基于AVR單片機(jī)視覺(jué)智能尋跡車(chē)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

0 引 言
智能運(yùn)輸系統(tǒng)是未來(lái)交通運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，智能汽車(chē)在智能運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。作者提出智能尋跡車(chē)作為構(gòu)建未來(lái)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)中重要部分，針對(duì)未來(lái)交通運(yùn)輸系統(tǒng)有導(dǎo)航線的環(huán)境命題假設(shè)下智能汽車(chē)的自主尋跡問(wèn)題，提出一種基于視覺(jué)的智能尋跡車(chē)模設(shè)計(jì)方案，作為該假設(shè)問(wèn)題的解決方案。
基于視覺(jué)的智能尋跡車(chē)模設(shè)計(jì)方案能夠在線型復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎半徑不確定性大的情況下，利用視覺(jué)自主尋跡前進(jìn)，分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于視覺(jué)的智能尋跡車(chē)模系統(tǒng)以AVR單片機(jī)MEGAl6為核心，由單片機(jī)模塊、路徑識(shí)別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，如圖1所示。

直流電動(dòng)機(jī)為車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)用于控制車(chē)輛行駛方向。智能尋跡車(chē)模利用視覺(jué)在跑道上自主尋跡前進(jìn)，分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。道路為318 mm寬白色底板，其中間粘貼18 mm寬且線型不斷變化的黑膠帶。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 控制模塊
尋跡車(chē)模采用AVR內(nèi)核的ATMEGAl6。該芯片能夠不需要外圍晶振和復(fù)位電路而獨(dú)立工作，非常適合智能尋跡車(chē)模的要求?？刂破髂K安裝在廣東奧迪玩具實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的雷速登1：24比賽級(jí)遙控車(chē)模上。
2．2 路徑識(shí)別模塊
采用反射式光電傳感器來(lái)區(qū)分跑道上的黑色與白色，反射式光電傳感器有光線發(fā)射端和光線接收端，白底與黑線對(duì)發(fā)射端發(fā)出光線的反射度不同，從而影響接收端產(chǎn)生的電壓。用反射式光電傳感器、可調(diào)電阻和運(yùn)算放大器LM324組成傳感器模塊，如圖2 所示。實(shí)現(xiàn)在不同賽道上輸出高低電平，自主尋跡。
2．3 轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
采用H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)智能尋跡車(chē)的前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)和后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能尋跡車(chē)左右轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、加速、減速等功能。轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)控制方案為分級(jí)轉(zhuǎn)向控制，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方案亦為開(kāi)環(huán)控制。

2．4 分級(jí)轉(zhuǎn)向模塊
為了實(shí)現(xiàn)在不同的轉(zhuǎn)彎半徑處實(shí)現(xiàn)不同角度的精確轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)了分級(jí)轉(zhuǎn)向電路，如圖3所示。車(chē)模舵機(jī)中可變電阻阻值為1．8～4．2 kΩ，1接單片機(jī)A／D管腳。電壓V為片內(nèi)穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓，且可以看出：

以1號(hào)傳感器為例，說(shuō)明分級(jí)轉(zhuǎn)向角度計(jì)算。

傳感器模塊安裝如圖4所示，所有尺寸經(jīng)過(guò)前期設(shè)計(jì)計(jì)算，D點(diǎn)為前輪舵機(jī)可調(diào)電阻轉(zhuǎn)向中心，A點(diǎn)為小車(chē)轉(zhuǎn)向中心。當(dāng)1號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，前輪轉(zhuǎn)向角度以及與前輪轉(zhuǎn)向角度對(duì)應(yīng)的前輪舵機(jī)中可變電阻轉(zhuǎn)向角度計(jì)算為：

V3值線性正比于前輪舵機(jī)中可變電阻角度α1，因此，不同的傳感器探測(cè)位置，可以計(jì)算得出不同的理想前輪轉(zhuǎn)向角度，不同的理想轉(zhuǎn)向A／D電壓，通過(guò)單片機(jī)測(cè)量V3，即可換算前輪舵機(jī)中可變電阻轉(zhuǎn)向角度a1，并與理想轉(zhuǎn)向A／D電壓比較，當(dāng)V3達(dá)到理想轉(zhuǎn)向A／D電壓，單片機(jī)控制給舵機(jī)低電平，舵機(jī)停轉(zhuǎn)，保持轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)精確分級(jí)轉(zhuǎn)向。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 主程序設(shè)計(jì)
采用C語(yǔ)言在ICC—AVR開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編程調(diào)試。主程序流程圖如圖5所示。

3．2 分級(jí)模塊程序設(shè)計(jì)
ATMEGAl6能對(duì)來(lái)自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。當(dāng)片中ADC多功能寄存器ADMUX的REFSl和 REFS0設(shè)置為1時(shí)，VAREF=2．56 V，為片內(nèi)穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源，即圖3中電壓V。智能尋跡車(chē)轉(zhuǎn)向極限為±30°，表1為5個(gè)光電傳感器分級(jí)精確轉(zhuǎn)向相應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)
基于視覺(jué)的智能尋跡車(chē)模設(shè)計(jì)方案能夠在線型復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎半徑不確定性大的情況下，利用視覺(jué)自主尋跡前進(jìn)，分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。對(duì)于環(huán)境光線的影響，可考慮增加濾波電路、優(yōu)化控制算法增加其抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)證明，該方案有良好的尋跡效果。