基于CCD智能小車的解決方案

徐莉 徐錦紅 孫健龍 孔祥權 李瑜輝 時玉棟

摘要：設計了一種智能小車，能夠沿著直徑2～3cm的黑色跑道行駛。本系統采用STM32F103C8T6作為主控，循跡模塊使用的是線性CCD傳感器，傳感器將采集到的數據交給STM32處理并在OLED液晶顯示器上顯示出來。根據處理后的數據，有特定算法去實現小車的直角轉向。實驗結果表明：該方案能夠實現小車對黑線的循跡，能夠進行較好的轉向。

Abstract： A smart car is designed to run along a black track with a diameter of 2～3cm. This system uses STM32F103C8T6 as the main control， and the tracking module uses a linear CCD sensor， which will send the collected data to STM32 for processing and display on the OLED. According to the processed data， there are specific algorithms to realize the right-angle steering of the car. The experimental results show that the scheme can track the black line and turn well.

關鍵詞：控制算法;循跡;STM32;智能小車

Key words： control algorithm;tracking;STM32;intelligent car

中圖分類號：TP23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0178-02

0? 引言

隨著科學技術的發展，機器人的設計愈來愈精細，功能愈來愈復雜，車型機器人作為其中一個重要的分支，也在不斷的發展。隨著汽車工業與傳統汽車行業的逐漸飽和，伴隨著微控制技術與嵌入式技術的迅猛發展，使得汽車逐漸走向科技化、智能化。智能小車這類設備可在復雜多樣、不利于人工工作的工作環境，在軍事和普通生活中都可以有各種各樣的用途。

1? 系統設計框圖

系統功能框圖如圖1。

本系統由主控部分、動力部分、轉向部分、循跡部分以及顯示部分組成，該系統采用STM32F103C8T6作為核心處理器，雙電機驅動后輪作為動力組，轉向部分由連桿機構及舵機組成，用OLED液晶顯示器，顯示整機狀態以及CCD循跡模塊采集到的線條數據。循跡模塊使用的是線性CCD循跡模塊。

2? 硬件系統設計

2.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F103C8T6作為核心處理器，其使用的內核是ARM公司出品的Cortex-M3;最高的工作頻率為72MHz，128KB的Flash和20KB的SRAM;有兩個SPI和IIC通信接口、三個通用定時器和一個高級定時器、兩個12位的ADC模塊以及37個GPIO端口。

2.2 電機驅動模塊

采用A4950芯片驅動電機，A4950是一款全橋式驅動芯片，有強大的過電流保護功能。該芯片能夠提供3.5A的峰值輸出電流，工作電壓可高達40V，可以通過電源來調節輸出電壓，也可以通過I/O口提供信號。用該芯片作為電機驅動，操作方便，可以調節PWM限制電流;穩定性好，當電壓不足時，能進行內部欠壓鎖定（UVLO）;性能優良，既有同步整流功能，又有交叉電流保護功能。

2.3 顯示模塊

OLED液晶顯示屏的優點有自發光、低功耗;接口豐富、開發方便簡單;戶外陽光下可視;響應速度快、播放動態圖像無拖尾;高低溫性能優越，能適應嚴寒（-40～+80℃）;具有較高的電磁兼容防護能力，能滿足極端環境條件下使用;具有高色彩再現性和色彩飽和度，顯示效果更真實等特點。OLED較多被使用在軍工方面。

本系統使用分辨率為128*64的單色藍光OLED液晶顯示屏。采用的SPI通訊接口，操作簡單、支持雙全工操作，具有較高的數據傳輸速率。經由主控系統中的動態閾值算法和中線提取算法的處理，將黑線的動態閾值與中線中值顯示在OLED液晶顯示屏上。

2.4 循跡模塊

本系統采用的CCD圖像傳感器具有高解析度、低雜訊高敏感度、動態范圍廣、良好的線性特性曲線、大面積感光、低影像失真、體積小、重量輕、低耗電力以及不受強電力磁場影響等優點。與傳統的光電循跡不同，CCD模塊是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。一塊CCD上植入的微小光敏物質稱作像素，像素愈多，其提供的畫面分辨率也就越高。相對于普通的光電循跡模塊，線性CCD循跡模塊具有更高的穩定性。

2.5 系統整體方案

系統整體方案的框架圖如圖2所示。通過主控芯片驅動線性CCD循跡模塊尋找黑線，經由主控芯片將數據進行處理，反饋給小車系統的轉向模塊，判斷左轉、右轉還是直線運動;通過電機驅動模塊驅動電機驅使小車運動，再由末端的編碼器返回電機轉速值，從而實現電機的速度閉環控制;所有的數據由主控芯片處理后，再將CCD動態閾值以及中值、電機閉環速度以及舵機轉速等數據顯示在OLED液晶顯示器上[1-3]。

3? 系統測試

本系統中小車的循跡功能設計為在地面鋪設2～3cm的黑色膠帶，小車沿著黑色膠帶的軌跡行走[4]。線性CCD模塊采集回128個像素點存儲在一個數組中，考慮到CCD的質量原因，可能會產生幾個點的畸變，然后省略前幾個點和后幾個點的數據。本系統采用消除畸變的方法是將前四個點和后四個點的數據省略，產生120個值的數組。

將編碼器連接在直流電機的輸入端，再連接好電機驅動器與編碼器。將小車放在賽道上，沿著黑線，啟動小車。在OLED液晶顯示屏上顯示會顯示直流電機的運行速度[5-6]，與系統軟件編寫的速度吻合，且速度的均值不變，所以編碼器閉環控制速度的部分更夠正常運行。

循跡小車通過到彎道時，舵機轉向系統正常。OLED顯示系統正常。

整個系統的OLED測試結果如表1～表3所示。

4? 總結

本次循跡小車的制作與測試，發現了不少的問題，同樣的，也解決了不少的問題。例如，在開始設計下位機軟件的時候，沒有考慮到直角彎道。在一次次試驗中發現原先的程序并沒有實現掃描的直角彎道并轉向的功能。經過CCD動態閾值以及中值的數據采集并處理，得出了是原先代碼的算法缺失結論，接著一次次的試驗，終于可以實現直角彎道的轉向[7-8]。

在試驗中發現，用舵機連桿機構的轉向并不是十分適合直角彎。若要用舵機連桿機構實現直角轉向，就得實現后輪的正反轉，利用差速或逆向差速實現。

本文基于單片機STM32F103C8T結合線性CCD循跡模塊、A4950電機驅動模塊、傳感器模塊、OLED液晶顯示模塊等設計了一款性能穩定的智能循跡小車。加入適當的數據處理算法，可以使得數據處理變得更加穩定、可靠。克服了普通光電傳感器受強光或較弱光影響比較大的缺點。研究內容可用于貨物搬運以及自動駕駛技術，因此具有一定的學術價值和現實意義。

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