兩個前輪的正中間，這樣可以減小轉向時間，提高轉向速度[3]。

1.7 線性CCD可以說是智能車的眼睛，CCD是智能車的路況信息采集裝置，它能實時檢測所在路況信息并反饋給CPU進行信息處理，并通過這些信息計算出偏移量等影響智能車轉向控制的因素，這些信息越精準，檢測速度越快，智能車的速度也就越快，操控性也就越強。所以這種基于CCD的路徑識別系統的好壞直接影響智能車的性能。線性CCD擁有超遠距離前瞻，可以提前檢測出轉彎、障礙等道路信息，及時反饋給CPU，處理信息后反饋給舵機和電機驅動模塊進行轉彎和剎車等操作，所以CCD的性能越好，智能車的最大速度越大[3]。

在線性CCD的安裝上，我們使用了五軸固定的方法，通過五個點來固定CCD，這樣可以使CCD更穩定，也利于調節。

CCD在智能車上的位置布局同樣至關重要，如果采用后置式CCD，就會帶來轉彎滯后等問題。而如果使用前置式CCD，就會出現車身抖動和畫面模糊的問題。所以為了解決這兩個問題，經過多次位置試驗和調整，最終決定將CCD放置在中間靠前的位置，這樣可以較為完美的解決前置和后置所帶來的問題。

選用碳纖維作為CCD的支架，因為這種材料質量輕，硬度大，能做有效支撐。為了確保CCD在高速移動狀態下不會發生位移影響性能，所以我們在制作時確定CCD所在位置后對它進行雙重加固，這樣不僅能使其更加牢固，也能減輕電機對CCD模塊的震動干擾。

1.8 光電編碼器也是制作智能車不可或缺的一部分，它通過計算單位時間編碼輸出脈沖來計算智能車的速度，反饋給CPU便可以獲取智能車的實時速度，更有利于控制小車速度。

1.9 在智能車的制作中，停車也是不可或缺的一個重要部分，在比賽中如果沒有停車系統，那就意味著你要在你原有成績上再加2S，這就可能導致你的成績不理想，所以停車所用的光電對管也是不能少的，光電對管主要是利用二極管來檢測黑線，如果2個同時檢測到黑線反饋給CPU。經過處理后智能車可實現停車。

2 軟件部分

軟件算法主要由 PID 控制算法和預判算法等組成。中斷采集程序對線性CCD傳回的信號進行采集，通過模數轉換，發送到MK60DN5127VIQ108N300來進行處理，計算出控制參數發送到舵機等模塊，實現加減速停車，轉彎等功能。

算法調整完成后需要進行一系列的賽道測試來測試智能車的實際情況，因為比賽賽道會很復雜，所以我們進行了各種賽道和路況的測試，通過對直線、彎道、交叉路和大S等復雜賽道的測試，發現了一系列問題，其中最主要的是CCD在進行采集圖像時的數據過于龐大，導致CPU不能及時將所有數據運算處理，導致反饋不及時等現象。所以我們需要將CCD所提取的圖像和數據進行篩選。我們首先篩選出賽道兩旁的黑線，將黑線定位邊界，進行在黑線內的掃描和采集通過對不同賽道測試和試驗，最終確定了一套不同賽道的偏差值和有效值的數據。這樣就能使智能車在不同賽道也能很好的控制速度和方向。

3 測試與結果

主板的設計和硬件的搭配對智能車的性能至關重要，需要不斷調試硬件參數使智能車達到最佳性能，在直線賽道上提升智能車的加速度，更快的起步，CCD檢測到彎道信息后，立刻反饋到CPU使小車減速，然后順利通過彎道。提高PWM的占空比可以使智能車的速度調節更快，經過一系列優化，可以使智能車在賽道加速更快，轉彎更準，減速更迅速。這樣可以使智能車的速度有了一個質的飛躍。

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