智能循跡小車硬件設(shè)計(jì)及路徑識(shí)別算法

摘要：設(shè)計(jì)用于全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽用的循跡小車，攝像頭采集黑線引導(dǎo)線的位置，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小車后輪，舵機(jī)作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，提出用于循跡的圖像處理方法，以排除黑線引導(dǎo)線以外物體的干擾，同時(shí)提出一種適應(yīng)力強(qiáng)的小車循跡策略。實(shí)驗(yàn)表明，在這種控制策略下，小車運(yùn)行穩(wěn)定，能夠排除各種干擾，并且能夠使小車維持很高的速度行駛。
關(guān)鍵詞：循跡；單片機(jī)；圖像處理

全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽要求在組委會(huì)提供統(tǒng)一智能車競(jìng)賽車模、單片機(jī)MC9S12DG128開(kāi)發(fā)板、開(kāi)發(fā)軟件Code Warrior和在線調(diào)試工具的基礎(chǔ)上，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，它將在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛。中心目標(biāo)是，在不違反大賽規(guī)則的情況下以最
短時(shí)間跑完單圈賽道。
本文主要對(duì)車模整體設(shè)計(jì)思路、硬件與軟件設(shè)計(jì)及車模的裝配調(diào)試過(guò)程作簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

1 整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)按照功能劃分為：電源模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、運(yùn)行調(diào)試模塊、路徑識(shí)別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊、速度測(cè)量模塊等。圖1是小車系統(tǒng)硬件模塊圖。本文重點(diǎn)介紹路徑識(shí)別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊、速度測(cè)量模塊。

1．1 路徑識(shí)別模塊
路面信息檢測(cè)模塊要能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)路徑參數(shù)。將面陣CMOS用于賽道參數(shù)檢測(cè)的方案，充分利用S12單片機(jī)內(nèi)部硬件資源ATD模塊，直接采集CMOS輸出的模擬信號(hào)，可以獲得滿足參數(shù)檢測(cè)需要的圖像，計(jì)算出賽道參數(shù)，進(jìn)而完成路面信息檢測(cè)。檢測(cè)路徑傳感器采用CMOS圖像傳感器。普通CMOS傳感器圖像分辨率都在300線之上，遠(yuǎn)大于光電管陣列。
通過(guò)鏡頭，可以將車模前方很遠(yuǎn)的道路圖像映射到CMOS器件中，從而得到車模前方很大范圍內(nèi)的道路信息。對(duì)圖像中的道路參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，不僅可以識(shí)別道路的中心位置，同時(shí)還可以獲得道路的方向、曲率等信息。利用CMOS器件，通過(guò)圖像信息處理的方式得到道路信息，可以有效控制車模運(yùn)動(dòng)，提高路徑跟蹤精度和車模運(yùn)行速度。
1．2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
為了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)主電機(jī)的控制，使用Motorola公司的H橋芯片MC33886。該芯片的供電電壓在5～40 V之間，MOSFET管的導(dǎo)通電阻為120 mΩ，控制信號(hào)的輸入兼容TTL／CMOS電平，PWM的最高頻率可達(dá)10 kHz，同時(shí)具有短路保護(hù)功能和故障信號(hào)的輸出。
MC33886的應(yīng)用示意圖如圖2所示。圖中，V+是為直流電機(jī)供電的電源。IN1和IN2兩個(gè)邏輯電平輸入端分別控制輸出端OUT1和OUT2。當(dāng)IN1輸入高電平時(shí),OUT1輸出也為高電平——即通過(guò)H橋與V+導(dǎo)通；當(dāng)IN1輸入低電平時(shí)，OUT1輸出也為低電平——即通過(guò)H橋與GND導(dǎo)通。IN2和UT2的關(guān)系與此相同。FS為故障信號(hào)開(kāi)漏極輸出，低電平有效。當(dāng)D1是高電平或者D2是低電平時(shí)，同時(shí)禁用OUT1和OUT2的輸出，使OUT1和OUT2同時(shí)變?yōu)楦咦钁B(tài)。通過(guò)控制IN1和IN2的電平，即可控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)。對(duì)IN1和IN2的電平信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。