基于K60的光電追逐系統的設計與實現

段彥卉，韓紫婷，沈天宇，李再涵

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基于K60的光電追逐系統的設計與實現

段彥卉1，韓紫婷1，沈天宇2，李再涵3

（1.東南大學自動化學院，江蘇 南京 211189；2.東南大學信息科學與工程，江蘇 南京 211189； 3.東南大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 211189）

文章以恩智浦32位微控制處理器MK60FX512VLQ15為核心控制器，設計并實現了一套完整的光電追逐車系統，模型車能夠以穩定快速地完成賽道，且雙車之間可通過通訊完成超車任務。具體闡述了系統中模型車機械結構的調整、硬件電路的設計和軟件算法的設計，并且自主設計了模型車的電路板，同時給出了對于賽道圖像信息的多種處理算法。經過多次的調試證明了該系統的合理性和可行性。

智能車；光電追逐；圖像處理；PID算法

前言

全國大學生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，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導的大學生科技競賽之一。本論文所述模型車參與了第十二屆“恩智浦”智能車競賽光電追逐組，并取得了全國第四的好成績。文章以恩智浦C型車模為模型，從車模的機械結構調整、硬件電路設計到軟件算法的設計對系統的設計方案就行了全面闡述，并經過多次的試驗調試，車模運行穩定迅速，完成了比賽任務。該篇論文對于機器視覺、機器人等方向的研究具有一定參考意義。

1 系統總體設計方案

該系統由四部分組成：路徑識別系統、控制決策系統、動力系統、通訊系統。其中路徑識別系統采用OV7620 CMOS傳感器，用于檢測采集賽道圖像信息；控制決策系統采用恩智浦 32 位微控制處理器MK60FX512VLQ15；動力系統在硬件驅動電路的支持下，結合單片機的控制對于電機的轉速和舵機的轉角進行控制，實現小車的運動；通訊系統采用超聲波、藍牙模塊，實現光電追逐任務的完成，使兩輛車完成通訊和距離控制的目標。整體流程為：K60通過對于路徑識別系統所輸出的賽道信息進行分析處理，同時通過正交解碼獲取速度信號，來控制電機和舵機進行相應動作，從而實現車體的轉向控制和速度控制。同時，該系統運用藍牙模塊實現兩輛車之間的通訊，完成超車目標。

如圖1為系統總體設計框圖。

圖1 系統總體設計框圖

2 智能車機械結構調整

為使智能汽車更好地發揮它的潛能，使其直線行駛穩定，轉向輕便，轉向后能自動回正，并減少輪胎和轉向系零件的磨損等，需要對智能車的機械結構進行調整。模型車的整體結構如圖2所示：

圖2 模型車整體結構圖

對于模型車的硬件結構的調整過程敘述如下。

2.1 主銷后傾角

主銷后傾角是指在縱向平面內主銷軸線與地面垂直線之間的夾角，會在車輛轉彎時產生與車輪偏轉方向相反的回正力矩，使車輪自動恢復到原來的位置，保持車模直線行駛的穩定性。后傾角越大，車速越高，車輪偏轉后自動回正能力越強。但回正力矩過大，將會引起前輪回正過猛，加速前輪擺振，并導致轉向沉重。

模型車通過增減黃色墊片的數量來改變主銷后傾角：為增大時高速時前輪的回正力矩，我們調整墊片為前0后4，后傾角為4°~6°。

2.2 主銷內傾角

主銷內傾角是指在橫向斷面內主銷軸線與地面垂直線之間的夾角，有使車輪自動回正、轉向時減小轉向輪上阻力矩的作用。由于過大的內傾角會增加轉向阻力，加快輪胎磨損，所以在調整時可以近似調整為0°~3°左右。模型車中通過調整前橋的螺桿的長度來改變主銷內傾角。

2.3 前輪前束

像內八字樣前端小后端大的稱為前束。模型車的前輪前束可以通過調整伺服電機帶動的左右橫拉桿實現。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長度即可以改變前輪前束的大小。左桿短，可調范圍10.8~18.1mm；右桿長，可調范圍為 29.2~37.6mm。根據實踐經驗，我們發現，較為適當的前輪前束可以很好地控制車模的速度，剎車性能更好。

另外，我們還選擇了合適的舵機、攝像頭、超聲波模塊的安裝高度與安裝方式，電路板的固定方式，底盤高度等，均取得了良好的效果。同時，為了防止輪胎和輪輞錯位而引起的驅動力損失的情況，我們在實際調試過程中對輪胎多次使用軟化劑。

3 系統硬件電路的設計

系統硬件電路的設計主要分為兩個部分：電源管理模塊、電機驅動電路模塊，圖3為硬件電路系統框圖。

圖3 硬件系統框圖

3.1 電源管理模塊

圖4 電源管理模塊電路圖

電源模塊主要包括5V與3.3V穩壓模塊，其中電池電壓直接對電機進行驅動，5V主要提供給攝像頭、編碼器模塊，3.3V負責對核心板、 LCD 屏進行供電。經過測試，5V/3.3V 系統需要的總電流約為 200-300mA，故我們使用低成本、外圍電路簡單、占用 PCB 空間較少的 AMS1117作為5V以及3.3V電源芯片。該芯片最大輸入電壓為20V，具有1%的精度，工作溫度-40℃至125℃，內含限流、過熱保護。如圖4為電源管理模塊電路圖。

3.2 電機驅動模塊

在電機驅動模塊，我們采用IR2104 型半橋驅動芯片驅動高端和低端兩個N型IR7843 MOS管，組成完整的直流電機H橋式驅動電路。其中，IR7843有極低的導通電阻，且柵極驅動電路可以提高 MOSFET 的開關速度。12V的電壓由開關穩壓器LM2731提供。電機驅動模塊根據K60輸出的 PWM 信號，從而實現對直流電機的轉速的控制。

如圖5為電機驅動模塊和升壓模塊的電路圖。

圖5 電機驅動模塊電路圖

圖6 升壓模塊電路圖

4 系統軟件設計

圖7 系統軟件流程圖

本車使用 K60作為控制芯片，采用C語言編程實現各模塊功能的控制。同時，采用攝像頭時序（16.67ms），作為轉向和速度的控制周期。整個軟件設計部分主要分為兩部分：賽道圖像的采集與處理以及速度和轉向的控制。另外，為便于調試，我們利用LCD 顯示屏對模型車的參數及時進行調整，以適應不同光線條件和不同賽道類型。如圖7所示為軟件系統流程圖。

4.1 賽道圖像采集

OV7620數字攝像頭采集到的圖像容易受光線、噪點等環境因素的影響，再加上攝像頭自身的特性，遠處的圖像會出現嚴重失真的情況。因此需要通過軟件排除干擾點，來獲取正確的賽道邊線。

我們通過 sccb 寫攝像頭寄存器，將 OV7620 的圖像輸出格式改為 qvga，連續輸出模式，然后對行信號及像素信號進行硬件分頻，通過 DMA 采集圖像。另外，我們分奇偶場采集圖像，避免了圖像采集與圖像處理之間可能的沖突，利用行中斷的間隔來處理圖像并進行速度和轉向的控制。

4.2 賽道圖像信息的處理

4.2.1提取賽道邊線

為快速掃描整張圖像以便提取黑色邊界線，我們采用窗口搜索算法，在賽道中間設置一個窗口，使用了雙重指針向兩邊推進，檢測窗口內是否有黑白或白黑跳變。一般情況下，以上一行的右邊線作為該行左邊線的掃描起點，右邊線相同。

4.2.2邊線的修補與校正

由于賽道中不可避免的出現諸多干擾因素，再加上攝像頭角度的問題，提取到的邊線可能是不連續甚至錯誤的，因此需要進行一定的校正和修補。我們針對下述情況進行了軟件修正：前后行邊線偏差過大，兩端連續邊線間距過大，孤立的點，左線末端在右線始端的右邊。所得到的效果良好，模型車能夠較好地適應多種賽道類型和光線條件。

4.2.3賽道中線的提取

賽道中線由左右引導線的平均值進行確定。當只存在一條引導線時，根據既定的賽道寬度對已有引導線處理可得到中線。另外，對于計算得到的中線丟線、誤差較大的情況我們進行了補線與校正的處理。

4.2.4賽道類型判斷

彎道角度不同，相應中線的斜率亦不同。采用最小二乘法進行直線擬合，斜率的大小便反映了彎度的大小，根據斜率的范圍判斷賽道類型進而控制舵機打角，使小車的轉向更加靈活。

對于賽道上的特殊元素，如十字、環島、障礙，我們進行了特殊處理，并選擇在特殊元素處完成超車任務。考慮智能車視野的范圍和圖像的準確性，我們把十字下方的兩個直角作為進十字的標志，再加上空白區等一系列限制條件可以很快正確識別出十字。我們所采取的超車方式為在前車進、出十字時前車左停或右停等待后車。具體超車方式如圖8所示。而環島識別與十字類似，都是利用邊線斜率的變化，前車在環島中等待后車出圓環后再啟動，得到了良好的效果。

圖8 十字超車方式

4.3 控制策略

對于舵機，由于舵機本身的響應時間略慢，可看做是一個積分系統。智能車要求舵機反應足夠快，因此我們采用位置式 PD 控制。公式(1)所示：

SV=SC+P*e_0+D*e_0 –e_1 （1）

式中，SV為舵機此時PWM值，SC為舵機中值PWM值，P、D分別為PID控制中的比例項和微分項系數，數值由試湊法確定，e_0為本次中線與中心位置偏差，e_1為上次的偏差。

同樣，為了實現速度的PID控制，我們對于電機采用PI控制，以減小電機當前值與設定值的靜態誤差。公式如(2)所示：

MV+=P1*(se_10- se_11)+I1* se_11 （2）

式中，MV為電機PWM值，P1、I1分別為PID控制中的比例項和積分項系數，se_10為左輪本次 PWM 與輪速之差，se_11為左輪上次 PWM 與輪速之差。相對應地，右輪的PID控制方法同公式(2)。

特別說明地是，在模型車轉彎時，由于左右輪轉彎半徑不同，左右輪速度存在差異。所以，我們將舵機在不同轉角時的PWM值與左右輪速度進行關系擬合，所得到的效果良好。

5 系統測試

經過對于代碼框架的不斷完善、圖像處理函數的不段斷優化和參數的多次調試。模型車的速度可以達到2.6m/s，且在十字、環島、起跑線、障礙處中可以完成超車任務，且系統穩定性和魯棒性均良好。

6 總結

通過對于系統的測試可以得到，我們所設計的整套光電追逐系統中，每輛模型車能夠在賽道上穩定且快速地運行，并且雙車間能夠完成超車任務。這表明我們硬件電路穩定可靠，軟件算法設計優良且參數選擇合適。

本文介紹了基于K60設計的光電追逐系統的實現，具體講述了系統的機械結構的調整、硬件電路設計方案和軟件算法的設計，經過多次調試，每輛車能夠在賽道上穩定快速地運行，且雙車間能夠通過通訊完成超車任務。在整個系統設計與調試過程中，小組成員均收益良多。論文對于智能車競賽的發展、機器視覺、機器人等領域均有一定的參考意義。

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[3] 林勇杰,林輝,賴勝奎, 基于K60設計的四輪車攝像頭智能循跡系統[J],中國戰略新興產業,2018(5):011-012.

[4] 涂市委,薛諾諾,方海洋,基于 K60 的光電直立智能車控制系統設計[J],汽車實用技術,2018(4):32-33.

The Design and Implementation of Photoelectric Chasing Smartcar System Based on K60

Duan Yanhui1, Han Ziting1, Shen Tianyu2, Li Zaihan3

（1.School of Automation, Southeast University, Jiangsu Nanjing 211189; 2. School of Information Science and Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing 211189; 3. School of Electronic Science and Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing 211189）

This article uses NXP 32-bit micro-controller MK60FX512VLQ15 as the core controller, designs and implements the photoelectric chasing smartcar system, the model car can complete the track steadily and quickly, and the two cars can complete the overtaking task through communication. This article elaborates the adjustment of the mechanical structure of the model car, the design of the hardware circuit and the design of the software algorithm, and independently designs the circuit board of the model car. At the same time, a variety of processing algorithms for the track image information are given. After several times of debugging, the rationality and feasibility of the system have been proved.

Smartcar; Photoelectric Chasing Smartcar System; Image processing; PID

A

1671-7988(2018)16-114-04

U462

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1671-7988(2018)16-114-04

CLC NO.: U462

段彥卉，就讀于東南大學自動化學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.041