智能視覺高速尋線機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　核心控制器設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)視頻采集，考慮綜合性價(jià)比、設(shè)備安裝等因素，核心控制器選用Freescale公司的16位高性能單片機(jī)——MC9S12DG128（以下簡(jiǎn)稱S12）。它的指令處理時(shí)鐘可以達(dá)到38MHz，其A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)鐘可以達(dá)到16MHz，用于采集視頻。同時(shí)它擁有8路PWM通道，控制舵機(jī)和直流電機(jī)完成轉(zhuǎn)向和速度控制;8路捕捉/比較通道獲取作為速度傳感器的編碼器脈沖信號(hào);串行通信接口用于無線調(diào)試;多達(dá)64 個(gè)IO（通過IO復(fù)用方式）足夠用于狀態(tài)顯示及參數(shù)設(shè)置。另外，其擁有128k的flash存儲(chǔ)空間，無需進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展，在片內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用。如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)采用一塊單片機(jī)，無需添加其他控制器、存儲(chǔ)器，成為真正的“單片”系統(tǒng)。

　　視頻采集模塊

　　由于單片機(jī)A/D速度限制，需要選用低分辨率的黑白攝像頭。因?yàn)榈头直媛室馕吨曨l單行掃描時(shí)間的增加，而黑白攝像頭意味著只需要單路A/D就可以完成視頻采集工作。選擇了Omvision生產(chǎn)的ov5116芯片為內(nèi)核的CMOS黑白攝像頭，分辨率為320×240，圖像刷新頻率50Hz。同時(shí)選用LM1881視頻同步信號(hào)分離芯片提取視頻信號(hào)中的行同步和場(chǎng)同步信號(hào)，連入s12的脈沖捕捉通道。通過捕捉信號(hào)觸發(fā)AD模塊工作，采集存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。

　　圖3 視頻采集電路原理圖

　　電機(jī)控制及電源

　　RS-380SH直流電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過PWM信號(hào)控制。選用Freescale公司的MC33886全橋驅(qū)動(dòng)芯片，通過兩路半橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。這里的電機(jī)反轉(zhuǎn)并不為實(shí)現(xiàn)倒車，而主要用于車體減速。在進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流會(huì)隨著負(fù)載增大而瞬間放大，因此需要增大穩(wěn)壓能力，保證系統(tǒng)正常工作電壓，避免單片機(jī)自動(dòng)重啟。在整個(gè)系統(tǒng)中，有多種電壓需求，單片機(jī)和舵機(jī)為5V供電;CMOS攝像頭為 6～9V。因此，為了方便開發(fā)，這里選用最常用的7.2V充電電池組。只需在系統(tǒng)內(nèi)加入5V穩(wěn)壓芯片，提供5V電壓。

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于視覺的以高速尋線為目的的行走機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用一塊高性能單片機(jī)，完成了從視頻采集到視頻處理，最終實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向控制的一套尋線行走功能。系統(tǒng)輕便靈巧，無需存儲(chǔ)器擴(kuò)展和其他可編程器件配合，搭建費(fèi)用低。該方案在參加第一屆全國(guó)大學(xué)生智能車大賽中，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，取得了非常優(yōu)異的成績(jī)。