基于光電傳感的目標尋的智能車設計

劉鵬，孫德藩，王濤，賈玉磊

（中國石油大學（華東）理學院，山東青島266580）

隨著經濟的發展、科技的進步，人們對生活品質的要求不斷提高，生產生活的智能化、便捷化成為今后重要的發展方向[1-2]。智能車以其應用范圍廣、承載功能多、整體結構成熟等優點，成為當前運輸、導航、制造業等領域的研究熱點[3-7]。在智能車設計過程中，利用傳感器實現環境感知是整體設計的關鍵問題。光電傳感器以其響應速度快、靈敏度高、技術成熟、價格低廉等諸多優勢，成為首選器件。該系統利用MK60FX512VLQ15 微控制器作為核心控制單元，基于光電傳感器進行整體設計，對目標物（信標燈）進行自主搜尋、自主路徑規劃，最終實現目標尋的自主駕駛功能。

1 系統整體設計

智能車整體機械結構采用四輪結構，后輪利用直流電機進行驅動，前輪采用轉向舵機進行拉動機械轉向，從而實現智能車的控制。選取的智能車車模車架長28.5 cm，寬17.8 cm，高6.0 cm。在保證車體穩定性的同時最大限度減輕車架重量，選取具有較強彈性與剛性的黑色玻纖維板作為底盤主體材料。前輪采用滾珠軸承結構，后輪采用雙滾珠差速設計配合直流電機驅動。系統采用的車體規格相關數據如表1所示。

表1 智能車車體具體參數

系統由圖像傳感采集處理模塊、電源管理模塊、主控板電路模塊、LCD 顯示模塊和智能車驅動模塊組成，系統框圖和搭建的實物圖分別如圖1、圖2所示。電源管理模塊為微控制器、LCD 顯示屏、紅外傳感器、舵機等提供穩定可靠的電源；圖像傳感采集處理模塊包含1 個OV7725 鷹眼攝像頭、2 個紅外傳感器和1 個ATK-VL53LOX 激光測距傳感器，實現目標物和周圍環境的精準采集；MK60FX512VLQ15 微控制器根據圖像傳感采集模塊采集到的信息，控制智能車驅動模塊，通過轉向舵機和電機驅動控制智能車的行駛角度和速度，同時將攝像頭采集的光斑大小和智能車的轉速實時顯示在LCD 顯示屏上。

圖1 系統框圖

圖2 系統實物圖

2 系統硬件設計

為實現智能尋的功能，擬采用紅色信標燈作為目標物進行識別檢測。選定CCD/CMOS 傳感器作為目標采集主要傳感器，其他傳感器為輔，選定MK60為控制器，傳感信號經K60 MCU 的I/O 口接收處理后，用于智能車的行為控制。同時將光電編碼器放置于后輪機械齒輪結構處，對電機轉速進行實時采集，采集的信息經主控板芯片處理，控制智能車的速度以及轉向角度，實現智能車穩定運行。智能車硬件設計方案如圖3所示。

圖3 智能車硬件設計方案

2.1 電源管理模塊

在智能車系統硬件電路中，電源是其正常工作的關鍵。該設計選擇的MK60FX512VLQ15 最小系統板、LCD 顯示屏、紅外傳感器等需要穩定的3.3 V供電[8]，編碼器等需要5 V 供電，轉向舵機采用6 V 電壓，而系統車體所搭配的電源為7.2 V 鎳鉻電池。查找相關器件的DATASHEET 進行篩選，最終選定使用TPS7350、B0512LS、LM1084、AMS1117四款芯片實現電源穩定輸出。該模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源管理模塊電路原理圖

2.2 電機驅動模塊

選擇常用的H-Bridge 驅動電路作為電機動力驅動電路，采用IR2104S 作為電機驅動芯片，IR2104S是一款高性能的半橋驅動芯片[9-10]，通過利用兩片IR2104S 芯片輸出的直流信號控制MOS 管的通斷，進而改變通過直流電機的電流方向，達到控制電機正向、反向轉動的目的。電機驅動電路原理圖如圖5所示。

圖5 電機驅動模塊電路原理圖

2.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊采用OV7725 作為主要圖像傳感采集裝置，檢測信標燈（目標物）的信息，2 個紅外傳感器用于緊急避障，優先級最高，解決攝像頭的盲區問題，同時ATK-VL53LOX 激光測距傳感器作為鷹眼攝像頭的輔助，實現目標物方位的精準獲取。OV7725 鷹眼攝像頭是一款低壓CMOS 器件，傳感器整體封裝尺寸相較其他攝像頭來說較為小巧，但在小尺寸內提供了單芯片VGA 相機和圖像處理器的全部功能。此外，此型號傳感器具有較小圖像畸變以及強大的內置圖像處理算法，可以有效滿足文中智能車系統對于圖像采集的要求[11-13]。

2.4 最小系統板

控制單元采用恩智浦公司（飛思卡爾公司被其收購）Kinetis 系列芯片中的K60 芯片作為主控芯片。Kinetis 系列芯片是飛思卡爾公司（現已被NXP公司收購）推出的業界第一款基于ARM Cortex-M4內核的混合信號微控制器。MK60FX512VLQ15 具有多個I/O 端口，可以實現定時、通信、模擬等不同功能[14-16]。利用主控單元能處理鷹眼攝像頭、紅外傳感器、激光測距傳感器、光電編碼器等采集的信息，實現智能車目標尋的功能。

3 系統軟件設計

系統軟件設計是智能車整體設計的關鍵部分，邏輯清晰簡潔明了的軟件設計可有效增加系統整體的穩定性，提高智能車系統的運行效率。該系統的主要功能為智能車自主尋的，即對信標燈進行自主搜尋、自主輪徑規劃最終實現信標燈的查找功能。系統軟件整體設計流程框圖如圖6所示。

圖6 系統軟件整體設計流程框圖

3.1 目標尋的程序設計

系統主要通過攝像頭傳感器進行目標識別，使用特定濾波片，有效排除雜光干擾。通過逐行掃描所得到的強度信息，確定信標燈中心位置，以此作為標定進而控制轉向系統進行目標搜尋[17]。與此同時，對智能車尋找到信標燈時所探測到的最大直徑作為基準標定，將探測值與其進行比較從而控制電機驅動模塊驅動智能車前進或后退。其流程框圖如圖7所示。

圖7 攝像頭信標定位流程框圖

3.2 智能車速度、轉向角度控制程序設計

智能車系統的動力主要來源于直流電機，由于所選芯片對電機轉速并非完全控制，在驅動過程中會出現數據量偏移情況，從而導致實際控制與預期控制之間存在很大差距。

此外，車體重量、電池電量等均可能會對車速造成影響，因此設計采用光電編碼器對后輪進行轉速實時反饋，根據反饋的信息，通過PID 算法控制主控板輸出PWM 波的周期，實現對電機轉速調整，從而控制智能車車速。智能車轉速、轉向角度控制流程框圖如圖8所示。

圖8 智能車轉速、轉向角度控制流程框圖

4 結 論

文中從硬件、軟件兩個方面介紹了基于光電傳感的目標尋的智能車系統，通過對元器件進行橫向、縱向對比，選取最佳性價比的元器件[18]；分模塊進行電路設計，增加電源管理模塊保障電路的正常工作；采用四輪后輪驅動、前輪舵機轉向，最大限度模擬真實行車環境，該系統具有成本低、調試方便、實用性強的特點，為智能小車設計提供了新思路與新方法。