一種雙CPU自動(dòng)尋光小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉鑄，劉恒宇，凡正波

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川成都，610059）

0 引言

隨著無(wú)人駕駛的提出，智能小車(chē)得到了飛速的發(fā)展，自動(dòng)尋光小車(chē)就是其中的一種。傳統(tǒng)的光電小車(chē)都采用單CPU運(yùn)行方式，既進(jìn)行攝像頭畫(huà)面的采集又要進(jìn)行控制算法的實(shí)現(xiàn)。這就存在CPU處理速度不夠快的問(wèn)題，導(dǎo)致攝像頭幀率不高。小車(chē)高速運(yùn)行的過(guò)程中，無(wú)法保證小車(chē)能準(zhǔn)確的找到信號(hào)燈的位置。為了提高攝像頭的幀率，本文設(shè)計(jì)了一種雙CPU控制系統(tǒng)，將光線(xiàn)采集和小車(chē)控制分離，既能使小車(chē)能精準(zhǔn)找到信號(hào)燈位置，又可以快速穩(wěn)定的到達(dá)既定位置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)尋光小車(chē)工作原理：利用STM公司M4內(nèi)核的處理器STM32F407ZGT6進(jìn)行攝像頭畫(huà)面的采集，計(jì)算得到信號(hào)燈的位置坐標(biāo)，通過(guò)串口將坐標(biāo)信息傳給M3內(nèi)核的STM32F103ZET6，F(xiàn)1根據(jù)傳來(lái)的坐標(biāo)值做出判斷。若沒(méi)有采到信號(hào)燈的位置，則旋轉(zhuǎn)車(chē)身繼續(xù)找信號(hào)燈位置，若在畫(huà)面中找到信號(hào)燈的位置，利用編碼器測(cè)量得到兩輪的轉(zhuǎn)速，根據(jù)特殊的姿態(tài)解算和PID運(yùn)算，使小車(chē)快速穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)到信號(hào)燈的位置。在車(chē)頭的位置安裝了紅外避障模塊，在小車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中遇到障礙物，小車(chē)會(huì)倒退一小段，防止撞毀小車(chē)。同時(shí)，為了觀測(cè)小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，在F1上安裝了顯示屏，用于顯示信號(hào)燈的位置坐標(biāo)和小車(chē)當(dāng)前的運(yùn)行速度。系統(tǒng)總體框圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

車(chē)身采用三輪結(jié)構(gòu)，后面兩個(gè)輪為主動(dòng)輪，與驅(qū)動(dòng)相連，利用差速實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向運(yùn)行。最前面的輪采用牛眼輪，主要用于小車(chē)的支撐，另外由于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可以大的減小小車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑，使小車(chē)轉(zhuǎn)彎更加穩(wěn)定靈活。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，大大提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

■2.1 攝像頭模塊

光電小車(chē)尋光采用了攝像頭模塊。攝像頭采用帶FIFO的ov7670模塊，通過(guò)SCCB總線(xiàn)控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的8位數(shù)據(jù)，其VGA輸出最多可以達(dá)到30幀/秒。為了保證攝像頭采集的幀率，選用M4內(nèi)核的處理器STM32F407ZGT6。這款處理器其主頻可以達(dá)到168M，擁有1M的閃存儲(chǔ)器，完全滿(mǎn)足對(duì)攝像頭的控制與數(shù)據(jù)的讀取的要求。

■2.2 控制模塊

在控制端選用M3內(nèi)核處理器STM32F103ZET6。這款F1的處理器主頻最大可以達(dá)到72M，擁有512K的閃存儲(chǔ)器，外設(shè)資源豐富，處理速度和內(nèi)存容量都完全可以適應(yīng)小車(chē)一些常見(jiàn)的控制算法。

■2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊選用A4950。A4950是一款雙路全橋DMOS電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。輸出的峰值電流最大達(dá)到2安培，電壓最大可以承受40伏特。通過(guò)外部PWM的控制，可以自由地控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和加減速。內(nèi)部還具有過(guò)流保護(hù)功能，可以防止驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)被輕易燒毀。驅(qū)動(dòng)模塊原理圖如圖2所示。

■2.4 電機(jī)模塊

電機(jī)選用自帶編碼器的直流減速電機(jī)。減速比為30:1，測(cè)速精度高，可以進(jìn)行更高精度的速度控制。扭矩為1kg·cm，工作電壓為12V，額電電流為360mA。足夠大的扭矩保證小車(chē)高速穩(wěn)定的運(yùn)行。

■2.5 電源模塊

圖2 驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

圖3 電源模塊原理圖

電池選用3S航模電池，容量達(dá)到2200mA，可以穩(wěn)定輸出12V電壓。用AMS1117外搭了穩(wěn)壓電路，12V的電源經(jīng)過(guò)降壓，輸出穩(wěn)定的5V電壓，用于給單片機(jī)供電。電源模塊的原理圖如圖3所示。

■2.6 顯示模塊

顯示模塊選用OLED。OLED具有體積小，顯示清晰等特點(diǎn)，將他與F1相連，通過(guò)F1控制，顯示出小車(chē)運(yùn)行的速度和信號(hào)燈的坐標(biāo)。

■2.7 紅外避障模塊

紅外避障模塊采用三個(gè)E18-D80NK紅外接近開(kāi)關(guān)模塊。其具有精度高，控制簡(jiǎn)單，調(diào)試方便等特點(diǎn)，最大檢測(cè)范圍可以達(dá)到80cm，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。三個(gè)配合使用，可以有效避免視野的盲區(qū)，準(zhǔn)確檢測(cè)到前方的障礙物。

3 軟件設(shè)計(jì)

F4部分：F4將采回來(lái)的點(diǎn)顏色值進(jìn)行二值化，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的橫坐標(biāo)進(jìn)行平均值濾波，濾波后的點(diǎn)坐標(biāo)作為最終采回信號(hào)燈的位置坐標(biāo)。最后通過(guò)串口將坐標(biāo)值傳給F1。

F1部分：F1讀取到坐標(biāo)值后，進(jìn)行判斷，若信號(hào)不在畫(huà)面里，小車(chē)自轉(zhuǎn)繼續(xù)找光。若光線(xiàn)在畫(huà)面中，首先進(jìn)行姿態(tài)的結(jié)算，根據(jù)小車(chē)的兩輪轉(zhuǎn)速判斷小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。再進(jìn)行PID算法控制，最終讓小車(chē)快速穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)到信號(hào)燈位置。紅外避障采用中斷的方式進(jìn)行處理，在運(yùn)行過(guò)程中，一旦檢測(cè)到障礙物，就控制電機(jī)倒退一小段距離，繞開(kāi)障礙物后，小車(chē)重新找光。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的雙CPU自動(dòng)尋光小車(chē)，較傳統(tǒng)的單CPU的小車(chē)，保證圖像幀率的同時(shí)，還可以進(jìn)行一定的圖像處理，確保小車(chē)對(duì)光線(xiàn)精確地采集。將另一個(gè)CPU從圖像采集和處理中解放出來(lái)，保證小車(chē)控制快速性和穩(wěn)定性的同時(shí)，為小車(chē)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜算法的控制提供了條件。可以看出這種雙CPU系統(tǒng)的智能小車(chē)在開(kāi)發(fā)應(yīng)用中具有遠(yuǎn)大的前景。