【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(shù)、汽車電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科的知識。隨著控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)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(xué)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(xué)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(jī)技術(shù)和信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的發(fā)展，智能車輛技術(shù)的研究將會有突破性的進(jìn)展。智能車輛系統(tǒng)的實用化是智能車輛發(fā)展的前進(jìn)方向，適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的智能車輛將是研究的重點。 3 論文研究的內(nèi)容 設(shè)計目標(biāo)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(qiáng)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(jìn)行處理和反饋來控制小車的行進(jìn)。 小車的行進(jìn)主要是有直流電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)兩部分組成，分別控制小車的行進(jìn)速度與轉(zhuǎn)向角度。對于小車的引導(dǎo)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(dǎo)。經(jīng)過圖像傳感器采集道路信息，將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)對信息進(jìn)行處理然后反饋到小車的直流電機(jī)與轉(zhuǎn)向舵機(jī)上，以控制小車的行進(jìn)速度與轉(zhuǎn)向角度，以達(dá)到最佳的行進(jìn)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(yīng)的轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及直流驅(qū)動電 機(jī)控制準(zhǔn)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(guān)于單片機(jī)對圖像采集系統(tǒng)采集信號的處理然后控制直流電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)來控制小車的行進(jìn)。軟件系統(tǒng)主要是用軟件開發(fā)工具來進(jìn)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(shè)計 4 第 2 章 智能車系統(tǒng)總體介紹 整體設(shè)計概述 本課題所設(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)計自動控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)。在嚴(yán)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(shè)計應(yīng)盡量簡潔緊湊，以減輕系統(tǒng)負(fù)載，提高智能車的靈活性，同時應(yīng)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(jī)構(gòu)四個部分組成。其中，以單片機(jī)為核心，配有傳感器、執(zhí)行機(jī)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(jī)中的控制軟件完成。故而，自動控制器設(shè)計可以分為硬件電路設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和決策，分別得出電機(jī)的控制量和舵機(jī)的控制量，對驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機(jī)轉(zhuǎn)角加以控制，另外，通過速度檢測單元， 將電機(jī)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(jī) 直流電機(jī) 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(jī)和驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制。 為智能車提供動力的驅(qū)動電機(jī)模塊和為智能車提供轉(zhuǎn)向功能的舵機(jī)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(jī)交互模塊。 系統(tǒng)硬件模塊的分析 小車硬件整體方案設(shè)計 本次設(shè)計中的核心單片機(jī)將采用 MC9S12XS128MAL 型號的單片機(jī)。MC9S12XS128MAL 是一款飛思卡爾 16 位的單片機(jī)，其開發(fā)方法和工作特點都與常用的 8051 單片機(jī)有一定的區(qū)別。如何開發(fā)這款單片機(jī)，如何為單片機(jī)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(jī)中具有增強(qiáng)型的 16 位單片機(jī)，該系列單片機(jī)在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 S12 系列單片機(jī)的中央處理器 CPU12 由以下三部分組成 : 算術(shù)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?？煞謩e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(jī)中的一款增強(qiáng)型 16 位單片機(jī)，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包 括 SPI、 SCI、 IIC、 A/D、 PWM 等，單片機(jī)采用增強(qiáng)型 16 位 HCS12 CPU，片內(nèi)總線時鐘最高可達(dá) 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(shè)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(qiáng)型捕捉定時器并支持背景調(diào)試模式。本次設(shè)計所提到的智能車自動控制系統(tǒng)就是基于此芯片設(shè)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(chǔ)，其設(shè)計的好壞直接關(guān)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(guān)系，系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計 6 圖 22 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖 通過單片機(jī)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(jī)供電，通過 PWM 口調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速。 圖 23 電源模塊分配框圖 舵機(jī) 電機(jī) 轉(zhuǎn) 5V 測速傳感器 驅(qū)動電機(jī)芯片 單片機(jī) 電池 電源管理 驅(qū)動芯片 舵 機(jī) 電機(jī) 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(jī)系統(tǒng)的初始化，包括單片機(jī)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(qiáng)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(xué)習(xí)，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(jī)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(jìn)一步的控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 4. 舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制和電機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速的測算。 單片機(jī)的初始化 圖像信號的處理 控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速 控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)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(shè)計 8 第 3 章 智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)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(zhǔn)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(shè)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(jī)內(nèi)部資源進(jìn)行路徑參數(shù)檢測，也是確定檢測方案的關(guān)鍵。下面對這幾種方法進(jìn)行了詳細(xì)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(yuǎn)探照距離為 20cm,作用距離相當(dāng)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(dá)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(dá) 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(yīng)制作的半導(dǎo)體器件，起步早，技術(shù)已相當(dāng)成熟，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。 構(gòu)成 CCD 的基本單元是 MOS (金屬 氧化物 半導(dǎo)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(qiáng)成線性關(guān)系。電荷讀出時 ,在一定相位關(guān)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(jìn)行控制 ,編程簡單、控制靈活。直接輸出的電視機(jī)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(jìn)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(lǐng)域 ， CMOS 傳感器的信號輸出大部分是 PAL 電視機(jī)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(fù)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(shù)起步早，技術(shù)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(shù)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(jī)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(jī)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(dāng)不使用外部芯片是