【文章內(nèi)容簡介】 范圍: 40 ℃～ + 125 ℃。9 工作模式:低功耗/ 正常兩種模式可外部控制。10 工作模式控制: TTL 電平兼容。11 需外部元件: 僅四個(不可調(diào)) 或六個(可調(diào)) 。12 器件保護:熱關(guān)斷及電流限制。13 封裝形式: TO 220 或TO 263。LM2576 內(nèi)部包含52kHz 振蕩器、1. 23V基準穩(wěn)壓電路、熱關(guān)斷電路、電流限制電路、放大器、比較器及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。為了產(chǎn)生不同的輸出電壓, 通常將比較器的負端接基準電壓(1. 23V) ,正端接分壓電阻網(wǎng)絡, 這樣可根據(jù)輸出電壓的不同選定不同的阻值,其中R1 = 1kΩ(可調(diào) ADJ 時開路) ,R2 分別為1. 7kΩ(3. 3V) 、3. 1kΩ(5V) 、8. 84kΩ(12V) 、11. 3kΩ(15V) 和0( ADJ)。將輸出電壓分壓電阻網(wǎng)絡的輸出同內(nèi)部基準穩(wěn)壓值1. 23V進行比較,若電壓有偏差,則可用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比, 從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。 圖像處理模塊攝像頭一般由鏡頭、傳感器芯片、外圍電路組成。傳感器芯片不能單獨工作，還需外圍電路支持，才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光線經(jīng)物體發(fā)射，通過鏡頭聚焦，焦點恰好在傳感器芯片的感光元件上，從而轉(zhuǎn)換成電信號。輸出信號制式為PAL電視機制式的攝像頭，一般有四條線：正極，地線，音頻輸出線，視頻輸出線。CMOS攝像頭供電電壓一般為69V,視頻信號峰峰值為1V。黑線吸收光線，將不會反射，傳感器感光元件陣列相對應的感光元件不產(chǎn)生電壓信號，即一個低壓信號，而對應白線反射光線，通過鏡頭聚焦，在相對應的感光元件出產(chǎn)生一個相對高電壓信號，一般峰峰值為1V。常用的攝像頭視頻輸出信號是PAL電視機制式，它的工作原理與電視機的工作原理相似：在一定分辨率下，每秒掃描25幀圖像，每幀圖像含有625行信息，分為奇、偶場，進行個隔行掃描，總共每秒50場信號，從奇數(shù)行開始掃描，即依次掃描第9……，當掃描完奇數(shù)場后，再開始掃描偶數(shù)場，構(gòu)成一幀圖像。如圖37所示： 圖37奇數(shù)場　　　　　　　　　　　　圖37偶數(shù)場由于智能車系統(tǒng)對實時性的要求很高，過于復雜的黑線提取算法，會導致決策周期溢出，使程序崩潰，所以必須采用簡單高效的圖像識別算法。路徑識別中，黑線和白色底板存在很多大灰度比，在圖像信號上會形成相應高低不同的電壓值，當檢測到黑線是，圖像信號中將形成一個“凹”形槽，通過DG128對信號進行采集，并對數(shù)據(jù)處理，就可以得到黑線相對小車的位置，一幀完成后，能計算出路徑的整個斜率和偏離量。檢測黑線的方法目前主要有二值化算法，逐行搜索的算法，邊緣檢測算法，下面是具體介紹。二值化算法二值化算法的思路是：設定一個閾值valve，對于視頻信號矩陣中的每一行，從左至右比較各像素值和閾值的大小，若像素值大于或等于閾值，則判定該像素對應的是白色賽道；反之，則判定對應的是黑色的目標引導線。記下第一次和最后一次出現(xiàn)像素值小于閾值時的像素點的列號，算出兩者的平均值，以此作為該行上目標引導線的位置。該算法的思想簡單，但是這種提取算法的魯棒性較差，當拍攝圖像中只有目標引導線一條黑線時，尚能準確提取出該目標引導線，但當光強有大幅度變化或圖像中出現(xiàn)其他黑色圖像的干擾時，該算法提取的位置就有可能與目標引導線的實際位置偏離較大。 逐行搜索的算法采用逐行搜索的算法，首先找到從白色像素到黑色像素的下降沿和從黑色像素到白色像素的上升沿，然后計算上升沿和下降沿的位置差，如果大于一定的標準值，即認為找到了黑線，并可求平均值算出黑線的中心點。于上升沿、下降沿的檢測，可以通過上上次采樣數(shù)與這次采樣數(shù)的差值的絕對值是否大于一個閾值來判斷，如果“是”且差值為負，則為上升沿；如果“是”且差值為正，則為下降沿。這里，閥值可以根據(jù)經(jīng)驗設定，基本上介于30～46之間（當A/ V時），也可以采用全局自適應法設定，每次采樣后首先都遍歷一次圖像，得到圖像灰度值的平均值，然后用這個平均值乘以一個調(diào)試系數(shù)即可得到所要的閾值。該算法較二值化方法而言，抗環(huán)境光強變化干擾的能力更強，同時還能削弱或消除垂直交叉黑色引導線的干擾。邊緣檢測算法由于黑色的目標引導線是連續(xù)曲線，所以相鄰兩行的左邊緣點比較靠近。跟蹤邊緣檢測正是利用了這一特性，對直接邊緣檢測進行了簡化。其思路是：若已尋找到某行的左邊緣，則下一次就在上一個左邊緣附近進行搜尋。這種方法的特點是始終跟蹤每行左邊緣的附近，去尋找下一列的左邊緣，所以稱為“跟蹤”邊緣檢測算法。 該算法的優(yōu)點：在首行邊緣檢測正確的前提下，該算法具有較強的抗干擾性，能更有效地消除垂直交叉黑色引導線的干擾，以及引導線外黑色圖像的影響，始終跟蹤目標引導線。另外，較之前兩種算法，跟蹤邊緣檢測算法的時間復雜度更低，因此效率更高。但該算法的問題在于：由于是在連續(xù)鄰域上跟蹤引導線邊緣，若第一行左邊緣位置的檢測位置和實際導引線偏差較大，就會產(chǎn)生一連串的錯誤，甚至造成智能車失穩(wěn)。 綜上所述，從算法的簡潔性和實用性綜合考慮，直接邊緣檢測算法相對于其他兩種算法是一個較好的選擇。 CMOS攝像頭的選取根據(jù)MC9S12DG128 Datesheet中的說明，DG128的AD最高采集頻率為2MHz，可以采集到的像素點有：64/（12 180。 1/2）= 10 （個）由計算可知，在最高采集頻率，8位AD的情況下，只能采集到300以上個像素中的10個，橫向上的分辨率十分低，不足以滿足識別路徑的要求。所以在選購CMOS攝像頭時，盡量選取像素較低的，同時考慮到功耗，最后選擇OV7620。 OV7620的介紹OV7620是美國OmniVision公司出品的彩色/黑白CMOS圖像傳感器。這是一種自帶圖像敏感陣列和A/D轉(zhuǎn)換元件、能直接提供8/16位CCIR60CCIR656等格式視頻數(shù)字信號的彩色／黑白圖像傳感器，圖像輸出最高速度可達60S/s，最大圖像分辨率為644492，5V供電；它具有自動增益、自動曝光、自動白平衡、邊緣增強、伽瑪校正等控制功能；可以通過IC總線進行設置；同時OV7620具有圖像開窗輸出的功能，即允許用戶可根據(jù)實際使用需要設置其內(nèi)部寄存器，使其只輸出完整圖像中的任意一矩形區(qū)域內(nèi)的信號，其范圍從42到644492。這種功能從硬件上屏蔽了圖像中不需要的部分，只保留用戶需要的部分圖像，大大減少了圖像的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的效率。 OV7620的輸出特性OV7620工作方式和輸出格式非常多，可以適應不同的應用場合，針對系統(tǒng)，采用了單通道Y輸出，以及逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實現(xiàn)是通過MCU 的I2C編程控制的。當OV7620 設置工作方式穩(wěn)定后，它就會輸出視頻數(shù)據(jù)，同時還有3個重要的參考信號輸出:幀同步信號SYNC，水平同步信號HREF，和像素時鐘信號PCLK。每一個幀同步信號SYNC 周期包含480 個水平同步信號HREF脈沖，而每一個HREF周期包含640個PCLK時鐘脈沖。每一個PCLK時鐘輸出一個像素的視頻數(shù)據(jù)(8位標準的Bayerpattern彩色RGB數(shù)據(jù)) 。圖38為OV7620的時序圖。圖38 OV7620 的時序圖 圖像存儲方式 根據(jù)640 480 的像素輸出特點， 將512KB 的RAM分成512行，每行1KB空間，由A0～A9共10條地址線選通行內(nèi)地址記為低位地址：ADDRL； 高位A18～A10共9條地址線選通各行記為高位地址：ADDRH。為保證OV7620 采集的數(shù)據(jù)同步寫入SRAM中，用CPLD宏單元設計了2個地址計數(shù)器:低位計數(shù)器ADDRL和高位記數(shù)器ADDRH。當圖像數(shù)據(jù)采集開始時( SYNC信號低有效) ，記數(shù)器由0開始記數(shù)，每來一個像素時鐘PCLK使低位計數(shù)器順序加1，完成1行像素的寫入，OV7620產(chǎn)生的行同步信號HREF使低位計數(shù)器清0，并使高位記數(shù)器順序加1，改變行地址直到完成480行寫入后產(chǎn)生幀同步信號，并使高位計數(shù)器清0，這樣完成1幀圖像數(shù)據(jù)的緩存，詳細的圖像采集信號時序如圖2。512KB的SRAM芯片實際上只用了640 480約300多KB 的存儲空間。芯片工作方式設定在PCLK信號的下降沿更新數(shù)據(jù)；在上升沿，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定時期，在PCLK信號的下降沿更新SRAM的地址信號ADDR；在PCLK信號上升沿使/WR信號有效， 然后寫數(shù)據(jù)到SRAM 中。 圖像采集系統(tǒng)本系統(tǒng)使用圖像傳感器與單片機之間的數(shù)據(jù)連接，使圖像傳感器自動地將圖像數(shù)據(jù)寫入MCU圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖39所示。 圖39 圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖. 1 電機的選擇電機驅(qū)動是小車重要的模塊之一。驅(qū)動電機采用直流伺服電機，我們在此選用的是RS380SH型號的伺服電機，這是因為直流伺服電機具有優(yōu)良的速度控制性能，它輸出較大的轉(zhuǎn)矩，直接拖動負載運行，同時它又受控制信號的直接控制進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在很多方面有優(yōu)越性，具體來說，它具有以下優(yōu)點:(1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩。(2)調(diào)速范圍寬，高精度，機械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且運行速度平穩(wěn)。(3)具有快速響應能力，可以適應復雜的速度變化。(4)電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響?？梢蚤L時間地處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會燒毀電機，一般電機不能長時間運行于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機長時間停轉(zhuǎn)時，穩(wěn)定溫升不超過允許值時輸出的最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱為連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，相應的電樞電流為連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。 電機的特性圖310 電機的特性數(shù)據(jù)圖311 電機的特性曲線 電機驅(qū)動模塊的選擇選用Freescale公司的MC33886全橋驅(qū)動芯片，通過兩路半橋?qū)崿F(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)。這里的電機反轉(zhuǎn)并不為實現(xiàn)倒車，而主要用于車體減速。在進行電機正反轉(zhuǎn)切換時，電機驅(qū)動電流會隨著負載增大而瞬間放大，因此需要增大穩(wěn)壓能力，保證系統(tǒng)正常工作電壓，避免單片機自動重啟。 MC33886原理MC33886 作為一個單片電路H橋，是理想的功率分流直流馬達和雙向推力電磁鐵控制器. 它的集成電路包含內(nèi)部邏輯控制,電荷泵,門控驅(qū)動,及低讀選通(on) 安培，輸出負載脈寬調(diào)制的頻率可達10千赫。 一個故障狀態(tài)輸出可以報告欠壓,短路,過熱的情況. 兩路獨立輸入控制兩個半橋的推拉輸出電路的輸出. 兩個無效輸入使H橋產(chǎn)生三態(tài)輸出(呈現(xiàn)高阻抗) . MC33886制定的參數(shù)范圍是40176。C≤TA≤125 176。C、≤V+≤40V。 集成電路也可以工作在40V通過降低規(guī)定的定額值。集成電路能夠在表面安裝帶散熱裝置的電源組件. 其特性為：工作電壓：540V, 導通電阻：120 毫歐姆輸入信號：TTL/CMOS ,PWM 頻率： 10KHz由于芯片內(nèi)集成了兩個半橋，為了增大驅(qū)動能力，所以把兩個橋并聯(lián)使用，并通過芯片資料上給芯片散熱的方法，安裝了適量的散熱片。由于四片所以不需要太多的散熱片。在錯誤報告端口即FS端口外還加了上拉電阻，當FS被拉低時表明芯片出現(xiàn)了短路保護、欠壓保護或過溫保護，則需及時給D1和D2置位，讓芯片輸出高阻態(tài)，防止芯片進一步過熱，以至于燒壞芯片。芯片封裝：圖312 MC33886 芯片外部引腳的封裝圖圖313 MC 33886簡化應用圖圖314 MC 33886工作原理圖 圖315 終端功能描述 MC33886的使用說明（1）PWM頻率限制： 10KHz圖316 MC33886的使用曲線(1)圖316 MC33886的使用曲線(2) （2）全部電容容量和不得超過2000微法；電容最高充電電壓不得超過25伏。（3）電機加速與減速限制，避免對于工作電源的影響；圖316 MC33886的使用曲線(3)驅(qū)動電路采用飛思卡爾公司的電機驅(qū)動芯片MC33886。原理圖如317所示。圖317 MC33886的原理圖這是一片MC33886的外圍電路，兩片33886并聯(lián)起來使用。單片機通過IN1,IN2給33886輸入一定占空比（ａ％）的PWM波，33886的OUT1和OUT2輸出一個大小為（ａ％*V+）的電壓，從而驅(qū)動電機。用兩片的原因：由于一片33886的額定輸出流為5A，而且此芯片比較發(fā)熱。且電機在額定電壓下（）堵轉(zhuǎn)時電流為16Ａ，這個電流遠遠大于33886所承受的電流，所以如果用一片來驅(qū)動當電機堵轉(zhuǎn)時間稍長時，芯片會由于電流過大而燒掉。當兩片33886時，雖然每一片所承受電流大小有限，但兩片所能承受的電流會很大，則如果達到電機電流極限也就是16Ａ時，理想狀態(tài)下每片平均分配8Ａ的電流。通過控制MC33886的四根輸入線可以方便地實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)、能耗制動及反接制動。當SS4導通且SS3截止時。電流正向流過直流電機，智能車前進；當SS3導通且SS4截止時，電流反向流過直流電機．利用這個過程可以使車處于反接制動狀態(tài)，從而迅速降低車速；當Ss4導通且SS2截止時，沒有電源加在直流電機上，直流電機電樞兩端相當于短接在一起。由于電機軸在外力作用下旋轉(zhuǎn)時,電機可以產(chǎn)生電能，此時可以把直流電動機看作一個帶了很重負載的發(fā)電機，此時電機上會產(chǎn)生一個阻礙輸出軸運動的力,這個力的大小與負荷的大小成正比。這時電機處于能耗制動狀態(tài)。驅(qū)動芯片MC33886內(nèi)部具有短路保護、欠壓保護、過溫保護等功能，由于頻繁加速減速，長時間工作時MC33886芯片發(fā)熱厲害，嚴重時甚至會出現(xiàn)過溫保護，產(chǎn)生中斷信號。所以將芯片的錯誤狀態(tài)FS中斷接入S12引腳PJ1，出現(xiàn)過溫保護時，關(guān)閉電機以免燒壞MC33886。 圖318驅(qū)動模塊電路圖由CPU 發(fā)出PWM 波通過33886 驅(qū)動芯片控制電機的電壓。PBPB7輸出控制信號， PWM0、PWM1 輸出PWM波，經(jīng)由ININDD2/口輸入。OUTOUT2輸出電機調(diào)速信號。通過預設的DUTYCYCLE對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)解。設計的電路