基于嵌入式系統的全自動控制小車設計與研究

孫小淋　周冬梅

摘要：全自動控制小車可應用于工業、生活、勘探以及航天探月等場合，具有非常實際的研究意義。介紹了智能小車測控系統的結構和軟硬件實現，系統實現了通過對攝像頭圖像復雜的處理，分析路面的情況，實現尋軌自動行駛；文章完成了一個基于嵌入式系統的全自動控制小車樣機，具有產品開發的實際應用價值。

關鍵詞：嵌入式 模擬攝像頭 道路識別 自動駕駛

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0110-01

近年來，隨著智能交通、人工智能以及控制技術的發展，智能車輛的研究在智能交通領域已成為熱門課題。文章設計的小車由飛思卡爾公司的Cortex-M4處理器MK60DN512ZVL為系統數據處理和系統控制核心，Sony CCD模擬攝像頭對道路實時圖像采集，歐姆龍對小車速速實時檢測。最后在賽道上對小車進行測驗并評估。

1 系統概述

基于嵌入式系統的全自動控制小車采用嵌入式微處理器構成小車的全自動控制系統，通過將攝像頭采集的數據進行算法分析（圖像處理）解析賽道的情況參數，將參數通過PID算法轉換為電機和舵機的轉動參數，進而控制小車的行駛方式[1]。系統方案設計框圖如圖1。

2 主模塊電路設計

2.1 嵌入式最小系統模塊電路

MK60DN512ZVL系列單片機具有豐富的外圍資源；最小系統有功耗低性能高和強大的處理能力的特點。

（1）K60最小系統電路用于信號處理和小車控制；

（2）JTAG接口用于調試和下載程序；

（3）ARM工作需要3.3V電壓同時接入磁珠，增強電路抗干擾能力。

2.2 無線傳輸模塊電路

無線傳輸采用藍牙設備，它具有高靈敏性接收、低成本、體積小巧、低功耗、傳輸穩定可靠的優點。此模塊電路是一個可插拔的獨立模塊，只需兩個數據接口與單片機相連就可通信。

2.3 電機驅動電路

NovalithIC家族有三個獨立的芯片，BTS7971是其中之一。一是具有高電位場效應晶體管的p型通道；二是具有低電位場效應晶體管的n型通道，它與驅動晶片作用，共同形成一個完全整合的高電流半橋；這三個芯片是安裝在一個共同的引線框。

2.4 圖像二值化電路

LM1881是經典視頻信號的同步分離芯片，為視頻信號的處理提供了極大的方便。視頻圖像經視頻分離芯片LM1881將視頻信號分為場中斷、行中斷、圖像信號后，圖像信號經LM393與參考信號比較，將灰階圖像轉換為黑白信號，可通過手動調節調節比較的閥值[2]。

2.5 光電編碼器模塊

光電編碼器安裝在主驅動齒輪上，是通過將旋轉的機械位移量轉換為電氣信號，然后再對該信號進行相應的處理得到位置速度，編碼器特點如下：

（1）根據軸的輸出位移的變化，再與聯合器和軸想作用可以檢測出旋轉位移量。

（2）開始時，原點不需要重置。在對型時，將旋轉角度億絕對數值的方式平行輸出。

（3）可以檢測旋轉方向。增量型通過A相和B相的輸出時間，絕對型通過增刪代碼來確定旋轉方向。

3 智能小車調試

3.1 舵機和電機控制

要讓小車安全行駛，采用了電機和舵機控制速度。電機的控制，使用的是增量式PID，它由微積分和比例量組成。系統對各路信號采樣，由此得到輸出量化值；通過調整PID參數以適應各種情形的需要，使系統的響應性達到最高，以保證最佳的控制性能。

舵機的控制采用的是位置式PID算法。對于舵機控制量的提取，首先需要圖像處理計算出來的中心的數據。將圖像的每行的中線數據與動態參考值相減，將值累加后，帶入到PID算法中計算，將計算出來的結果裝換為控制舵機的PWM波的占空比從而控制舵機的轉舵大小。

PID控制主要是調整參數。智能車參數系統是高耦合分布的，而且賽道具體環境也具有影響力，那么就很難對智能車運動控制做到精確的控制；由于要經常的不斷修正車身的機械結構，模型參數也要不斷地變化，在這里采用的是工程整定方法。

3.2 道路形狀識別算法調試

（1）直道的識別：采樣是根據等間隔采樣。從直線的特性可以看出，不論橫縱坐標，直線的中心點都應該等于起點和終點的一半。即使掃描到的圖像出現誤差，計算出的彎曲程度也會是一個很小的數。

（2）大彎的識別：我們可以通過計算道路彎曲程度得出道路的彎曲的方向。如果挨著車的道路是直線，而遠離車的道路沿著一個方向彎曲，且彎曲程度非常小小，就可以判斷為大彎。

（3）急彎的識別：計算出道路中每段的彎曲程度，如果靠近車的道路的彎曲程度都非常小，在遠離車的道路的彎曲程度都非常大，而且他們的彎曲方向都是一樣的，那么就可以判斷為急彎。

（4）大S彎識別：這種路形大部分路段的彎曲程度都非常大，但在兩彎相交處也會出現彎曲程度比較小的情況，而且它有一個很明顯的特點就是彎曲程度正負都包含很大的數。

（5）小S彎識別：小S型彎與大S型非常類似，唯一不同的之處就是小S型道彎曲程度的絕對值都是一些適中的數。

4 結語

文章把電路劃分為幾個模塊進行設計，主要對嵌入式最小系統模塊電路、系統電源電路、無線傳輸模塊電路、電機驅動電路、圖像二值化電路電路、光電編碼器模塊電路等電路進行實物的設計。

參考文獻

[1]臧春華，邵杰，魏小龍.綜合電子系統設計與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2009.

[2]李鵬博.基于視頻的自動巡航智能小車的設計與實現[J].河北工程大學學報（自然科學版），2012.