【文章內(nèi)容簡介】 行路徑識別、決策規(guī)劃以選擇最佳的行駛狀態(tài)，智能車集中運用了自動控制、傳感器技術、汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科的知識。隨著控制技術、計算機技術和信息技術的發(fā)展，智能車在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中已扮演了非常重要的角色。在我國現(xiàn)階段，很多企業(yè)和學校也都意識到了研究智能車的重大意義和有著廣闊的研究前景，企業(yè)與學校聯(lián)合研究，共享資源的智能車研究也已有較多的合作項目。 車輛智能化是汽車工業(yè)今后的發(fā)展趨勢，也是人們對安全性、智能化要求越來越高未來汽車的發(fā)展方向。隨著計算機技術和信息技術為代表的高新技術的發(fā)展，智能車輛技術的研究將會有突破性的進展。智能車輛系統(tǒng)的實用化是智能車輛發(fā)展的前進方向，適應性強、環(huán)境適應性好的智能車輛將是研究的重點。 3 論文研究的內(nèi)容 設計目標是使智能小車能以最快速度完整的跑完整個賽道，這就要求小車具有較強的道路信息采集系統(tǒng)和信息處理、反饋系統(tǒng)，為了使小車能夠采集到比較保真的圖像，我選用的是 QV7620 圖像傳感器，然后用 MC9S12XS128MAL 控制芯片收集和處理采集到的圖像信號，然后再通過對采集到的信號進行處理和反饋來控制小車的行進。 小車的行進主要是有直流電機和轉(zhuǎn)向舵機兩部分組成，分別控制小車的行進速度與轉(zhuǎn)向角度。對于小車的引導采用的是與白色地面顏色有較大差別的黑色線條作為引導。經(jīng)過圖像傳感器采集道路信息，將信息傳遞給單片機，單片機對信息進行處理然后反饋到小車的直流電機與轉(zhuǎn)向舵機上，以控制小車的行進速度與轉(zhuǎn)向角度，以達到最佳的行進效果，使小車能夠快速、平穩(wěn)的行駛。為此，系統(tǒng)必須把路徑識別、相應的轉(zhuǎn)向舵機控制以及直流驅(qū)動電 機控制準確地結(jié)合在一起。 因此，本課題的重點是電路的布置，以及信息的采集、分析以及反饋。從這里可以看出，本課題可以分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件系統(tǒng)主要就是關于單片機對圖像采集系統(tǒng)采集信號的處理然后控制直流電機和轉(zhuǎn)向舵機來控制小車的行進。軟件系統(tǒng)主要是用軟件開發(fā)工具來進行軟件調(diào)試 基于圖像傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設計 4 第 2 章 智能車系統(tǒng)總體介紹 整體設計概述 本課題所設計的小車要求有自動循跡功能，能在指定的賽道上高速、穩(wěn)定的運行。跑道為黑白兩色，其背景色為白色，跑道中間有一條 25mm寬度的連續(xù)黑色引導線，作為能夠識別道路狀況、自動決策運行的智能車可以看出一個自動控制系統(tǒng)。因此，設計的小車要能沿黑線正常行駛，并盡量能夠快速、平穩(wěn)的完成行駛過程。 圖 21 智能車總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 設計自動控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)。在嚴格遵守規(guī)則中對于電路限制條件，保證智能車可靠運行前提下，電路設計應盡量簡潔緊湊，以減輕系統(tǒng)負載，提高智能車的靈活性，同時應堅持充分發(fā)揮創(chuàng)新原則，以簡潔但功能完美為出發(fā)點，并以穩(wěn)定性為首要前提，實現(xiàn)智能車快速 運行。 作為能夠自動識別道路運行的智能汽車，車模與控制器可以看成一個自動控制系統(tǒng)。它可分為傳感器、信息處理、控制算法和執(zhí)行機構(gòu)四個部分組成。其中，以單片機為核心，配有傳感器、執(zhí)行機構(gòu)以及它們的驅(qū)動電路構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件；信息處理與控制算法由運行在單片機中的控制軟件完成。故而，自動控制器設計可以分為硬件電路設計和控制軟件兩部分。 智能車將檢測到的道路信息和智能車姿態(tài)信息傳遞給控制器，控制器進行數(shù)據(jù)處理和決策，分別得出電機的控制量和舵機的控制量，對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機轉(zhuǎn)角加以控制，另外，通過速度檢測單元， 將電機轉(zhuǎn)速（即智能車的速度）反饋給控制器，實現(xiàn)對智能車速度的閉環(huán)控制，以提高控制的精度。 速度檢測 舵機 直流電機 模 型 車 控 制 器 信 息 檢 測 5 為了實現(xiàn)上述對智能車的控制，智能車必須具備以下主要功能模塊： 道路信息檢測模塊。實現(xiàn)對路況信息的檢測，為控制器的決策提供依據(jù)。 控制器模塊。判斷路面信息的狀況，對轉(zhuǎn)向舵機和驅(qū)動電機進行控制。 為智能車提供動力的驅(qū)動電機模塊和為智能車提供轉(zhuǎn)向功能的舵機模塊。 為了對智能車的速度實現(xiàn)閉環(huán)控制要有測速模塊，提供速度反饋信號。 電源管理模塊。提供不同的電壓等級，為整車系統(tǒng)的各個模塊供電。 為了調(diào)試的方便還要有人機交互模塊。 系統(tǒng)硬件模塊的分析 小車硬件整體方案設計 本次設計中的核心單片機將采用 MC9S12XS128MAL 型號的單片機。MC9S12XS128MAL 是一款飛思卡爾 16 位的單片機，其開發(fā)方法和工作特點都與常用的 8051 單片機有一定的區(qū)別。如何開發(fā)這款單片機，如何為單片機多個模塊寫入底層的驅(qū)動程序和編寫優(yōu)良的上層控制算法是這一模塊的核心。該微控制器是 freescale 公司推出的 S12 系列單片機中具有增強型的 16 位單片機，該系列單片機在汽車電子領域有著廣泛的應用。 S12 系列單片機的中央處理器 CPU12 由以下三部分組成 : 算術邏輯單元 ALU、控制單元、寄存器組。 它的寄存器組包括如下 5 個部分 : (l)8 位累加器 A， B 或 16 位的累加器 D。 (2)16 位尋址寄存器 X 和 Y 是用來處理操作數(shù)的地址。可分別用于源地址，目的地址的指針型變量運算。 (3)堆棧指針 SP 是 16 位寄存器。 (4)程序計數(shù)器 PC 是 16 位寄存器。它表示下一條指令或下一個操作數(shù)的地址。 (5)條件碼寄存器 CCR。 MC9S12XS128MAL是 Freescale 公司推出的 S12 系列單片機中的一款增強型 16 位單片機，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包 括 SPI、 SCI、 IIC、 A/D、 PWM 等，單片機采用增強型 16 位 HCS12 CPU，片內(nèi)總線時鐘最高可達 25MHz；片內(nèi)資源包括 8K RAM、128K Flash、 2K EEPROM； SCI、 SPI、 PWM 串行接口模塊；脈寬調(diào)制 (PWM)模塊可設置成 4 路 8 位或者 2 路 16 位，邏輯時鐘選擇頻率寬。它包括兩個 8 路 10 位精度A/D 轉(zhuǎn)換器，控制器局域網(wǎng)模塊 (CAN)，增強型捕捉定時器并支持背景調(diào)試模式。本次設計所提到的智能車自動控制系統(tǒng)就是基于此芯片設計。賽車硬件電路作為系統(tǒng)實現(xiàn)其一系列控制功 能的基礎，其設計的好壞直接關系到最終系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的運行。通過分析，得到系統(tǒng)各主要功能模塊電路及其與微處理器之間的邏輯關系，系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設計框圖如下圖所示： 基于圖像傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設計 6 圖 22 硬件結(jié)構(gòu)設計框圖 通過單片機信號接收口接收攝像頭的圖像信號和霍爾的脈沖信號 以及調(diào)速的電壓信號，外加 5V電源為單片機供電，通過 PWM 口調(diào)節(jié)舵機轉(zhuǎn)角和電機轉(zhuǎn)速。 圖 23 電源模塊分配框圖 舵機 電機 轉(zhuǎn) 5V 測速傳感器 驅(qū)動電機芯片 單片機 電池 電源管理 驅(qū)動芯片 舵 機 電機 MCU CMOS 轉(zhuǎn)速測量 7 系統(tǒng)軟件模塊的分析 圖 24 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 從該結(jié)構(gòu)圖中 可以看出，系統(tǒng)的軟件模塊主要有： 1. 單片機系統(tǒng)的初始化，包括單片機系統(tǒng)時鐘的初始化、 ATD 模塊的初始化、 PWM模塊的初始化、增強型時鐘模塊的初始化，還有一些輸入輸出口的初始化； 2. 圖像信號的采集：通過對圖像信號波形的學習，根據(jù)圖像信號的特點，采集有效圖像信號； 3. 圖像信號的處理：將采集到的信號存儲在單片機中，通過對圖像信號的分析和判斷來識別路徑，判斷黑線中間位置，判斷道路是直線還是曲線，以及通過計算判斷出曲線的斜率，從而進一步的控制舵機的轉(zhuǎn)角和驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。 4. 舵機轉(zhuǎn)角的控制和電機轉(zhuǎn)速的控制：通過控制 PWM 口的信號輸出可以實現(xiàn)對舵機轉(zhuǎn)角和輪速的控制 5. 霍爾輪速 傳感信號的輸入：通過對輸入信號的捕捉和計算實現(xiàn)對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速的測算。 單片機的初始化 圖像信號的處理 控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速 控制轉(zhuǎn)向舵機轉(zhuǎn)向 圖像信號的采集 霍爾輪速傳感信號輸入 基于圖像傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設計 8 第 3 章 智能車硬件系統(tǒng)的設計和調(diào)整 道路檢測模塊方案分析 信息采模塊的選擇 在功能模塊中，道路信息檢測模塊方案的選定尤為重要，道路信息檢測質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到控制器能 否作出合理、快速、準確地決策，從而左右整個智能車控制品質(zhì)的好壞。在智能車的道路信息檢測模塊設計中，提出了幾種方案，單排紅外發(fā)光二極管方案、雙排紅外發(fā)光二極管方案、 CCD 攝像頭和 CMOS 攝像頭方案。另外，如何有效利用單片機內(nèi)部資源進行路徑參數(shù)檢測，也是確定檢測方案的關鍵。下面對這幾種方法進行了詳細的比較。 通過比較分析，單排紅外發(fā)光二極管具有以下缺點：由于使用紅外發(fā)光二極管，其最遠探照距離為 20cm,作用距離相當有限，而且受限于 16 個檢測傳感器，在彎道處可能會出現(xiàn)檢測不到黑線的情況，不能做到提前轉(zhuǎn)彎和彎道減 速，以至于使小車沖出跑道。雖然建立動態(tài)隸屬度函數(shù)，但仍然不能很好的克服各個發(fā)射管和接收管參數(shù)不同所帶來的誤差。雙排紅外發(fā)光二極管具有以下缺點：使用紅外光電管還是沒能克服探照距離近的障礙，同時整個比賽成績的優(yōu)異太過于依賴第一圈的穩(wěn)定性，如果第一圈記錄路徑出現(xiàn)了較大的誤差，將影響整個比賽成績。即使第一圈很穩(wěn)定，到第二圈速度也達不到理想的速度，速度還是受到了限制，故放棄了該方案。經(jīng)過以上比較，最終選定了了攝像頭方案，但是攝像頭有 CCD 和 CMOS 之分，下面對 CCD 和 CMOS 攝像頭的原理、優(yōu)缺點做出了比較，以選出能達 到最佳效果的道路檢測模塊 . CCD 和 CMOS 圖像傳感器的原理 CCD(charge coupled device） 電荷耦合器件 CCD 利用光電效應制作的半導體器件，起步早，技術已相當成熟，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應用。 構(gòu)成 CCD 的基本單元是 MOS (金屬 氧化物 半導體 ) 結(jié)構(gòu)。 CCD 的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時 ,需要在金屬柵極加一定的偏壓 ,形成 以容納電荷 ,電荷的多少基本與光強成線性關系。電荷讀出時 ,在一定相位關系的移位脈沖作用下 ,從一個位置移動到下一個位置 ,直到 移出 CCD ,經(jīng)過電荷 電壓變換 ,轉(zhuǎn)換為模擬信號。 CMOS(plemetary metal oxide semiconductor)圖像傳感器 CMOS 是一種高集成度大規(guī)模集成電路，仍使用光敏元件為感光器件，光敏元件在排列方式上與 CCD 電荷耦合器件相同，只是在光電轉(zhuǎn)換后信息傳送方式不同。 CMOS芯片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器 ,通過總線編程來對自動增益、自動曝光、白色平衡、γ校正等功能進行控制 ,編程簡單、控制靈活。直接輸出的電視機制式圖像信號可以很方便地和后續(xù)處理電路接口 ,供處理器 AD模塊對其進行采 集和處理器處理。 9 CCD 和 CMOS 圖像傳感器優(yōu)缺點比較： 光電轉(zhuǎn)換 CMOS 和 CCD 使用相同的感光元件，具有相同的靈敏度和光譜特性，但光電轉(zhuǎn)換后的讀取信號方式不同。 CMOS 光傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換直接產(chǎn)生電壓信號，讀取十分簡單，特別的在監(jiān)控領域 ， CMOS 傳感器的信號輸出大部分是 PAL 電視機制式，信息讀取十分方便。而 CCD 存儲的電荷信息的轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源配合，較為復雜。 信息的讀取速度 CCD 電荷耦合器需要在同步時鐘控制下以行為單位一位一位輸出信息，速度較慢，而 CMOS 光電傳感器在 采集光信號的同時就輸出電壓信號，速度比 CCD 快。 電源及耗電量 CCD 電荷耦合器大部分需要三組電源供電，耗電量高，一般需要 12V 以上供電電壓。而 CMOS 光電傳感器只需要一個電源，耗電量低，一般供電范圍是 6— 9V ,功耗相對 CCD 有很大的降低。 成像效果 CCD 技術起步早，技術比較成熟，消噪效果好，成像質(zhì)量相對 CMOS 光電傳感器好。 方案選取 綜合以上 CCD 和 CMOS 的優(yōu)缺點，雖然 CCD 在成像質(zhì)量上優(yōu)于 CMOS，但對于只需在白色的背景下識別黑線 ， CMOS 以能勝任，并且著重考慮到功耗，最終選用 了OV7620CMOS 攝像頭作為識別路徑的傳感器。 道路信息采集模塊 要能有效地采樣攝像頭視頻信號，首先要處理好的技術問題就是能提取出攝像頭信號中的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖。否則，單片機將無法識別所接收到的視頻信號處在哪一場，也無法識別是在該 場中的場消隱區(qū)還是視頻信號區(qū)，更無法識別是在視頻信號區(qū)的第幾行，因此單片機將無法采集到正確的信號 ,處理好行同步脈沖和場同步脈沖提取的問題 ，對視頻信號采集十分重要。 當不使用外部芯片是