李芬斌　胡泊　張晨陽(yáng)　侯卓越

摘要：以MK60DN512ZVLQIO單片機(jī)為智能車(chē)的主控制芯片，設(shè)計(jì)一種攝像頭循跡智能車(chē)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)攝像頭采集的圖像信息進(jìn)行分析處理，并結(jié)合PID控制算法對(duì)直流電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，實(shí)現(xiàn)小車(chē)循黑線準(zhǔn)確快速穩(wěn)定地行駛。

關(guān)鍵詞：智能車(chē);循跡規(guī)劃;PID控制;圖像處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.029

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，科技水平的不斷提高，智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各大領(lǐng)域中，其中智能車(chē)更是占據(jù)了主流地位。本文就此設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)、攝像頭模塊、電源管理模塊等設(shè)備的智能循跡小車(chē)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為MK60DN512ZVLQIO芯片、電源管理模塊、攝像頭模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵、撥碼開(kāi)關(guān)及液晶顯示模塊等。系統(tǒng)通過(guò)攝像頭采集道路信息，同時(shí)通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)獲取小車(chē)速度;將采集到的圖像反饋給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行二值化處理，提取出邊線，求得小車(chē)與邊線的位置偏差，利用PID控制算法對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制;根據(jù)檢測(cè)的速度，對(duì)電機(jī)不斷進(jìn)行調(diào)整，使小車(chē)能夠循線行駛，具體如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控板

主控板作為系統(tǒng)的核心部分，如同小車(chē)的大腦，接收各種信號(hào)并控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，本系統(tǒng)采用MK60DN512ZVLQIO芯片，其具有豐富的模擬、通信、定時(shí)和制外設(shè)、大容量的可擴(kuò)展內(nèi)存、較高的主頻，完全滿(mǎn)足智能車(chē)調(diào)試過(guò)程的各種需要。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要通過(guò)控制電機(jī)的同速或差速來(lái)實(shí)現(xiàn)加速和輔助轉(zhuǎn)向，本系統(tǒng)采用H全橋NMOS管雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電源穩(wěn)壓電路如圖2所示。兩路電機(jī)驅(qū)動(dòng)，模塊供電電壓6- 1OV，控制信號(hào)3.3V和5V兼容，雙路PWM調(diào)制，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，MOS管采用低內(nèi)阻、性能穩(wěn)定的LR7843，動(dòng)力十足，增加總線驅(qū)動(dòng)芯片74HC08，提高信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)也隔離MOS管和單片機(jī)，防止MOS損壞后灌電流過(guò)大燒壞單片機(jī)。

2.3 攝像頭模塊

與只能提取有限點(diǎn)信息的光電傳感器相比，采用攝像頭的智能車(chē)前瞻距離遠(yuǎn)，能更精確地感知道路變化，且攝像頭多用線性CCD和COMS兩種，相比于CCD，COMS具有集成度高、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此智能車(chē)采用OV7725彩色攝像頭，其分辨率高，價(jià)格適中，可直接輸出數(shù)字信號(hào)與控制器連接。

2.4 速度檢測(cè)模塊

要保證小車(chē)穩(wěn)定行駛，就要構(gòu)成速度閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控小車(chē)當(dāng)前車(chē)速。本系統(tǒng)選用歐姆龍?jiān)隽渴骄幋a器來(lái)測(cè)速。

2.5 電源管理模塊

由于電路中不同模塊所需的工作電壓和電流各不相同，因此電源模塊包含了多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池提供的電壓轉(zhuǎn)換成各模塊所需要的電壓。電源的好壞關(guān)系著單片機(jī)能否正常工作以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，所以在測(cè)試對(duì)比了幾種類(lèi)型的穩(wěn)壓芯片后，選擇了性能相對(duì)優(yōu)異的LM2576芯片。該芯片內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，所需外圍器件少，散熱快。電池7.8 V直流電壓經(jīng)LM2940降壓電路，得到5V的電壓后，經(jīng)AMS1117芯片的正向低壓差穩(wěn)壓器，輸出3.3 V電壓，來(lái)滿(mǎn)足單片機(jī)和舵機(jī)的需求。

2.6 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

舵機(jī)電路中三個(gè)引腳分別連接6V電壓、GND和單片機(jī)的GPIO口E7，通過(guò)E7口的信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向。本系統(tǒng)通過(guò)OLED顯示屏了解智能車(chē)當(dāng)前狀態(tài)，配合按鍵模塊來(lái)設(shè)置智能車(chē)的相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，在屏幕上也可觀察到經(jīng)攝像頭傳回的二值化后的道路圖像等信息。

3 算法程序設(shè)計(jì)

3.1 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制

舵機(jī)的轉(zhuǎn)向采用PD控制，依據(jù)邊線位置動(dòng)態(tài)改變PID參數(shù)。經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試選擇的PID調(diào)節(jié)策略為：將積分項(xiàng)系數(shù)置零，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，舵機(jī)在這種動(dòng)態(tài)隨動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求更高，而且在Ki置零的情況下，通過(guò)合理調(diào)節(jié)Kp參數(shù)仍能保持車(chē)身穩(wěn)定，因此不必使用Ki參數(shù);由于舵機(jī)在一般情況下需要較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，因此微分項(xiàng)系數(shù)Kd使用定值。

3.2 電機(jī)控制算法

通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)獲取的速度調(diào)整電機(jī)的PWM占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制。電機(jī)的控制關(guān)鍵在于提高電機(jī)的響應(yīng)速度和調(diào)速的準(zhǔn)確性，因此PID參數(shù)選用較大的P參數(shù)。而積分參數(shù)I對(duì)車(chē)速控制存在慣性，影響到反應(yīng)速度，I過(guò)大會(huì)使速度波動(dòng)增大，影響小車(chē)的穩(wěn)定，所以選用極小的I參數(shù)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，采用位置式PID控制，效果理想。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)小車(chē)進(jìn)行實(shí)際跑道測(cè)試，從而得到電機(jī)與舵機(jī)在實(shí)際情況下的參數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)中將攝像頭返回的圖像經(jīng)過(guò)處理器得到的道路中線與車(chē)身的偏差記為e （x），如果車(chē)身處于中線位置，那么e（x） -0，舵機(jī)不輸出轉(zhuǎn)角，小車(chē)?yán)^續(xù)前行;如果車(chē)身位置處于中線的左側(cè)，那么e（x）>O，舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角控制小車(chē)右轉(zhuǎn);如果車(chē)身處于中線的右側(cè)，那么e（x）<0，舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角控制小車(chē)左轉(zhuǎn)。同時(shí)根據(jù)編碼器檢測(cè)的速度控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制小車(chē)的車(chē)速，使其平穩(wěn)行駛。

電機(jī)與舵機(jī)測(cè)試參數(shù)如表1所示。在實(shí)際測(cè)試中，道路的復(fù)雜變化會(huì)使小車(chē)出現(xiàn)沖出跑道的情況，所以需要降低小車(chē)車(chē)速，由于輸出控制滯后的影響，會(huì)造成系統(tǒng)的振蕩，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。查閱大量資料后，在常規(guī)PID控制中引入不完全微分可以很好地解決這一問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。對(duì)比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，不完全微分控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量等方面比常規(guī)控制低，因此采用不完全微分PID控制能降低誤差，可以很好地消除偏差，加快系統(tǒng)響應(yīng)，達(dá)到更好的控制效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以智能小車(chē)為載體，結(jié)合PID控制理論、PWM控制調(diào)速和圖象識(shí)別等技術(shù)，對(duì)智能車(chē)循跡做出簡(jiǎn)要分析。并針對(duì)不同復(fù)雜路徑，結(jié)合實(shí)際測(cè)試做出相應(yīng)的處理，以?xún)?yōu)化循跡效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]金以慧.過(guò)程控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]任彥碩.自動(dòng)控制原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007.