基于線性C C D的智能循跡小車設(shè)計(jì)

雷永鋒 劉 勇 黃喜恒

（成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614007）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和高等教育的發(fā)展，培養(yǎng)應(yīng)用型人才成為高校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)。讓在校大學(xué)生參與更多的實(shí)踐活動(dòng)不但能夠增加動(dòng)手和思考的能力，而且對(duì)于適應(yīng)畢業(yè)后的工作有很大的益處。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽就為在校學(xué)生提供了一個(gè)展示自己的平臺(tái)，也促進(jìn)了專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐能力的結(jié)合。本論文設(shè)計(jì)的基于線性CCD的智能巡線小車控制系統(tǒng)就是利用學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金針對(duì)競(jìng)賽而開展的一項(xiàng)創(chuàng)新項(xiàng)目。由于線性CCD的優(yōu)良特性，使得在小車控制方面得到較好的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)小車平穩(wěn)、快速的行走。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本智能循跡小車由電源模塊、單片機(jī)模塊、舵機(jī)模塊、線性CCD圖像采集模塊、顯示和按鍵、無(wú)線通訊模塊等模塊組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能循跡小車硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用線性CCD作為傳感器，采集來(lái)自前方賽道的信息，并將此信息處理后傳送至單片機(jī)，通過(guò)軟件處理，由舵機(jī)調(diào)整角度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)車輪行走。單片機(jī)通過(guò)串口通訊模塊實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)之間的通訊，由按鍵實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)整，并可通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)。下面對(duì)系統(tǒng)主要硬件模塊進(jìn)行闡述。

2.1 單片機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)采用Freescal半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)MC9S12XS128作為控制器。MC9S12XS128是一款針對(duì)汽車電子市場(chǎng)的高性能16位單片機(jī)，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗低等特點(diǎn)。MC9S12XS128總線速度 40MHz，擁有 128KB程序 Flash和 8KB DataFlash，用于實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，均帶有錯(cuò)誤校正碼（ECC），可配置8位、10位或12位ADC，3μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，內(nèi)嵌MSCAN模塊用于CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。內(nèi)嵌支持LIN協(xié)議的增強(qiáng)型SCI模塊及SPI模塊，4通道16位計(jì)數(shù)器，出色的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能的I/O，實(shí)現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能；擁有8通道PWM，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。作為專業(yè)的汽車電子控制芯片，能夠更加適應(yīng)智能控制。

2.2 線性CCD圖像信息采集處理模塊

本系統(tǒng)采用的線性CCD圖像采集傳感器TSL1401-DK是岱默科技公司生產(chǎn)的一款具有128個(gè)有效像素點(diǎn)的線性CCD，尺寸為26mm×26mm，重量輕，可以直接任意系列MCU相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。TSL1401-DK有2個(gè)電源口，3個(gè)數(shù)據(jù)口；數(shù)據(jù)口直接與MCU的I/O口相接。

賽道為450mm寬的白色KT板，兩邊有各寬15mm的邊界，賽道外為藍(lán)色的底版。環(huán)境光源的變化對(duì)CCD數(shù)據(jù)的采集有十分大的影響，所以需要使用軟件技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，使其明確路況信息，不至于出現(xiàn)判斷紊亂而小車失控的現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)的小車CCD的數(shù)據(jù)采集距離前瞻為70cm，通過(guò)排列成一條線的128個(gè)有效像素點(diǎn)的數(shù)值信息判別前方道路的信息。單個(gè)像素點(diǎn)數(shù)值的變化范圍為0-255。根據(jù)實(shí)際外界光照情況，實(shí)際采集白色的底板時(shí)數(shù)值為110左右，黑色邊界的數(shù)值為40左右。通過(guò)閾值處理，區(qū)分賽道和邊界。由于小車在前進(jìn)的過(guò)程中，光線強(qiáng)度在隨時(shí)變化，采集數(shù)據(jù)也在變化，就需要對(duì)白色和黑色對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行特殊處理，這樣就增強(qiáng)了小車對(duì)賽道的適應(yīng)性。

2.3 舵機(jī)模塊

舵機(jī)主要用來(lái)控制單片機(jī)的PWM模塊，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的寬度和周期來(lái)控制舵機(jī)和電機(jī)的工作。通過(guò)輸入占空比一定的脈沖，內(nèi)部電機(jī)將轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，所以要讓舵機(jī)轉(zhuǎn)到某一個(gè)位置，只需要改變脈沖的占空比就可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)在一定角度內(nèi)的任意轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速控制模塊

智能小車采用RS-540SH直流電機(jī)，由于單片機(jī)輸出電流不夠，驅(qū)動(dòng)能力不足，電機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)也會(huì)損壞單片機(jī)，所以必須添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。本設(shè)計(jì)采用大功率MOS管IRF4905和IRF3205搭成H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用定頻調(diào)寬法，PWM波形頻率固定，占空比跟隨速度變化調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能小車的優(yōu)點(diǎn)在于能夠根據(jù)路況的改變和自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等功能，這就對(duì)軟件程序的設(shè)計(jì)要求很高。本設(shè)計(jì)采用CodeWarrior編程軟件進(jìn)行程序編寫，并通過(guò)串口總線下載到單片機(jī)中，進(jìn)行參數(shù)修改與調(diào)試。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 CCD圖像處理程序

void GetPixel01()

{

unsigned char ii;

Init_Black=0;

L1=L2=Z0=R1=R2=0;

AverageValueold=Pixelaverage(Pixel);

for(ii=0;ii＜128;ii++)

{

if(Pixel[ii]＞AverageValueold)

{

Pixel01[ii]=1;

}else

Pixel01[ii]=0;

}

L1=Pixel[9]+Pixel[10]+Pixel[11]+Pixel[12]+Pixel[13];

L1=L1/5;

L2=Pixel[39]+Pixel[40]+Pixel[41]+Pixel[42]+Pixel[38];

L2=L2/5;

Z0=Pixel[62]+Pixel[61]+Pixel[63]+Pixel[60]+Pixel[64];

Z0=Z0/5;

R1=Pixel[92]+Pixel[91]+Pixel[93]+Pixel[90]+Pixel[94];

R1=R1/5;

R2=Pixel[115]+Pixel[116]+Pixel[117]+Pixel[118]+Pixel[119];

R2=R2/5;

3.2 舵機(jī)和速度控制程序

void SpeedCtrol(void)

{

int SKP,KI,KD;

static int ek1=0,ek2=0;

angle_erro=8970-angle_Old;

angle_erro=abs(angle_erro);

ExpectSpeed=MAX_speed-angle_erro;

//if(ExpectSpeed＜250)

//ExpectSpeed=250;

ek0=ExpectSpeed-puls_num;

ek1=ek0;

ek2=ek1;

if(ek0＞50) //加速，啟動(dòng)

{

SKP=20000;

KI=0;

KD=0;

}

else if(ek0＞=0) //加速 PID 參數(shù)

{

SKP=1000;

KI=120;

KD=250;

}

else //減速PID參數(shù)

{

SKP=800;

KI=100;

KD=200;

}

car_speed=25000+SKP*ek0+KI*(ek0-ek1)+KD*(ek0-2*ek1+ek2);

if(car_speed＞25000)

car_speed=25000;

if(car_speed＜0)

car_speed=0;

(void)PWM9_SetRatio16(car_speed);

}

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了CCD傳感器信號(hào)采集處理模塊設(shè)計(jì)、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)、控制算法的編制及執(zhí)行和調(diào)試、舵機(jī)控制設(shè)計(jì)與安裝。通過(guò)系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建和軟件設(shè)計(jì)，并反復(fù)調(diào)試，該智能循跡小車基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)快速直行，最高速度可達(dá)4m/s，能夠比較平穩(wěn)地度過(guò)大S彎、小S彎、連續(xù)S彎、Ω彎道、十字、坡道等復(fù)雜路況，平均速度可以達(dá)到3.5m/s。智能小車的設(shè)計(jì)與開發(fā)，對(duì)于推動(dòng)汽車工業(yè)的發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］趙萬(wàn)欣,陳思屹.基于TSL1401線性CCD的智能巡線小車[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,27(2)：121-122.

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［3］魯小雨.基于MC9S12XS128單片機(jī)的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào),2011,30(3)：164-247,273.

［4］蔡述庭.“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

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