智能電動車聯網系統硬件模塊的研究與設計

曹亮

摘 要：本課題選用飛思卡爾（Freescale）半導體公司推出的 Kinetis 系列微控制器K60為核心控制器，該系列芯片具有很好的數據處理能力以及豐富的外設資源。在硬件方面再配以攝像頭，無線模塊等，使得我的硬件設計簡單，集成性好，工作穩定，操作方便，容易實現;在軟件方面從數據的采集，處理，PID控制方法等方面詳細闡述了該智能電動小車的原理和設計思想，再通過無線技術，傳輸采集的數據，在上位機上時時的顯示賽道的信息，讓人直觀的看到車輛行駛的狀況。這些方法體現了該智能電動小車硬件設計的合理性等優點。

關鍵詞：飛思卡爾單片機;攝像頭;控制算法;上位機

1 引言

在今天的社會生活中，車輛與我們息息相關，然而車輛發展到現在還不是很完備，特別是在智能化、節能環保以及安全性等方面，這是由于在智能，環保，安全上并沒有很好地解決好這些問題，從而導致交通越來越擁堵、環境污染越來越嚴重，重大交通事故越來越多等問題。近些年來隨著汽車電子技術的發展，特別是互聯網的日益崛起以及越來越被關注的環境污染問題，汽車將不再是一個單一的只會污染環境的機械產品，而是越來越接近一個在互聯網大環境下的節能型電子產品，并且日益得到完善，智能電動車聯網越來越成為新型電動車汽車在控制領域內研究的一個創新點，未來，汽車行業也將進軍互聯網并最終成為其中的一員。智能電動聯網汽車可以減少交通事故，可以減少環境污染;可以讓汽車采集路況信息并將信息傳送給城市交通指揮中心，從而可以選擇最佳的行車路線，進而有效避免交通擁堵。這樣在道路上，即使沒有信號燈，汽車也可以保持高速的行車速度，路上也不會有堵塞，事故的現象，從而解決城市交通問題及環境污染問題。

實際應用的五點總結：因為傳感技術，無線通信技術和GPS技術在現階段已將各自發展的相對成熟，那么在未來的汽車交通中可以試著結合這幾種技術，這樣就可以全方位，多層次的建立車輛之間的聯系。這種綜合的技術將被主要應用在如下幾個方面：

1.1 交通事故的急救。當大型事故發生時或者特殊事件時，車輛就會自動開啟車載系統發射求救信號，通過車載無線通信系統發出求救信息給通信中心工作人員，工作人員可以利用GPS技術對事故地點進行精確的定位，并及時作出最優的救援方案，并且在救援與車內人員進行溝通，穩定車內人員的情緒，減少他們精神，生命，財產的損失。

1.2 出行自動導航。還可以根據司機目的地和實時路況信息，最快到達目的地的路徑，甚至為出租車司機尋找最有可能少走路線多載乘客的路線。很多國際大型汽車公司都已經開始了實驗：日本豐田與2009年引入一個G-Book智能副駕系統，美國通用汽車2009年將凱迪拉克和別克等車型上使用nStar技術，福特，日產等汽車企業相繼發布了網絡中心車載平臺。在未來的道路上我們將會看到老人，小孩，殘疾人，盲人都可以隨心所欲的駕駛著自己的汽車，人類社會將變得更加和諧美好。

1.3 交通管理。將先進的信息分析技術，傳感技術，無線通訊技術，自動控制技術以及計算機網絡技術等有效地集成[13]，運用于整個交通管理，從而在交通上全方位發揮作用的，準確高效的運輸和管理。

1.4 緩解駕駛疲勞。

車聯網技術的未來，紅綠燈將不會出現在城市交通，交通擁堵，交通事故和停車難都將得到有效的解決。現如今駕駛者在駕駛過程中極度的緊張了和疲勞，這種技術可以讓駕駛者不必考慮交通的路況，盡情的享受車外的美景。

1.5 用于協助駕駛

利用車輛與公路的通訊設施之間進行傳感和通信，例如車輛發生交通事故、汽車在郊外拋錨、道路緊急情況以及無法預測的危險等，通過車聯網可以提前告知將要經過發生交通事故路段的駕駛者，這有利于駕駛者及時的更改線路，縮短行程的時間，同時也有利于道路的暢通，而且這些還有助于駕駛者把注意力放在安全上，保持車距，提高安全性。另一方面路況信息及時的進行車與車之間的通信可以方便與很多駕駛者，就能有效緩解交通擁堵。同時，智能停車場管理也可引入協助駕駛技術，例如車主駕駛到一個從未來過的地方，就可能造成車主找不到停車的地方，此時就可通過車聯網或者車與車之間的通信進行搜索，找到合適的停車位，使行程更加方便，快捷，美好。

2 系統方案設計

本課題設計主要研究基于飛思卡爾半導體公司生產的MK60DN512為核心控制模塊，通過OV7725，CMOS攝像頭對小車行駛的賽道進行數據采集，使用硬件模擬比較器對采集回來的數據進行二值化處理還原真實圖像，找到賽道倆邊的黑線，計算賽道的中心線位置;通過安裝在車輪上的歐姆龍編碼器檢測獲得小車的行駛時速度，使用PID控制算法和PD控制算法分別調節電機的轉速和舵機的轉向角度，從而實現了對小車運動速度的PID控制和運動方向的PD控制。并且通過無線傳輸將賽道的信息，智能車的位置，速度，舵機轉角等參數時時的顯示在上位機上，以便數據共享。為車聯網做好準備。

3 硬件方案設計

本設計的核心板選用的是飛思卡爾的核心板K60，經攝像頭OV7725采集回來賽道信息，再硬件二值化處理，DMA傳輸到處理器，對數據進行分析處理，判斷賽道是直道還是彎道，如果是直道則通過編碼器采集回來的速度信息對小車進行加速;如果是彎道則對小車進行減速且對舵機進行轉角控制，實現閉環控制。把所有的數據通過藍牙傳送到上位機，使我們可以清晰的看到小車在行駛過程中對賽道的識別狀態及數據共享，見圖1。

4 電源模塊的設計

本車使用的是7V2（理論7V2，但是真的充好電了可以達到10V，甚至更高）的電池，所以要降壓。常用的電源主要有二大類：

4.1 串聯型線性穩壓電源

優點是：產生的電信號紋波小，所需的外圍電路少。

缺點是：由于大部分的能力以熱量的形式耗散，所以其效率不高。

4.2 開關型穩壓電源

優點是：由于電路中有儲能元件電容電感，所以功耗小，效率高。

缺點是：所需外圍電路比較復雜，產生的電信號的紋波大。不適合為單片機所需要的3V3供電。

綜合以上考慮：我選用線性度好的串聯型線性穩壓電源LM2940-5和LM1117兩次降壓得到3V3為單片機供電。這樣單片機的電源是絕對不會有問題的了;再選用開關型穩壓電源LM2596-5單獨為舵機供電，就會很好的滿足舵機所需的大電流要求;剩余的電路再選用一片LM2940-5為其供電。這種分開為控制電路和驅動電路供電的方法在后續制作硬件的過程中被證明是可行的，有效的解決了舵機供電電流不足和單片機工作過程中受干擾的現象，見圖2、圖3。

5 核心板模塊的設計

這款核心板的優點就是硬件做的緊湊，功能全：指示燈，SD卡都有了，而且重量輕;它的缺點就是：它的下載接口是OSJTAG，我們大多數的下載器是JLINK，那么就需要一個轉接板，而且很容易壞，見圖4。

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