光電智能車硬件系統的設計研究

三江學院電子信息工程學院 孫肖林 花懷海 徐昊洋 李 達 周詩杰

引言

我國是機動車大國并非強國。據有關部門統計，截止2017年底，我國機動車保有量為3.10億輛，每年消耗的汽油為6000萬噸，大量的燃油消耗不僅加速化石燃料的枯竭，尾氣的排放也造成相當嚴重的環境污染。然而我國新能源機動車保有160萬輛，僅僅占0.7%，傳統機動車轉型升級的道路還很漫長。在面對即將到來的突發事故，僅依靠機動車駕駛員個人快速反應，逐漸不能滿足人們對于安全出行的要求。如果機動車本身能夠及時作出反應，就更能有效規避突發狀況。因此機動車智能化問題開始引起人們的重視。控制系統開發相當于延伸了駕駛員的感知，擴展了駕駛員的執行控制功能，增加了道路交通安全。本文主要以“恩智浦”杯智能車汽車競賽為背景，采用MK60單片機，綜合電路資源，編寫適當的程序，完成攝像頭識別賽道元素，舵機轉向以及電機轉速的閉環控制，實現一款符合運行要求的光電智能車。

1.光電智能車設計要求

1.1 車模

本設計使用“恩智浦”杯智能汽車競賽光電組C型車模。該車模采用后輪雙電機驅動，電機型號RN-260，前輪由FUTABA3010舵機控制轉向。

1.2 傳感器

本設計使用面陣光電傳感器進行賽道和環境檢測。

1.3 賽道要求

比賽是在PVC賽道上進行，賽道采用黑色邊線引導，賽道中存在的元素有直到、彎道、十字交叉路口、障礙、坡道、環形賽道。

1.4 比賽規則

選手制作的車模繞跑道行一周。比賽時間從車模沖過起跑線開始計時，到重新回到起跑線為止。如果車模沒有停在起跑線后三米的停車區內，比賽時間加罰一秒鐘。

車模在比賽時，需要安裝一個計時磁標。車模制作時需要考慮安裝位置。車模制作完成后，長度（包括傳感器）不超過40cm，寬度不超過25cm，高度不超過40cm。

2.光電智能車系統硬件設計

2.1 核心模塊

本系統選用了MK60單片機。這款32位的單片機由飛思卡爾半導體公司制造，搭載ARM Cortex M4內核，功能強勁，價格適中，在智能汽車競賽中相當流行，且能在山外的淘寶店中直接購買。功能如下：

1、具有16位的ADC/DAC。

2、FTM。靈活的定時器（產生PWM，定時中斷，或者脈沖捕捉及正交解碼

3、TSI。觸摸感應按鍵

4、通訊接口模塊：UART，SPI，I2C，UART，CAN，SD。

5、PIT。周期性定時器，最簡單的定時器，用于產生周期性中斷。

6、RTC實時時鐘。

7、DMA。最好用的DMA構件，支持所有通訊外設。

8、SD。SDIO構件，目前只支持SD卡。

9、WDOG看門狗。

10、GPIO。

11、LPTM。可產生定時中斷，在智能車的制作過程中常用作對編碼器的計數。

12、FLASH。內部FLASH操作函數。

13、SYS。（倍頻NVIC配置）。

14、DELAY。（使用M4內核SYSTick做成的精準延時模塊）。

2.2 電源模塊

本系統各模塊需要的電源包括7.2V，6V，5V，3.3V等，而比賽方只允許搭載7.2V電池，因此需要使用穩壓芯片將7.2V轉為合適的電壓。

5V穩壓模塊，使用TPS7350穩壓芯片。

3.3V穩壓模塊，使用AMS1117-3.3V穩壓芯片。

6V穩壓模塊，使用LM1084ADJ穩壓芯片。

2.3 傳感器模塊

2.3.1 攝像頭

智能車對圖像的分辨率要求并不高，但是對動態特性要求非常高，特別是小車在高速行駛入彎或者出彎的時候，圖像變化較大，這就對攝像頭的自動增益有較高的要求。一般來說，在攝像頭圖像發生突變時，感光芯片本身會有一段適應時間，這段時間要求越小越好，同時不需要彩色圖像，OV7725能很好地滿足要求。

2.3.2 編碼器

電機的閉環控制需要實時檢測車輪轉速，通過增量式PID算法結合實時轉速計算出目標轉速。采用歐姆龍500編碼器對電機進行測速，該編碼器的分辨率為500P/R，滿足對智能車轉速的控制要求。

2.4 驅動電路

采用BTN7971來設計電機驅動電路。此驅動電路是經典的H橋控制電路，通過轉換電機中電流的方向，使電機達到正反轉的目的。在智能車競賽中，此驅動電路能夠滿足智能車對速度的要求。

3.總結

本文主要介紹了光電智能車硬件系統的設計方案，總體來說，本設計手段簡略可靠，實驗代價不高，使用的元件及電路結構不復雜，具有一定的代表性和推廣性，為眾多熱愛智能車設計的發燒友提供了可鑒之處。