智能電動模型車硬件模塊設計

馮帆 馮瑤

摘 要：“恩智浦杯”智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創意性科技競賽，學生以汽車電子相關技術為基礎，設計制作一輛智能電動模型車。本文介紹了一種攝像頭智能車的硬件模塊構架，從整體層面上提供設計思路。

關鍵詞：智能車；硬件模塊；設計思路

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.036

攝像頭智能模型車是基于模擬和數字攝像頭來感知賽道邊界線，進而模型車自主規劃運行路徑來完成比賽，是全國大學生智能汽車競賽賽車的一種。智能車的控制分為兩部分：直行和轉向，直流電動機可以作為直行部分的執行機構，舵機可以作為轉向部分的執行機構。車速的檢測采用編碼器實現，整個過程形成閉環控制。總體構架為：電源模塊、系統控制板、編碼器、攝像頭模塊、舵機模塊、7.2v電源、電機模塊、電機驅動模塊。

1 攝像頭模塊設計

攝像頭工作原理為：通過光學鏡頭對景物成像，投射到圖像傳感器表面，形成電信號，經過A/D轉換后變為數字圖像信號，控制器再進行加工處理。圖像傳感器分為兩類：CCD和CMOS，兩者的差異之處為CCD采用連續掃描，只有在最后一個像素掃描完成后才進行放大；而CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷放大為電信號的轉換器。

OV7620模塊是CMOS彩色/黑白圖像傳感器，支持連續和隔行掃描兩種方式，最高像素為664x492，幀速率為30fps；數據格式包括YUV，YCrCb、RGB三種，滿足了智能車的圖像采集系統要求。OV7620的電平兼容3.3v和5v。目前智能車采用的XS128和K60單片機工作電平為5v和3.3v，所以無需做電平匹配。對于學生制作的智能車不一定攝像頭幀率越快越好，OV7620，其PCLK（像素中斷）的周期是73ns，較容易被K60的I/O捕捉，相反，幀率越快的攝像頭，其PLCK的周期會越小，不容易被K60I/O捕捉。OV7620有兩組并行的數據口Y[7…0]和UV[7…0]，輸出的灰度信號是Y，色度信號是UV，對于全白的賽道背景，采集回來的數據是255，對于黑色賽道，采集回來的數據是0，這樣就能很好的區別開賽道與背景。

2 電機驅動電路設計

一般的電機驅動電路由MCU+預驅動+MOSFET+閉環檢測電路構成。具體可分為：預驅動芯片+外置MOSFET的方式，這種方案散熱較好，另一種是預驅動和MOSFET集成在一起，這種類型所占空間小，內設保護電路。

本方案選擇BTS7960集成芯片，為原裝進口英飛凌芯片。最大電流輸出為43-70A，與單片機5v隔離，能有效保護單片機，電機驅動輸出端電壓可顯示，可以焊接散熱片，兼容BTS7960B、BTN7960B、BTS7970B。

BTS7960的5v隔離芯片電壓可以與單片機5v共用，驅動模塊到單片機的4根線為（GND、5v、PWM1、PWM2），板子上預留4個小孔，可直接固定在智能車A車模和B車模尾部。

3 舵機模塊設計

智能車實現良好的軌跡控制，轉向系統是關鍵一環，轉向性能的好壞和轉向控制的精確對車速和行車穩定性影響很大。舵機主要由舵盤、變速齒輪組、位置反饋電位計、小型直流電機、控制電路板組成。控制電路板接收來自單片機的控制信號，控制電機轉動，電機帶動齒輪組轉動，減速后傳遞至輸出舵盤。

舵機輸出為三條線：紅色是供電線，黑色是接地線，還有一根是信號線。舵機的控制信號是周期為20ms的脈寬調制（PWM）信號，其中脈寬從0.5到2.5ms，相對于舵盤的位置是0到180度，呈線性變化。當給舵機提供一定的脈寬，輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，當外界轉矩發生變化時，輸出角度依然不變。只有當提供另外一種寬度的脈沖信號，他才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機是智能車轉向系統的執行單元，由單片機給出PWM信號控制舵機轉角實現轉向，而舵機又是外購件，所以按照對應的接口把舵機和單片機連接即可。

4 編碼器模塊設計

編碼器（encoder）是把信號和數據進行編制，轉換為可用于通信、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或者線位移轉化為電信號，稱為碼盤或碼尺。歐姆龍（OMRON）編碼器是用來測量轉速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換為相應的電脈沖以數字量輸出。

編碼器的中心軸有光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，由光電發射和接收器件讀取，得到四組正弦波，組成A、B、C、D，每個正弦波相差90度，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強信號的穩定性；另外，每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考。

藍宇編碼器的輸出端有5根線：褐色線、黑色線、白色線、黃色線和藍色線。其中，白色和黃色是B相和Z相，褐色、黑色和藍色3根線與單片機相連，在單片機底板上“轉速1”和“轉速2”選擇任意一個插接口即可。在攝像頭智能車上僅用到3根線：褐色線（電源VCC）、黑色線（A相）和藍色線（GND）。

5 系統控制板

K60系列具有IEEE1588以太網，可全速和高速USB2.0ON-The-Go帶設備充電探測，具有硬件加密和防篡改探測能力，以及豐富的模擬、通信、定時和控制外設。芯片使用多組電源引腳，分別為內部電壓調節器、I/O引腳驅動、A/D轉換電路等電路供電，內部電壓調節器為內核和振蕩器等供電。系統板根據一定的算法，控制舵機、電機和LCD顯示，控制各種參數的設置。

智能車設計需要機械、電子、控制、信號處理和汽車相關的綜合方面的知識，學生通過完成此項目，可以對所學知識有系統的了解，并能通過實際操作掌握這些知識。

參考文獻：

[1]劉允峰，韓建群.基于飛思卡爾S12單片機的智能車系統設計與實現[J].渤海大學學報（自然科學版），2015，36（04）.

[2]梁峻愷.基于飛思卡爾單片機的智能車設計分析[J].硅谷，2014，7（08）.

作者簡介：馮帆（1989-），男，陜西西安人，講師，碩士研究生，研究方向：汽車檢測與維修技術。