智能車循跡規(guī)劃研究

李芬斌　胡泊　張晨陽　侯卓越

摘要：以MK60DN512ZVLQIO單片機為智能車的主控制芯片，設計一種攝像頭循跡智能車系統(tǒng)。通過對攝像頭采集的圖像信息進行分析處理，并結合PID控制算法對直流電機和舵機進行轉速和轉向的控制，實現(xiàn)小車循黑線準確快速穩(wěn)定地行駛。

關鍵詞：智能車;循跡規(guī)劃;PID控制;圖像處理

中圖分類號：TP23

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.029

隨著社會的不斷進步，科技水平的不斷提高，智能機器人技術已經(jīng)應用于各大領域中，其中智能車更是占據(jù)了主流地位。本文就此設計了一款基于單片機、攝像頭模塊、電源管理模塊等設備的智能循跡小車。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)硬件設計主要分為MK60DN512ZVLQIO芯片、電源管理模塊、攝像頭模塊、舵機驅動模塊、電機驅動模塊、按鍵、撥碼開關及液晶顯示模塊等。系統(tǒng)通過攝像頭采集道路信息，同時通過編碼器實時獲取小車速度;將采集到的圖像反饋給單片機，單片機對其進行二值化處理，提取出邊線，求得小車與邊線的位置偏差，利用PID控制算法對舵機進行控制;根據(jù)檢測的速度，對電機不斷進行調整，使小車能夠循線行駛，具體如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控板

主控板作為系統(tǒng)的核心部分，如同小車的大腦，接收各種信號并控制整個系統(tǒng)的運行。因此，本系統(tǒng)采用MK60DN512ZVLQIO芯片，其具有豐富的模擬、通信、定時和制外設、大容量的可擴展內存、較高的主頻，完全滿足智能車調試過程的各種需要。

2.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊主要通過控制電機的同速或差速來實現(xiàn)加速和輔助轉向，本系統(tǒng)采用H全橋NMOS管雙電機驅動模塊，電源穩(wěn)壓電路如圖2所示。兩路電機驅動，模塊供電電壓6- 1OV，控制信號3.3V和5V兼容，雙路PWM調制，控制電機轉動，MOS管采用低內阻、性能穩(wěn)定的LR7843，動力十足，增加總線驅動芯片74HC08，提高信號驅動能力，同時也隔離MOS管和單片機，防止MOS損壞后灌電流過大燒壞單片機。

2.3 攝像頭模塊

與只能提取有限點信息的光電傳感器相比，采用攝像頭的智能車前瞻距離遠，能更精確地感知道路變化，且攝像頭多用線性CCD和COMS兩種，相比于CCD，COMS具有集成度高、體積小、功耗低等優(yōu)點。因此智能車采用OV7725彩色攝像頭，其分辨率高，價格適中，可直接輸出數(shù)字信號與控制器連接。

2.4 速度檢測模塊

要保證小車穩(wěn)定行駛，就要構成速度閉環(huán)控制，實時監(jiān)控小車當前車速。本系統(tǒng)選用歐姆龍增量式編碼器來測速。

2.5 電源管理模塊

由于電路中不同模塊所需的工作電壓和電流各不相同，因此電源模塊包含了多個穩(wěn)壓電路，將充電電池提供的電壓轉換成各模塊所需要的電壓。電源的好壞關系著單片機能否正常工作以及對整個系統(tǒng)的控制，所以在測試對比了幾種類型的穩(wěn)壓芯片后，選擇了性能相對優(yōu)異的LM2576芯片。該芯片內含固定頻率振蕩器和基準穩(wěn)壓器，并具有完善的保護電路，所需外圍器件少，散熱快。電池7.8 V直流電壓經(jīng)LM2940降壓電路，得到5V的電壓后，經(jīng)AMS1117芯片的正向低壓差穩(wěn)壓器，輸出3.3 V電壓，來滿足單片機和舵機的需求。

2.6 舵機驅動模塊

舵機電路中三個引腳分別連接6V電壓、GND和單片機的GPIO口E7，通過E7口的信號來控制舵機精準轉向。本系統(tǒng)通過OLED顯示屏了解智能車當前狀態(tài)，配合按鍵模塊來設置智能車的相關參數(shù)。同時，在屏幕上也可觀察到經(jīng)攝像頭傳回的二值化后的道路圖像等信息。

3 算法程序設計

3.1 舵機轉向控制

舵機的轉向采用PD控制，依據(jù)邊線位置動態(tài)改變PID參數(shù)。經(jīng)過不斷測試選擇的PID調節(jié)策略為：將積分項系數(shù)置零，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，舵機在這種動態(tài)隨動系統(tǒng)中對動態(tài)響應性能的要求更高，而且在Ki置零的情況下，通過合理調節(jié)Kp參數(shù)仍能保持車身穩(wěn)定，因此不必使用Ki參數(shù);由于舵機在一般情況下需要較好的動態(tài)響應能力，因此微分項系數(shù)Kd使用定值。

3.2 電機控制算法

通過編碼器實時獲取的速度調整電機的PWM占空比可以實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制。電機的控制關鍵在于提高電機的響應速度和調速的準確性，因此PID參數(shù)選用較大的P參數(shù)。而積分參數(shù)I對車速控制存在慣性，影響到反應速度，I過大會使速度波動增大，影響小車的穩(wěn)定，所以選用極小的I參數(shù)。經(jīng)過多次測試，采用位置式PID控制，效果理想。

4 實驗結果

為了驗證本系統(tǒng)設計的可行性，對小車進行實際跑道測試，從而得到電機與舵機在實際情況下的參數(shù)變化。實驗中將攝像頭返回的圖像經(jīng)過處理器得到的道路中線與車身的偏差記為e （x），如果車身處于中線位置，那么e（x） -0，舵機不輸出轉角，小車繼續(xù)前行;如果車身位置處于中線的左側，那么e（x）>O，舵機輸出轉角控制小車右轉;如果車身處于中線的右側，那么e（x）<0，舵機輸出轉角控制小車左轉。同時根據(jù)編碼器檢測的速度控制直流電機的轉速，進而控制小車的車速，使其平穩(wěn)行駛。

電機與舵機測試參數(shù)如表1所示。在實際測試中，道路的復雜變化會使小車出現(xiàn)沖出跑道的情況，所以需要降低小車車速，由于輸出控制滯后的影響，會造成系統(tǒng)的振蕩，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。查閱大量資料后，在常規(guī)PID控制中引入不完全微分可以很好地解決這一問題，實驗仿真結果如圖3和圖4所示。對比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，不完全微分控制系統(tǒng)在調節(jié)時間、超調量等方面比常規(guī)控制低，因此采用不完全微分PID控制能降低誤差，可以很好地消除偏差，加快系統(tǒng)響應，達到更好的控制效果。

5 結束語

本文以智能小車為載體，結合PID控制理論、PWM控制調速和圖象識別等技術，對智能車循跡做出簡要分析。并針對不同復雜路徑，結合實際測試做出相應的處理，以優(yōu)化循跡效果。

參考文獻：

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