基于K60單片機智能小車設計與實踐

陳建輝，劉湘安

基于K60單片機智能小車設計與實踐

陳建輝1，劉湘安*2

（1.電信科學技術第四研究所有限公司，陜西 西安 710061；2.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

為更好地參加全國大學生智能汽車競賽，文章提出了基于K60的智能小車設計，設計了以MK60DN512ZVLQ10作為核心控制器的硬件電路系統。軟件系統通過處理單目攝像頭所拍攝的圖像，得到小車的規劃路徑曲線；再通過單點預瞄最優曲率模型得到較優轉向角，用比例積分微分（PID）算法控制小車的轉向，實現了小車的循跡功能。采用了障礙物膨脹法，有效避免了碰撞的發生。試驗結果表明，所設計的智能小車能夠在賽道上直線行駛、轉彎、過十字路口等，具有基本的行駛功能，滿足了設計目標要求。

智能小車；K60單片機；PID算法；循跡功能

智能小車，也稱輪式機器人，因其構造簡單、工作效率高以及控制相對方便，成為了移動智能機器人研究領域的重要分支[1]。本文設計的智能小車能通過自身所搭載的黑白CMOS單目攝像頭來識別道路信息，并在道路自主駕駛，完成一定行駛功能。研究智能小車對研究智能駕駛有一定的參考借鑒作用。

本文設計了基于K60的智能小車，該小車能夠通過CMOS攝像頭來識別道路圖像信息；單片機通過發送控制指令給電機驅動程序和舵機驅動程序，從而可以控制小車的速度和轉向，進而可以使小車能夠循跡，避障。

1 系統總體設計方案

系統總體設計如圖1所示，由電源模塊、直流電機模塊、舵機轉向模塊、攝像頭模塊、主控芯片模塊和車架模塊等部分組成。選用電容量為2 000 mAh、額定電壓 7.2 V 的鎳氫電池。單目攝像頭探測信息豐富，觀測距離遠且成本低，因此，采用單目攝像頭作為環境感知傳感器。用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）控制驅動電機，實現電機的調速變矩。單片機選擇MK60 DN512ZVLQ10單片機。車體選擇單電機后驅車模，采用S-D5數字轉向舵機。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件電路設計

硬件電路由以下幾個部分組成：主控芯片、攝像頭圖像采集電路、舵機驅動電路、液晶與按鍵電路、電機驅動電路、供電電路等。

2.1 主控芯片

主控芯片是MK60N512ZVLQ10，屬于K60系列的微控制單元（Micro Control Unit, MCU），內核芯片是Cortex-M4，供電電源為3.3 V，晶振頻率為50 MHz，系統頻率為100 MHz，數據處理能力能夠滿足使用要求和有足夠多的外設接口。

2.2 電機驅動電路

小型電機驅動電路一般采用集成芯片驅動方式，本系統電機驅動電路以IRLR7843為核心板，將IRLR7843 MOS管組成H橋驅動電路，如圖2所示。

圖2 電機驅動電路板

2.3 攝像頭驅動電路

本系統采用像素為762×564的黑白CMOS單目攝像頭，采用LM1881芯片對視頻信號進行分離，分離出同步信號，單片機根據同步信號進行圖像采集的控制。根據圖像采集原理設計的驅動電路如圖3所示。

圖3 攝像頭驅動電路圖

2.4 轉向舵機驅動電路

本系統采用S-D5數字舵機，供電電壓為4.5～6 V，扭力為49～58.8 N.m，動作速度44.352～50.688 r/min，頻率范圍為50～300 Hz。設計供電電壓為5 V，因此，可以采用穩壓芯片LM7805-5V對其供電。

2.5 顯示與按鍵電路

需要外置按鍵對小車的轉向角大小、車速等等進行調節，所需按鍵分別是選擇鍵、增加鍵、減小鍵和保存鍵，同時需要一個顯示屏來顯示數字。本系統采用的是nokia 5110液晶顯示器（Liquid Crystal Display, LCD）。

2.6 電源供電電路

電源供電電路需要有多個輸出電壓，以滿足各個模塊的電壓需求。電壓需求圖如圖4所示。系統電源輸入應能提供或轉換為5 V、12 V和3.3 V電壓。由于電源電壓為7.2 V，本系統采用LM7805- 5 V和LM1117-3.3 V穩壓芯片對電源電壓進行轉換，采用直流轉直流電源（Direct Current-Direct Current, DC-DC）可調升壓模塊把7.2 V升到12 V。12 V電壓用來給圖像采集模塊提供電源；5 V電壓供給舵機和電機驅動電路；3.3 V電壓供給單片機和顯示與按鍵電路。

圖4 電源供電示意圖

3 系統軟件功能設計

所設計的智能小車系統采用單目黑白CMOS攝像頭進行道路環境識別，環境識別功能包括圖像采集，賽道識別及校正處理等；采用魯棒性強且使用廣泛的比例積分微分（Proportion Integra- tion Differentiation, PID）算法，對小車的轉向和速度進行控制，以實現賽道路徑跟隨和避障功能。

3.1 環境感知與路徑識別

3.1.1圖像采集

本文中攝像頭安裝在車模的前中心部分，所采用的攝像頭為 PC7030 CMOS 數字攝像頭，其具有性能穩定，技術成熟，電路可靠簡單（周邊配套元器件成本低）和性價比高等優點。

攝像頭所采集到的圖像為灰度圖像，分辨率設置為120×188。采用固定閥值對圖像進行二值化處理[2]，即對采集的圖像中像素點的屬性值與所設定的閾值進行比較，小于閾值的點為黑點，大于閾值的點為白點，將灰度圖像轉換成二值化圖像，如圖5所示。

圖5 彎道二值化圖像

3.1.2賽道識別及校正

需要識別的賽道信息主要包括賽道兩側邊線位置、賽道中心線位置和賽道類型判別。

單片機將二值化圖像黑白跳變點進行識別和保存，將黑白跳變點連成一線，即為賽道兩側邊線位置。在對兩邊線取中線，即為賽道中心線位置。由于賽道畸變及其他干擾等，圖像效果會下降，因此，必須進行一些必要的處理，以便正確識別賽道中心及特殊賽道類型（十字交叉路口，S轉彎等）。常用的校正處理方法有：賽道寬度具有一定的范圍，賽道具有連續性；即通過設定約束條件，可以有效濾除干擾，如圖6所示。

圖6 彎道處理后的圖像

3.2 運動規劃與控制

3.2.1電機速度控制

本系統的電機速度控制采用PID控制中的增量式控制策略，根據單位時間電機編碼器反饋的電機速度信息，構建了基于增量式PID的速度閉環控制器[3]，如圖7所示。

圖7 電機速度閉環控制框圖

增量式PID控制算法公式為

式中，Δ()為速度控制增量；p為比例放大系數；i為積分系數；d為微分系數；()為控制器的輸入（即為設定速度與實際速度之差）。

3.2.2舵機轉向控制

本系統的舵機轉向控制采用PID控制中位置式控制策略[4]。控制算法公式為

式中，()為PID控制器的輸出；()為控制器的輸入，即設定舵機轉角與舵機實際轉角之差；p為比例放大系數；i為積分系數；d為微分系數。

3.2.3循跡

關于智能小車對賽道中心線的跟蹤控制，本系統采用單點預瞄最優曲率模型[5-7]，通過模型可以估計出最優的方向盤轉角。本系統采用障礙物膨脹法，通過增大跟蹤軌跡與障礙物的間隔，防止碰撞發生。

4 測試結果

如圖8所示，試驗測試結果表明，智能小車能夠實現在賽道上直線行駛、轉彎、過十字路口等基本行駛功能；但是由于單目攝像頭受光照干擾大，當光照變化時，小車不能穩定地在賽道上行駛，會駛出賽道。因此，今后將在軟硬件方面對智能小車進行全面改進，以提高智能小車對環境的適應性。

圖8 智能小車在不同實驗場景下的測試效果

5 結論

本文通過對基于K60單片機智能小車的設計，實現了智能小車自主循跡及避障等功能，滿足比賽的設計目標要求。本設計有以下創新點：一是通過基于單點預瞄最優曲率模型，得到較優的轉向角，能夠使小車平穩地跟蹤路徑；二是通過增量式PID算法對電機轉速進行控制，可以有效降低電機發生故障時的影響，提高電機轉速控制效果。

[1] 張傳正,紀旭彬,張丙哲.基于模糊控制的智能小車軌跡跟蹤控制[J].汽車實用技術,2019,44(23):38-40.

[2] 劉超,蔡文華,陸玲.圖像閾值法分割綜述[J].電腦知識與技術,2015,11(1):140-142,145.

[3] 岳俊峰,李秀梅.基于機器視覺的智能小車自動循跡及避障系統[J].杭州師范大學學報(自然科學版), 2020,19(2):200-207.

[4] 曾喆昭,陳澤宇.論PID與自耦PID控制理論方法[J].控制理論與應用,2020,37(12):2654-2662.

[5] 丁能根,冉曉鳳,張宏兵.基于單點預瞄最優曲率模型的單軌車輛駕駛員模型[J].機械工程學報,2008,44 (11):220-223,228.

[6] 郭孔輝.駕駛員—汽車閉環系統操縱運動的預瞄最優曲率模型[J].汽車工程,1984(3):1-16.

[7] 沈峘,凌銳,李舜酩.基于預瞄最優曲率模型的大曲率轉向控制方法[J].中國機械工程,2012,23(17):2111- 2116.

Design and practice of smart vehicle based on K60 microcontroller

CHEN Jianhui1, LIU Xiang'an*2

( 1.Fourth Research Institute of Telecommunication Technology Company Limited, Xi'an 710061, China;2.School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China )

In order to participate the national college students smart car competition with good score, this paper presents the design of an intelligent small car based on K60. A hardware circuit system with MK60DN512ZVLQ10 as the core controller is designed. The software system obtains the car planning path curve by processing the photos taken by the monocular camera. The better steering angle is obtained by the single-point preaiming optimal curvature model and the proportion integration differentiation(PID) algorithm controls the steering of the car to realize the tracking function. The obstacle expansion method is adopted to effectively avoid the collision. The test results show that the designed intelligent car can drive in a straight line, turn, cross the intersection and so on.It has basic driving functions and meets the design objectives and requirements.

Smart vehicle;K60 single chip machine;PID algorithm;Tracking function

TP23

A

1671-7988(2023)10-47-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.009

陳建輝 （1981—），男，碩士，工程師，研究方向為車路協同和車聯網。

劉湘安（1999—），男，碩士研究生，研究方向為車路協同和智能駕駛，E-mail:2357055607@qq.com。