李少兵　張強(qiáng)　張美玲

摘 要：本設(shè)計(jì)是一種基于攝像頭的智能車自主導(dǎo)航系統(tǒng)，采用飛思卡爾公司的S12XS128單片機(jī)為控制核心，主要由電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，攝像頭，舵機(jī)，以及反饋控制模塊構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)表明，智能小車能很好地識(shí)別賽道信息，并作出判斷，實(shí)現(xiàn)了自主轉(zhuǎn)彎，過(guò)障礙等功能。

關(guān)鍵詞：智能汽車；自主導(dǎo)航；單片機(jī)；自主轉(zhuǎn)彎；過(guò)障礙

智能小車是一結(jié)合了很多學(xué)科的綜合的制作，它包括了虛擬智能、機(jī)械設(shè)計(jì)、高等數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、傳感器技術(shù)、電路設(shè)計(jì)、C語(yǔ)言、單片機(jī)、自動(dòng)控制原理等學(xué)科。本設(shè)計(jì)采用攝像頭作為采集信號(hào)的模塊，微處理器接收處理信號(hào)，并把這個(gè)處理過(guò)的信號(hào)作為小車導(dǎo)航的依據(jù)，來(lái)控制小車轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、停止、加速等，從而實(shí)現(xiàn)小車在環(huán)境較簡(jiǎn)單的情況下的自主導(dǎo)航。

1 方案論證

1.1 加固車模底盤，使之成為剛體，可以有效減少小車在行駛時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)以及震動(dòng)對(duì)攝像頭的影響。

1.2 小車在轉(zhuǎn)彎，過(guò)障礙時(shí)容易發(fā)生側(cè)翻，可以適當(dāng)降低小車底盤，增加其可控性，防止側(cè)翻發(fā)生。

1.3 測(cè)試賽道比較平坦，光滑，小車在直的長(zhǎng)賽道上行駛時(shí)，易沖出賽道，可以在車輪上套上防滑套，來(lái)減少因速度快造成的輪胎磨損，增加輪胎的抓地性能，從而提高小車的操控性，同時(shí)使馬力能更好的傳到地面驅(qū)動(dòng)小車加速。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是智能小車重要的模塊之一，需要性能穩(wěn)定、可靠性高、散熱性好等特點(diǎn)，所以采用BTN7971芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。并且該芯片具有自我保護(hù)能力，抗電子干擾能力強(qiáng)，且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，加速過(guò)程快等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1.5 智能車系統(tǒng)采用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池進(jìn)行供電，但各個(gè)模塊所需要的電壓不同，因此需要進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。7.2V直接為BTN7971供電，使用LM7806（6V）將7.2V穩(wěn)壓成6V后給舵機(jī)供電，用LM2940（5V）分別為單片機(jī)、攝像頭編碼器供電。

1.6 智能車的轉(zhuǎn)向控制是關(guān)鍵的技術(shù)之一，轉(zhuǎn)向性能的好壞和轉(zhuǎn)向控制的適當(dāng)與否對(duì)智能小車的速度及穩(wěn)定性有很大的影響。舵機(jī)本身是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，影響舵機(jī)控制性能的一個(gè)重要參數(shù)是舵機(jī)的響應(yīng)速度，而舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響智能車通過(guò)彎道的最高速度，適當(dāng)?shù)靥岣叨鏅C(jī)的工作電壓可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，把舵機(jī)改裝在兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪中間，以此來(lái)減小響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)杠桿原理加長(zhǎng)力臂，來(lái)增加舵機(jī)的扭轉(zhuǎn)能力，提高了小車的轉(zhuǎn)向控制速度[2]。

1.7 攝像頭是路徑檢測(cè)器件，是智能小車系統(tǒng)的信號(hào)輸入模塊，主要檢測(cè)的是賽道相對(duì)于智能小車的偏移量、方向、曲率等信息，這些信息是小車自主沿賽道運(yùn)行的信息基礎(chǔ)，獲得更多、更遠(yuǎn)、更精確的賽道信息是提高車模運(yùn)行速度的關(guān)鍵。所以說(shuō)路徑識(shí)別系統(tǒng)的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。使用攝像頭檢測(cè)方式的最大優(yōu)點(diǎn)是：檢測(cè)的前瞻范圍比較寬，可以比較快地檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎等路面信息，以便提早做出轉(zhuǎn)彎、剎車等操作，有利于速度的提高[3]。但是攝像頭的選取必須慎重，既要保證圖像質(zhì)量好，滿足后續(xù)處理和賽道識(shí)別的要求，目前是市場(chǎng)上主要有兩種攝像頭，CCD模擬攝像頭和CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭，CCD模擬攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，即使高速運(yùn)行也可以獲得清晰的圖像，但是缺點(diǎn)是成本高、功耗大、重量大、需要12V供電。CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低，5V即可正常工作，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，直接輸出數(shù)字信號(hào)，因此使用非常方便，電路要求簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。單片機(jī)的I/O口可以直接接受的是數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)要經(jīng)過(guò)處理成數(shù)字信號(hào)后單片機(jī)才能使用，所以想要使用CCD模擬攝像頭需要自己搭建整理模擬信號(hào)的電路，這加大了制作智能車的難度，但是用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭在小車高速運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)性能較差，容易出現(xiàn)圖像模糊?；赬S128單片機(jī)的處理能力，攝像頭不是分辨率越高越好，綜合考慮之后選擇CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭。

在攝像頭的安裝上，選擇了四個(gè)自由度的安裝，可以更加靈活地對(duì)攝像頭的角度進(jìn)行調(diào)整。

攝像頭除了高度和選型之外，位置也很重要。后置主要問(wèn)題是轉(zhuǎn)彎時(shí)過(guò)程滯后，而前置的主要問(wèn)題是由于車身抖動(dòng)，造成成像模糊，綜合考慮之后，把攝像頭放在中間靠前的位置，既可以減少震動(dòng)造成的影響，又可以解決轉(zhuǎn)彎滯后問(wèn)題。

攝像頭支架選用碳纖維管，具有質(zhì)地輕，剛性大，直徑小，堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)。支架底部采用上下雙重固定方法，這樣固定不僅牢固，更減輕了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的震動(dòng)干擾。

1.8 在智能小車的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)模塊必不可少就是光電編碼器，光電編碼器通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)編碼輸出的脈沖來(lái)計(jì)算出小車的速度，這樣把這個(gè)速度反饋給主處理器，主處理器就對(duì)小車的實(shí)時(shí)速度有了檢測(cè)，這樣更有利于控制小車速度。

2 軟件部分

系統(tǒng)由中斷采集程序?qū)z像頭傳回的圖像進(jìn)行采集，然后單片機(jī)對(duì)傳回來(lái)的圖像進(jìn)行處理、判斷、計(jì)算得到控制參數(shù)，再用控制參數(shù)去控制舵機(jī)和電機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、加速、減速、停止等功能。

小車在行駛過(guò)程中分為直道、彎道、交叉口等，由于攝像頭傳回的數(shù)據(jù)很大，而且傳輸?shù)暮芸?，單片機(jī)在有限的頻率下無(wú)法采集所有數(shù)據(jù)，因此只能有選擇的選取圖像。得到一場(chǎng)視頻信號(hào)后，單片機(jī)從中提取黑線，并通過(guò)限幅濾波算法判斷黑線的偏差值。不同的路況攝像頭所采集的圖像的有效行數(shù)和偏差值是不同的，在過(guò)彎道時(shí)，有效值會(huì)減小，偏差值會(huì)增大，這樣就可以利用有效行和偏差值來(lái)控制小車的速度和方向。

3 測(cè)試與結(jié)果

小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)小車整體性能影響很大，需反復(fù)調(diào)試小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)才能找到合適的解決方案，小車在直道上行駛時(shí)，小車加速明顯，當(dāng)攝像頭檢測(cè)到前方有彎道時(shí)，小車立即減速，然后通過(guò)彎道。切換小車速度，提高PWM占空比，小車行駛時(shí)可以明顯看見(jiàn)小車提速，再接近彎道時(shí)小車減速，然后順利通過(guò)彎道。

參考文獻(xiàn)

[1]O'Reilly.愛(ài)上制作（第二期）[M].人民郵電出版社，2011.

[2]攝像頭組-安徽工業(yè)大學(xué)-D-I隊(duì)技術(shù)報(bào)告[R].

[3]蔡述庭.飛思卡爾杯智能汽車競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京航空航天出版社，2012.