【正文】 畢業(yè)屆別 專業(yè) 電子信息工程 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目 基于 STM32 的智能小車攝像頭循跡系統(tǒng) 指導(dǎo)教師 學(xué)歷 本科 職稱 教授 所學(xué)專業(yè) 無線電技術(shù) 具體要求 (主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等 )： 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)抗干擾能力強(qiáng)的智能小車循跡系統(tǒng)。 基本要求：通過對本課程的設(shè)計(jì)， 能夠利用 OV7670 實(shí)現(xiàn)黑白線信息采集；并且能夠達(dá)到一定的抗干擾效果；能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集外界環(huán)境信息的效果。 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 院（系）意見： 教學(xué)院長（主任）（簽字）： 年 月 日 備注： 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 [摘要 ]現(xiàn)在人們越來越喜歡安全、節(jié)能、環(huán)保、智能化和信息化的汽車了，在智能汽車新時(shí)代，無人駕駛技術(shù)，得到了飛越的發(fā)展，成為了智能車時(shí)代的新標(biāo)志。本文主要討論了智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且對智能車自主行駛的決策以及控制，算法也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。由于智能車有一個(gè)比較復(fù)雜跑道，傳統(tǒng)的控制算法在復(fù)雜跑道情況下已經(jīng)無法解決智能車的控制參數(shù)的問題。 在該系統(tǒng)中，由 CMOS 攝像頭來實(shí)現(xiàn)路徑識(shí)別，通過對小車的閉環(huán)控制，使小車能按照給定的黑色引導(dǎo)線平穩(wěn)地循跡。 實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的智能車具有速度快，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 現(xiàn)在，國際上很多的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始關(guān)注智能交通系統(tǒng) (ITS)方面的研究工作了，并且也取得了很大的成果，已經(jīng)研發(fā)出了一些智能化的原型車輛，并且進(jìn)行了相應(yīng)的測試。從近來幾年的發(fā)展來看，汽車電子的迅猛發(fā)展必將逐步滿足人們對節(jié)能、安全、環(huán)保以及信息化和智能化的需求。 此外，智能汽車在高速公路，山地，野外，現(xiàn)代物流業(yè)，現(xiàn)在制造系統(tǒng)及柔性制造系統(tǒng)中都有廣泛運(yùn)用，該研究已成為人工智能領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的熱點(diǎn)之一。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 1 智能車系統(tǒng)總體介紹 整體設(shè)計(jì)概述 本論文所設(shè)計(jì)的智能車，能夠?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)閉環(huán)的跑道上完成自主循線運(yùn)行的功能，跑道表面通過白紙來覆蓋，其中心有 30mm 寬度左右的連續(xù)黑線，作為小車運(yùn)行的引導(dǎo)線。圖 為系統(tǒng)模型框圖。另外，在軟件設(shè)計(jì)中，本課題采用實(shí)時(shí)采集路況信息方法和實(shí)時(shí)控制智 能小車的速度，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，使小車可以自主的按照路面信息快速行駛。 [2] 為了實(shí)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： 一般的智能車要必備如下功能模塊才能達(dá)到對智能小車控制的目的和效果，使小車穩(wěn)定的行駛。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 要達(dá)到一定的實(shí)時(shí)性，首先控制器的處理速度要快，只有控制器的處理速度達(dá)到一定的速度了，才能相應(yīng)的使小車的行駛速度快，實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 另外，要實(shí)現(xiàn)對該智能小車的控制達(dá)到閉環(huán)控制的效果，要有對該智能小車的速度有一定的控制，這就需要測速模塊來提供一個(gè)速度反饋回來的信息給處理器 STM32。 為了調(diào)試的方便還要有人機(jī)交互模塊 。 直流電機(jī)的分類：按結(jié)果主要分為直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī) 按類型主要分為直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)，勵(lì)磁方式的直流電機(jī)是指對勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢而建立主磁場的問題。是 一種電樞導(dǎo)電部分始終工作于單一極性磁場中的直流電機(jī)。 圖 [單極直流電機(jī)原理示意 ]示一臺(tái)圓筒形電樞單極直流電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)圓筒形銅質(zhì)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，樞軸向兩端即感生電動(dòng)勢，其方向是固定不變的。單極直流電機(jī)電壓低，電流大。因此電刷的接觸損耗和發(fā)熱相當(dāng)大，磨損也快。 要提高單極直流電機(jī)電壓，就必須提高氣隙磁通密度和轉(zhuǎn)速。如采用超導(dǎo)技術(shù)則可使單機(jī)功率比普通電機(jī)提高十幾倍以上 。因此也必須采用非線性的處理方法和自動(dòng)調(diào)整曝光時(shí)間與自動(dòng)增益等處理方法。 （ 2）輸出特性 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 CMOS 圖像傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)在于輸出特性，它可以部分輸出任意區(qū)域范圍內(nèi)的圖像。也是 CCD 傳感器所無法辦到的。 （ 4）光敏單元的不均勻性 光敏單元的不均勻性是 CMOS 圖像傳感器的弱項(xiàng)，因?yàn)樗墓饷魡卧幌?CCD 那樣嚴(yán)格的在同一硅片 上用同樣的制造工藝嚴(yán)格制造，因此遠(yuǎn)不如 CCD 的光敏單元的一致性好，但是它內(nèi)部集成單元多，處理能力強(qiáng)能夠彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。該模塊具有體積小、工作電壓低等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能；通過 SCCB 控制總線控制，可以實(shí)現(xiàn)輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率的 8 位影像數(shù)據(jù)；同時(shí)最高的數(shù)據(jù)幀可達(dá) 30FPs,這樣用戶可以完全控制圖 像的質(zhì)量，數(shù)據(jù)的格式和傳輸?shù)姆绞?，所有的圖像處理功能伽馬曲線，白平衡，飽和度，色度等，都可以通過對 I2C 總線的控制以 SCCB 方式進(jìn)行配置，另外感光陣列是 640x480 的，可以很好的輸出（ 4:2:2）的格式數(shù)據(jù)。 OV7670 的功能 1. 高靈敏度特性適合低照度的應(yīng)用場合。 3. 該芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的 SCCB 接口，并且兼容 IC 接口。 5. VarioPixel 子采樣方式。像素時(shí)鐘與主時(shí)鐘同頻，在一幀圖像開始輸出時(shí)幀有效信號由低 電平變?yōu)楦唠娖?，一幀輸出結(jié)束時(shí)由煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 高電平變?yōu)榈碗娖剑欢杏行盘杽t在一行數(shù)據(jù)輸出有效時(shí)由低電平變?yōu)楦唠娖?，一行?shù)據(jù)輸出完成后由高電平變?yōu)榈碗娖?。圖 中， P 為幀消隱區(qū)， A 為有效數(shù)據(jù)區(qū)， Q 為行消隱區(qū)。 圖 像素?cái)?shù)據(jù)輸出時(shí)序圖 圖 幀與行有效信號時(shí)序圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 2 方案論證 控制模塊的介紹 方案一，采用 ATMEL 公司的 AT89C51。 方案二，采用 STM32 系列單片機(jī)。 它具有 一個(gè) 32 位的核 ，處理速度明顯優(yōu)于 MSP430。 三個(gè)方案都能滿足題目要求。完成題目基本上不會(huì)使用到 430 單片機(jī)的五種低功耗模式。 綜上所述，綜合考慮時(shí)間、性價(jià)比和低功耗等因素，我們選擇方案二。小車體積大，可承載模塊多；摩擦力大，可走崎嶇不平的路徑；運(yùn)動(dòng)可快可慢，快時(shí)用于行進(jìn)，慢時(shí)用于位置精密調(diào)節(jié)。 方案二，使用四輪矩形車體。適于平整地面快速運(yùn)行。左右兩個(gè)單向輪，前后兩個(gè) 萬向輪。 經(jīng)研究，決定選用方案三，并在萬向輪上加入減震設(shè)備，使小車運(yùn)行過程平穩(wěn)。車輪表面貼有碼盤，可用紅外實(shí)時(shí)感測車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并輸入單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。直流電機(jī)機(jī)械特性的線性度好，速度快，反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，成本低，另外，直流電機(jī)帶負(fù)載能力強(qiáng)，調(diào)速平滑， PWM 調(diào)整范圍廣。 方案二，使用步進(jìn)電機(jī)。缺點(diǎn)：體積大，力矩小，速度慢，且力矩在高轉(zhuǎn)速時(shí)急劇下降。利用 PWM脈沖驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，可以提高直流電機(jī)的精確度，又不會(huì)影響其速度的優(yōu)勢。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 路徑識(shí)別的方案設(shè)計(jì)與論證 方案一：基于光 電傳感器陣列的智能控制 光電傳感器的排列方法、個(gè)數(shù)、彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)。 由于光電傳感器電路板的大小有限，其延伸的距離太短，因此大多制作者通過調(diào)整了光電傳感器與地面信息的的方向，從而使光電傳感器可以獲得更遠(yuǎn)地方的路面的跑道情況。具體在實(shí)際中將采用哪種方案更合適，這個(gè)與光電傳感器掃描前方的距離和寬度以及所控制的策略是十分相關(guān)的。 圖 8 路 紅外發(fā)射管方案 圖 3 路 攝像頭方案 在光電循跡方案中，為了得到質(zhì)量較高的接收信號，一般還附加一些電阻電容組成的RC高通濾波器。有的模型車設(shè)計(jì)的傳感器離地面距離較遠(yuǎn)，為了能夠接 收到更多的從發(fā)光傳感器發(fā)射過來的光線，也有使用凸透鏡的情況。但是它易受環(huán)境光線的干擾，而且存在著檢測距離近的的問題，硬件電路復(fù)雜。 方案二：基于面陣 CCD 傳感器的控制 基于面陣 CCD 傳感器的路徑檢測方法具有探測距離遠(yuǎn)（后文將這種前方探測距離稱煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 為“前瞻“）的優(yōu)勢，能夠盡可能早地感知前方路徑的信息并進(jìn) 行預(yù)判斷，實(shí)現(xiàn)提前減速過彎。同時(shí)還可以結(jié)合利用單片機(jī)內(nèi)部的 A/D,在小車的前方虛擬出 24 個(gè)光電傳感器，采用單一傳感器，硬件結(jié)構(gòu)簡單且高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，從而增加了小車的最高速度。但是，在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)這樣面陣攝像頭在市場上很少，不易購買。利用單片機(jī)內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器，并配合從視頻信號分離出的同步信息，該單片機(jī)可以直接將圖像信號采集到內(nèi)部的 RAM 中，然后通過軟件對圖像信息進(jìn)行處理。這樣可以有效地對車模進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，提高車模路徑跟蹤速度和運(yùn)行速度。圖 為 CMOS 攝像頭小車。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 3 智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)是利用了市面上很流行的處理器 STM32 作為本系統(tǒng)的主要控制模塊，我們采用了 CMOS 攝像頭作為識(shí)別路面信息的傳感器，通過控制器 STM32 對攝像頭采集過來的信息進(jìn)行分析和判別，才實(shí)現(xiàn)對智能小車直流電機(jī)的控制從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的目的。如圖 ，并在此基礎(chǔ)上選擇了最佳的硬件電路和器件，后面將分成各個(gè)模塊加以介紹。 [4] 電源管理M C U電 池舵機(jī)電 機(jī)C M O S傳 感器轉(zhuǎn) 速 測 量+ 5 V+ 3 . 3 V+ 3 . 3 V驅(qū) 動(dòng) 芯 片+ 5 V+ 5 V 圖 系統(tǒng)硬件整體框圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 STM32 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方案總結(jié) 1 電機(jī)模塊：直流電機(jī) 2 控制模塊： Cortexm3 3 車體選擇：四輪圓形車身 4 攝像頭模塊： OV7670 模塊 方案框圖 圖 為方案框圖。然而本電路將 M3 控制器與 L298 驅(qū)動(dòng)結(jié)合，產(chǎn)生 PWM 脈沖，用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，在不影響直流電機(jī)速度快、帶負(fù)載能力強(qiáng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較精確調(diào)節(jié)，可達(dá)到很好的效果。其電路原理圖如 圖。該芯片采用 15 腳封裝。內(nèi)涵兩個(gè) H 的高電壓大電煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 流全橋式驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制：具有兩 個(gè)智能控制端，在輸入信號合理的情況下允許或者禁止期間工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分工作在低電壓下模式下；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路，使用 L298 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或者四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 [6] 78109561211341413121615U1TLP5214Vss9Vs4OUT12OUT23OUT313OUT414IS EN A1IS EN B15IN15IN27IN310IN412EN A6EN B11GND8U2L2989VENAENBGNDD1 D2 D3 D4D5 D6 D7 D810ufC3104C4GND10ufC1104C21234OUT10KR510KR610KR710KR81KR1Res11KR2Res11KR3Res11KR4Res1VCCVCCGND129vVCCENAENB12345678910P1GNDVCCIN1IN2IN3IN4IN1IN2IN3IN4CON1CON2CON3CON4CON1CON2CON3CON4 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電源分配電路設(shè)計(jì) 電源分配電路中，所用的電池是蓄電池，電池要通過一些電壓的轉(zhuǎn)化電路來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用，由于 STM32 的最小系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí) 的直流電壓，攝像頭的驅(qū)動(dòng)是 到 5V 的直流電壓，需要將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換過去，這部分，該系統(tǒng)利用了 的轉(zhuǎn)換芯片，能夠得到穩(wěn)定性和波紋都很好的 3,3V 直流電壓，可直接利用該直流電壓給單片機(jī)和 CMOS 攝像頭傳感器供電。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 圖 電源模塊 H 橋電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 本系統(tǒng)的直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用 H 型 PWM 電路，用 STM32 處理器來控制驅(qū)動(dòng)電路，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的精確調(diào)整。 圖 為 L298 H 橋內(nèi)部電路 。 在對驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)控制之前，需要利用道路檢測信息來制定各種路況下的控制策略，道路路況不外乎 4 種，如圖 所示為跑道的 4 種情況。對于十字交叉道路，可以按是直道處理，避免橫線的干擾。 PID