蔣怡安 黃亞河 宋妍

摘要：隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，智慧車輛應(yīng)用十分廣泛，從自行驅(qū)動車輛到盲人外出引導(dǎo)車，從現(xiàn)代化貨物運送車到電動行駛故障檢查車，從車隊內(nèi)的機(jī)動運送車到無人運輸車。本文旨在利用國產(chǎn)MCU沁恒設(shè)計制作一款通過攝像頭精準(zhǔn)循跡的小車，安裝在車身前端的攝像頭傳感器，可以收集道路信息并將其發(fā)送至核心控制系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理。利用PID算法計算PWM信號傳輸給小車的電機(jī)，使小車按照正確的軌跡前進(jìn)。此外，編碼器和陀螺儀實時反饋小車的速度和狀態(tài)，從而實現(xiàn)對小車運動速度和方向的閉環(huán)控制，使小車能在道路上高速行駛。經(jīng)實際調(diào)試，該智能小車可實現(xiàn)圖像傳輸、自動循跡等一系列車輛智能化功能。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)MCU沁恒；PID控制；圖像處理

一、智能巡跡小車結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能循跡小車采用沁恒CH32V307VCT6作為微控制器，將MT9V034總鉆風(fēng)攝像頭作為道路信息收集的傳感器，將收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給主控MCU，經(jīng)過二值化處理，將圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖片，并利用梯度算法確定左右邊界，作為車輛行駛的路徑，以此實現(xiàn)智慧車輛的自動控制。對道路偏差進(jìn)行PID計算，可以得出調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM波占空比，以此改變車輛的運動速度，及時對道路進(jìn)行響應(yīng)。如此，在不同的路段，如彎道、環(huán)島路段或三岔路段時，可以借助陀螺儀數(shù)據(jù)輔助圖像識別技術(shù)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎或穩(wěn)定、快速通過。CH32智能小車基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、硬件電路設(shè)計

（一）主控模塊

CH32V307VCT6是基于32位RISC–V架構(gòu)設(shè)計的互聯(lián)型微控制器，它具有智能硬件堆棧區(qū)和高速電源中斷入口，在很大程度上可以提高電源暫停應(yīng)答速率，供電電壓覆蓋范圍為2.7～5.5V，工作溫度

區(qū)域為–40℃～85℃ ，內(nèi)置RTC、12位ADC轉(zhuǎn)換模塊、7個定時器、8個標(biāo)準(zhǔn)通信接口等模組，為控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的支撐，使其能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運行，滿足項目需求。

（二）電機(jī)及其驅(qū)動模塊

將RS–380型號的直流電機(jī)作為電機(jī)模塊，擁有較好的控制響應(yīng)能力，可產(chǎn)生較大的扭矩，從而帶動負(fù)荷運轉(zhuǎn)，還能根據(jù)控制信號迅速進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

此型號的電機(jī)有主要有以下幾點優(yōu)勢。

出色的轉(zhuǎn)矩性能，可以有效抵消傳動裝置帶來的摩擦力和負(fù)載力，從而提高運行效率；較大的速度調(diào)節(jié)范圍，速度調(diào)節(jié)曲線較為穩(wěn)定；調(diào)速信號反應(yīng)快，對復(fù)雜的調(diào)節(jié)信號響應(yīng)較好；能夠較長時間處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會燒毀。

DRV8701模塊是一款具有四個外部N通道MOS的單路H橋柵極驅(qū)動模塊，它可以有效控制12～24V直流系統(tǒng)，從而提供更高的性能和可靠性。

驅(qū)動模塊的特性直接決定智能車速度控制系統(tǒng)的上限，一款優(yōu)秀的驅(qū)動模塊是智能車高速、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。DRV8701型號的特性，如5.9～45V工作電壓范圍；無須外部電路升壓，智能車主板上留出升壓模塊的空間。具體的控制邏輯：該模塊需要一路PWM和一路IO控制一個有刷直流電機(jī)，當(dāng)對應(yīng)的單片機(jī)IO口輸出高電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，此時單片機(jī)對應(yīng)的PWM口輸出占空比，占空比越大，提供給電機(jī)的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之越慢。當(dāng)對應(yīng)的單片機(jī)IO口輸出低電平時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時PWM口仍起到控制轉(zhuǎn)速的作用。該驅(qū)動模塊能夠很好地滿足項目需求。

（三）攝像頭模塊

采用基于MT9V034芯片設(shè)計的總鉆風(fēng)攝像頭，可以在高速環(huán)境下實現(xiàn)全局快門拍攝，從而獲得更加清晰的圖像。

智能車在高速行駛時，采用全局快門技術(shù)，攝像頭捕捉的圖像不會失真，保證圖像的完整性。此外，還有其他優(yōu)點，如高動態(tài)范圍（HDR）能在顯示全部動態(tài)視角的同時保證畫面既不太暗又不會過度曝光。自動曝光功能根據(jù)環(huán)境的亮度自動調(diào)整曝光時間，適應(yīng)不同的環(huán)境，還可以以手動曝光的方式調(diào)整曝光時間，使圖像更利于算法的處理。當(dāng)智能車輛在高速運行時，路況瞬息萬變，需要攝像頭模塊較快的處理時間，及時反映路況，而總鉆風(fēng)模塊提取一幀圖像在3.5ms左右，完全可以滿足要求。路況的變化復(fù)雜多樣，總鉆風(fēng)攝像頭模塊直接輸出灰度圖像，最大限度還原真實路況，其中包含足夠多的原始信息，便于處理。

在安裝攝像頭時，首先要調(diào)整攝像頭的角度，使拍攝的畫面清晰且賽道圖像內(nèi)容盡可能多，選定角度后使用熱熔膠固定牢固，防止因碰撞導(dǎo)致攝像頭角度變化。粘牢固后，調(diào)試鏡頭的焦距，使灰度圖像更清晰。為了減少場地反光，還可以加上偏振片，它允許通過偏振化方向的光，屏蔽來自與之垂直的光，在一定程度上削弱反光的影響，減少圖像的噪點。

（四）編碼器模塊

Mini512線增量式編碼器是一種用于檢測智能車輛實時速度的高精度設(shè)備。它由LSB相、Dir相和Z相三部分組成，LSB相負(fù)責(zé)輸出脈沖數(shù)，Dir相表示正反轉(zhuǎn)方向，Z相是單圈波形，每圈只會出現(xiàn)一次脈沖。地面摩擦力、電機(jī)轉(zhuǎn)軸摩擦力等因素可能導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)定值有較大的出入，編碼器是速度閉環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)，智能車輛能否按理想的速度行駛須由編碼器測速進(jìn)行反饋。

編碼器換算速度的公式：

V = [（X4/X3）×（X2/X1）]×X0/X5

式中X0? ——車模輪子周長；

X1——車模齒輪的齒數(shù)；

X2——編碼器齒輪的齒數(shù)；

X3——編碼器的線數(shù)；

X4——ENC 讀到數(shù)據(jù)；

X5——ENC 讀取時間間隔。

即

速度=[（總脈沖數(shù)/編碼器線數(shù)）×編碼器齒數(shù)/車模齒數(shù)]×輪周長/脈沖讀取時間

編碼器讀取的脈沖數(shù)不僅可以用于速度的輸入和輸出，還可以根據(jù)單位路程讀取的脈沖數(shù)進(jìn)行積分得出行駛的總路程。首先，要獲得行駛單位距離的脈沖數(shù)，通過開啟定時器，讓小車在規(guī)定時間內(nèi)用正常速度行駛一段距離，然后根據(jù)“單位距離的脈沖數(shù)=實際距離/脈沖積分”計算出單位距離的脈沖數(shù)。在5ms定時器中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)讀取一次編碼器的脈沖時，計算“5ms行進(jìn)的路程=5ms的脈沖積分/單位距離的脈沖數(shù)”，得到瞬時路程。

（五）陀螺儀模塊

MPU6050為六軸運動處理傳感器，集成三軸微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-Electro- Mechanical system，MEMS）陀螺儀和三軸加速度計，可以測量X、Y、Z這三個軸的角速度和加速度。

陀螺儀通過IIC總線與MCU相連，將測出的角速度和加速度傳遞給MCU。MCU主要通過對Z軸角速度進(jìn)行積分得到小車的偏航角（Yaw），進(jìn)而控制車輛在賽道中的姿態(tài)。陀螺儀電路原理如圖2所示。

在MCU的5ms定時器中斷中，利用以下公式進(jìn)行Yaw角度的計算：

Yaw = Yaw + 0.005mpu_gyro_z

得出的Yaw角度可以用于小車在元素中的狀態(tài)判斷。

三、軟件設(shè)計

（一）速度控制

小車由車體后方左右兩電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)速度的計算符合以下公式：

左（右）輪速度=直行速度±轉(zhuǎn)向速度

小車的直行速度符合以下公式：

直行速度=基速+控制速度×控制系數(shù)

基速和控制速度由編程人員依據(jù)現(xiàn)場條件給定?？刂葡禂?shù)則由道路圖像可觀測到的最遠(yuǎn)端（圖像前瞻）給定。假設(shè)控制系數(shù)為y，圖像前瞻為x。由以下公式確定y與x的關(guān)系：

y = Ax3 + Bx2 + Cx + D

在圖像前瞻位于0～60，即x取值0～60時，其中參數(shù)A、B、C、D一般符合如下經(jīng)驗：A = 0.0001308；B = –0.01078；C = 0.2964； D = –2.398。

控制系數(shù)與前瞻的數(shù)字關(guān)系如圖3所示。

通過小車運行時的道路前瞻動態(tài)改變控制系數(shù)，進(jìn)而改變最終速度，有利于提高車輛響應(yīng)彎道時的動態(tài)性能。

小車的轉(zhuǎn)向速度由圖像的偏差值結(jié)合位置式PID算法得出。

（二）圖像處理

為了減少圖像處理的復(fù)雜性，采用大津二值化法自動提取灰度圖像的閾值，并將其轉(zhuǎn)換為二值化的形式，以便更好地應(yīng)對不同光照條件下的變化。

1.彎道

在圖像中從兩邊往中間、從下往上搜索黑白跳變點，由此確定道路的左右邊界及中值。當(dāng)處于彎道時，一邊丟線的情況下，道路中值為不丟線，一邊的數(shù)值加或減半路寬，從而控制小車前進(jìn)。

2.環(huán)島路段

環(huán)島路段如圖4所示，以左環(huán)島為例，通過分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)島路段所采集的圖像不同于直道與彎道，左側(cè)出現(xiàn)丟邊的情況。

小車到達(dá)入環(huán)處，通過補(bǔ)出右邊線，小車進(jìn)入圓環(huán)。小車駛?cè)氕h(huán)中，根據(jù)陀螺儀積分角度計算小車入環(huán)情況。當(dāng)角度積分達(dá)到一定數(shù)值，且圖像的特征符合左下丟邊、右下丟邊，則達(dá)到出環(huán)條件。補(bǔ)線的策略是找到右邊界下端的拐點及左邊界上端的點并進(jìn)行連接，得到左邊界。為防止出環(huán)后誤判，在出環(huán)結(jié)束后，用編碼器計算距離，在一定距離內(nèi)不再判斷環(huán)島路段。

3.三叉路段

在正入三岔路段時，以進(jìn)入左側(cè)道路為例，以右下角與左上角補(bǔ)出右邊界，從而進(jìn)入三岔路口。在三岔中小車處于正?？刂?，當(dāng)距離積分達(dá)到一定數(shù)值，并且圖像的特征符合左下白、右上白，則達(dá)到出三岔路段的條件。補(bǔ)線的策略是找到左上角主道路上一點與右下角進(jìn)行連接，補(bǔ)出右邊界。與環(huán)島路段類似，為了防止誤判，在出三岔路段后，用編碼器計算距離，在一定距離內(nèi)不再判斷三岔路段。

四、結(jié)語

綜上所述，智能巡線小車采用CH32V307VCT6最小系統(tǒng)作為控制核心，利用攝像機(jī)頭收集路面數(shù)據(jù)，增量式編碼器監(jiān)測當(dāng)前車速，陀螺儀監(jiān)測車輛運動姿態(tài)，將數(shù)據(jù)傳輸至中心控制器，解析車輛當(dāng)前運行狀況，實現(xiàn)實時監(jiān)控。經(jīng)過合理設(shè)計，這款智能小車可以在彎道、環(huán)島、三岔路等復(fù)雜路況下行駛，并具備高速行駛、實時道路信息采集分析及自動駕駛功能，從而滿足不同路況的需求。

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