基于視覺(jué)的智能尋跡車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

畢巍巍　張雪峰　柴　銳

摘 要：智能汽車在智能運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色,智能尋跡車是利用視覺(jué)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)方向的機(jī)電的智能裝置,針對(duì)在有導(dǎo)航線的環(huán)境下自主尋跡問(wèn)題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于AVR單片機(jī)的智能尋跡車模。基于視覺(jué)的智能尋跡車模能夠在線型復(fù)雜,轉(zhuǎn)彎半徑不確定性大的情況下,利用視覺(jué)自主尋跡前進(jìn),分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。

關(guān)鍵詞：智能車;尋跡;AVR單片機(jī);光電傳感器

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-190-02

Design and Realization of Intelligent Tracing Vehicle Based on the Vision

BI Weiwei1,ZHANG Xuefeng2,CHAI Rui2

(1.Shandong Transport Vocational College,Weifang,261206,China;

2.Automobile Institute,Chang′an University,Xi′an,710064,China)

Abstract：Intelligent vehicles play an important role in future intelligent transport systems,intelligent tracing vehicles are electromechanical devices based on the vision.In the view of independent tracing problems based on a navigation line in the future intelligent transport systems,intelligent vehicle based on AVR microcontroller is designed.Intelligent tracing vehicles can move automaticly and accurately in the condition of uncertainty of turning radius based on vision.

Keywords：intelligent vehicle;tracing;AVR SCM;photoelectric sensor

0 引 言

智能運(yùn)輸系統(tǒng)是未來(lái)交通運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì),智能汽車在智能運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。作者提出智能尋跡車作為構(gòu)建未來(lái)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)中重要部分,針對(duì)未來(lái)交通運(yùn)輸系統(tǒng)有導(dǎo)航線的環(huán)境命題假設(shè)下智能汽車的自主尋跡問(wèn)題［1］,提出一種基于視覺(jué)的智能尋跡車模設(shè)計(jì)方案,作為該假設(shè)問(wèn)題的解決方案。

基于視覺(jué)的智能尋跡車模設(shè)計(jì)方案能夠在線型復(fù)雜,轉(zhuǎn)彎半徑不確定性大的情況下,利用視覺(jué)自主尋跡前進(jìn),分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于視覺(jué)的智能尋跡車模系統(tǒng)以AVR單片機(jī)MEGA16為核心,由單片機(jī)模塊、路徑識(shí)別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

直流電動(dòng)機(jī)為車輛的驅(qū)動(dòng)裝置,轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)用于控制車輛行駛方向。智能尋跡車模利用視覺(jué)在跑道上自主尋跡前進(jìn),分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。道路為318 mm寬白色底板,其中間粘貼18 mm寬且線型不斷變化的黑膠帶。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

尋跡車模采用AVR內(nèi)核的ATMEGA16。該芯片能夠不需要外圍晶振和復(fù)位電路而獨(dú)立工作,非常適合智能尋跡車模的要求［2,3］。控制器模塊安裝在廣東奧迪玩具實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的雷速登1∶24比賽級(jí)遙控車模上。

2.2 路徑識(shí)別模塊

采用反射式光電傳感器來(lái)區(qū)分跑道上的黑色與白色,反射式光電傳感器有光線發(fā)射端和光線接收端,白底與黑線對(duì)發(fā)射端發(fā)出光線的反射度不同,從而影響接收端產(chǎn)生的電壓［4］。用反射式光電傳感器、可調(diào)電阻和運(yùn)算放大器LM

2.3 轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)智能尋跡車的前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)和后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī),實(shí)現(xiàn)智能尋跡車左右轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、加速、減速等功能。轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)控制方案為分級(jí)轉(zhuǎn)向控制,后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方案亦為開(kāi)環(huán)控制。

圖2 傳感器模塊原理

圖3 轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)及分級(jí)轉(zhuǎn)向電路

2.4 分級(jí)轉(zhuǎn)向模塊

為了實(shí)現(xiàn)在不同的轉(zhuǎn)彎半徑處實(shí)現(xiàn)不同角度的精確轉(zhuǎn)向,設(shè)計(jì)了分級(jí)轉(zhuǎn)向電路,如圖3所示。車模舵機(jī)中可變電阻阻值為1.8~4.2 kΩ,1接單片機(jī)A/D管腳。電壓V為片內(nèi)穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓,且可以看出：

V3+4.2≤V1≤V3+1.8

以1號(hào)傳感器為例,說(shuō)明分級(jí)轉(zhuǎn)向角度計(jì)算。

傳感器模塊安裝如圖4所示,所有尺寸經(jīng)過(guò)前期設(shè)計(jì)計(jì)算,D點(diǎn)為前輪舵機(jī)可調(diào)電阻轉(zhuǎn)向中心,A點(diǎn)為小車轉(zhuǎn)向中心。當(dāng)1號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí),前輪轉(zhuǎn)向角度以及與前輪轉(zhuǎn)向角度對(duì)應(yīng)的前輪舵機(jī)中可變電阻轉(zhuǎn)向角度計(jì)算為：

α1=arctanBC1BD

β1=arctanBC1AB

圖4 分級(jí)轉(zhuǎn)向角度計(jì)算示意圖

V3值線性正比于前輪舵機(jī)中可變電阻角度α1,因此,不同的傳感器探測(cè)位置,可以計(jì)算得出不同的理想前輪轉(zhuǎn)向角度,不同的理想轉(zhuǎn)向A/D電壓,通過(guò)單片機(jī)測(cè)量V3,即可換算前輪舵機(jī)中可變電阻轉(zhuǎn)向角度α1,并與理想轉(zhuǎn)向A/D電壓比較,當(dāng)V3達(dá)到理想轉(zhuǎn)向A/D電壓,單片機(jī)控制給舵機(jī)低電平,舵機(jī)停轉(zhuǎn),保持轉(zhuǎn)向,從而實(shí)現(xiàn)精確分級(jí)轉(zhuǎn)向。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言在ICC-AVR開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編程調(diào)試［5,6］。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 分級(jí)模塊程序設(shè)計(jì)

ATMEGA16能對(duì)來(lái)自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣［7］。當(dāng)片中ADC多功能寄存器ADMUX的REFS1和REFS0設(shè)置為1時(shí),V AREF=2.56 V,為片內(nèi)穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源,即圖3中電壓V。智能尋跡車轉(zhuǎn)向極限為±30°,表1為5個(gè)光電傳感器分級(jí)精確轉(zhuǎn)向相應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 分級(jí)精確轉(zhuǎn)向計(jì)算數(shù)據(jù)(i=1,2,3,4,5)

傳感器編號(hào) BABDBCiβiαiVA/D電壓值

4 結(jié) 語(yǔ)

基于視覺(jué)的智能尋跡車模設(shè)計(jì)方案能夠在線型復(fù)雜,轉(zhuǎn)彎半徑不確定性大的情況下,利用視覺(jué)自主尋跡前進(jìn),分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。對(duì)于環(huán)境光線的影響,可考慮增加濾波電路、優(yōu)化控制算法增加其抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)證明,該方案有良好的尋跡效果。

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作者簡(jiǎn)介畢巍巍 男,1980年出生,山東榮成人,助教。主要研究領(lǐng)域?yàn)槠囘\(yùn)用工程。

張雪峰 男,1985年出生,河南宜陽(yáng)人,碩士研究生。主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電一體化。