飛思卡爾攝像頭智能車設計分析

翟朋輝

摘 要：基于MT9V032數字攝像頭和飛思卡爾K60單片機實現了自主尋跡的智能小車設計。分別介紹了智能車車體構造及系統整體設計方案、智能車硬件設計、智能車圖像處理算法及電機PID控制算法。測試過程發現該設計方案具有良好的可行性，小車運行穩定。

關鍵詞：攝像頭;K60單片機;智能車

現如今無人駕駛技術正蓬勃發展，許多技術日益趨于成熟。各種傳感器技術的持續進步也必將推動無人駕駛技術研究更上一個臺階，愈加可靠的智能車走進我們的生活指日可待。本次設計中的攝像頭智能車本著同樣的設計原則，追求快速性、穩定性、精確性。智能車以飛思卡爾單片機為控制核心、攝像頭進行路徑識別，PID算法控制小車行進速度。

1 車體構造及系統整體設計

1.1 車體構造

為了使小車在行駛時盡可能地保持快速、平穩，硬件安裝時應注意降低小車重心，如將電池、主板、電機盡量放置在同一平面;搭建硬件時采用高強度質量輕的材料;攝像頭的放置應盡可能地使視野開闊，盡量減少盲區。此外，機械安裝上的一些細小差別，如螺絲的松緊程度等都可能對小車行駛造成巨大影響，因此安裝時要不斷進行調試檢驗。

1.2 系統整體設計

智能車以飛思卡爾K60微控制器為核心控制單元，攝像頭用來獲取賽道信息，并將采集到的信息傳送給核心控制單元處理，處理后的結果作為小車接下來行駛路徑規劃的依據;采用編碼器對小車速度進行實時檢測;PID算法用于對電機轉速的反饋控制，從而實現對小車運行速度的閉環控制。智能車共有五大模塊：核心控制器模塊、攝像頭檢測模塊、速度檢測模塊、電機驅動模塊、電源供電模塊。

2 攝像頭智能車硬件設計

2.1 核心控制器模塊

智能小車使用K60單片機，作為整個系統的控制核心。其具有處理速度快、性能穩定及體積小的特點，主要用于對傳感器檢測到的信息進行分析處理從而控制小車行進，以及利用PID算法對小車的速度進行閉環控制。

2.2 攝像頭檢測模塊

攝像頭作為智能車的“眼睛”，主要用于對賽道環境的識別，將采集的圖像信息傳送給核心控制器模塊進行處理，是智能小車準確行進的基礎。本設計采用逐飛科技MT9V032數字攝像頭，內置驅動程序并具有FPS可調、可自動曝光、可實現二值化等優點，但是功耗相對較高，工作電流大。

2.3 速度檢測模塊

早在車輛規劃設計早期，設計者們就已經在車上加入了開環控制來確保車輛在行進過程中的平穩性，但是這種做法犧牲了車輛行進速度。因此，若在車上安裝速度檢測器件，同時引入開環控制方案，便可以很好地解決上述問題。本設計采用編碼器進行小車行駛過程中的速度檢測。

2.4 電機驅動模塊

飛思卡爾智能車速度的提高是參賽者不斷追求的目標，而巧妙的電機驅動設計是提升小車速度的一個關鍵。本設計中使用四塊BTS7960芯片兩兩并聯進行電機驅動，采用四路八位PWM實現對電機的調速控制。在測試過程中發現電路具有較高的可靠性，滿足系統設計要求。

2.5 電源供電模塊

電源供電模塊是小車驅動力的來源，可靠的電源供電電路是小車穩定行駛的基礎。小車所用的電池電壓為7.2V，當需要5V電壓時需要對電壓進行轉換。系統采用的降壓模塊具有較大的電壓允許輸入值，運行環境寬廣，滿足系統設計要求。

3 攝像頭智能車軟件設計

3.1 圖像處理

采用二值化對采集到的圖像進行處理。從中心向兩邊進行搜索并測算十字搜線是否偏離了賽道，如果偏離了賽道，則進行補線。彎道用到了斜率控制，而在終止冗余線段則用到了斜率和弧度進行雙向判斷，進一步提高了控制的精確性。

3.2 電機控制方式

使用數字PID算法對電機進行閉環反饋控制，該算法可以在參數多變、控制模型不可控的實施對象中獲得較為理想的處置結果。本設計中采用增量式PID算法，其只有一個系數，經驗公式為：

核心控制器通過攝像頭傳送的賽道信息判別此時賽道的狀態，并根據識別的不同結果發出相應的反饋控制命令，因此小車在行駛過程中要經過多次變速。經過測試發現，PID控制在此控制過程中獲得了較好的效果。

4 結語

基于MT9V032數字攝像頭和飛思卡爾K60單片機實現了自主尋跡的智能小車設計。攝像頭用來獲取賽道信息，經核心控制器處理后控制小車運動;編碼器用于對小車速度進行檢測;PID算法用于對電機轉速的反饋控制，實現對小車運行速度的閉環控制。測試過程發現該設計方案具有良好的可行性，小車運行穩定可靠。

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