基于CCD攝像頭智能車分段PID控制算法設(shè)計(jì)

自動(dòng)尋跡智能車涉及到當(dāng)前高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的許多先進(jìn)技術(shù)，其中最主要的是傳感技術(shù)、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。本課題是以飛思卡爾智能車競賽為背景，以單片機(jī)作為核心控制單元，以攝像頭作為路徑識(shí)別傳感器，以直流電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)裝置，以舵機(jī)控制小車轉(zhuǎn)向。車模競賽的賽道是一個(gè)具有特定幾何尺寸約束、摩擦系數(shù)及光學(xué)特性的KT板，其中心貼有對可見光及不可見光均有較強(qiáng)吸收特性的黑色條帶作為引導(dǎo)線，寬度為2．5 cm。在行駛過程中，系統(tǒng)通過攝像頭獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)通過測速傳感器實(shí)時(shí)獲取智能車的速度，采用路徑搜索算法進(jìn)行尋線判斷和速度分析，然后作控制決策，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。智能車通過實(shí)時(shí)對自身運(yùn)動(dòng)速度及方向等進(jìn)行調(diào)整來“沿”賽道快速行駛。本文主要介紹攝像頭通過提取賽道黑線信息交予單片機(jī)處理，通過單片機(jī)輸出控制信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向來控制車模的轉(zhuǎn)向，從而很好的自動(dòng)循跡。

1 總體軟硬件結(jié)構(gòu)及思路
此智能車輛定位系統(tǒng)用攝像頭拍攝車輛前方的賽道，通過MC9S12XS128采樣視頻信號(hào)，獲得圖像數(shù)據(jù)。然后用合適的算法，如跟蹤邊緣檢測算法，分析圖像數(shù)據(jù)，提取目標(biāo)指引線。然后，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)指引線的位置信息，對舵機(jī)和電機(jī)施以合適的控制。本智能車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

因?yàn)橄到y(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，所以需配合好系統(tǒng)的攝像頭、控制單片機(jī)、電機(jī)(包括直流伺服電動(dòng)機(jī)、光電編碼器)、舵機(jī)和輔助電路(電源板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板)等各個(gè)部分。舵機(jī)是實(shí)時(shí)控制車模的轉(zhuǎn)向，是比賽快速性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵，舵機(jī)控制有很多的控制算法，如：PID經(jīng)典控制算法、模糊算法、人工智能算法等。

2 系統(tǒng)程序總體控制流程
系統(tǒng)的基本軟件流程是：首先，對各功能模塊和控制參數(shù)進(jìn)行初始化；然后，通過圖像采集模塊獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)通過速度傳感器模塊獲取賽車的速度。采用PID對舵機(jī)進(jìn)行反饋控制。另外根據(jù)檢測到的速度，結(jié)合速度控制策略，對賽車速度不斷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使賽車在符合比賽規(guī)則的前提下，沿賽道快速行駛。系統(tǒng)的基本軟件結(jié)構(gòu)流程圖，如圖2所示。

系統(tǒng)的軟件要求控制的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。采樣提取黑線是控制輸入量的基礎(chǔ)，要求采樣的精確穩(wěn)定。輸入量給舵機(jī)以后又要求舵機(jī)輸出的快速相應(yīng)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)及近一個(gè)學(xué)期的調(diào)車經(jīng)驗(yàn)，選用了并改進(jìn)了經(jīng)典的PID控制器對車模的舵機(jī)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。