智能车自主导航系统设计

李少兵　张强　张美玲

摘 要：本设计是一种基于摄像头的智能车自主导航系统，采用飞思卡尔公司的S12XS128单片机为控制核心，主要由电源模块，电机驱動模块，摄像头，舵机，以及反馈控制模块构成，实验表明，智能小车能很好地识别赛道信息，并作出判断，实现了自主转弯，过障碍等功能。

关键词：智能汽车；自主导航；单片机；自主转弯；过障碍

智能小车是一结合了很多学科的综合的制作，它包括了虚拟智能、机械设计、高等数学、信号处理、传感器技术、电路设计、C语言、单片机、自动控制原理等学科。本设计采用摄像头作为采集信号的模块，微处理器接收处理信号，并把这个处理过的信号作为小车导航的依据，来控制小车转弯、前进、停止、加速等，从而实现小车在环境较简单的情况下的自主导航。

1 方案论证

1.1 加固车模底盘，使之成为刚体，可以有效减少小车在行驶时产生的震动以及震动对摄像头的影响。

1.2 小车在转弯，过障碍时容易发生侧翻，可以适当降低小车底盘，增加其可控性，防止侧翻发生。

1.3 测试赛道比较平坦，光滑，小车在直的长赛道上行驶时，易冲出赛道，可以在车轮上套上防滑套，来减少因速度快造成的轮胎磨损，增加轮胎的抓地性能，从而提高小车的操控性，同时使马力能更好的传到地面驱动小车加速。

1.4 电机驱动模块是智能小车重要的模块之一，需要性能稳定、可靠性高、散热性好等特点，所以采用BTN7971芯片作为电机驱动芯片。并且该芯片具有自我保护能力，抗电子干扰能力强，且对环境的适应能力较强，加速过程快等优点[1]。

1.5 智能车系统采用7.2V2000mAhNi-cd蓄电池进行供电，但各个模块所需要的电压不同，因此需要进行电压调节。7.2V直接为BTN7971供电，使用LM7806（6V）将7.2V稳压成6V后给舵机供电，用LM2940（5V）分别为单片机、摄像头编码器供电。

1.6 智能车的转向控制是关键的技术之一，转向性能的好坏和转向控制的适当与否对智能小车的速度及稳定性有很大的影响。舵机本身是一个随动系统，影响舵机控制性能的一个重要参数是舵机的响应速度，而舵机的响应速度直接影响智能车通过弯道的最高速度，适当地提高舵机的工作电压可以提高舵机的响应速度，把舵机改装在两个转向轮中间，以此来减小响应时间，根据杠杆原理加长力臂，来增加舵机的扭转能力，提高了小车的转向控制速度[2]。

1.7 摄像头是路径检测器件，是智能小车系统的信号输入模块，主要检测的是赛道相对于智能小车的偏移量、方向、曲率等信息，这些信息是小车自主沿赛道运行的信息基础，获得更多、更远、更精确的赛道信息是提高车模运行速度的关键。所以说路径识别系统的好坏，直接关系到最终性能的优劣。使用摄像头检测方式的最大优点是：检测的前瞻范围比较宽，可以比较快地检测到转弯等路面信息，以便提早做出转弯、刹车等操作，有利于速度的提高[3]。但是摄像头的选取必须慎重，既要保证图像质量好，满足后续处理和赛道识别的要求，目前是市场上主要有两种摄像头，CCD模拟摄像头和CMOS数字摄像头，CCD模拟摄像头的优点是灵敏度高，即使高速运行也可以获得清晰的图像，但是缺点是成本高、功耗大、重量大、需要12V供电。CMOS数字摄像头的优点是体积小、重量轻、功耗低，5V即可正常工作，内部集成了A/D转换电路，直接输出数字信号，因此使用非常方便，电路要求简单，价格便宜。单片机的I/O口可以直接接受的是数字信号，模拟信号要经过处理成数字信号后单片机才能使用，所以想要使用CCD模拟摄像头需要自己搭建整理模拟信号的电路，这加大了制作智能车的难度，但是用CMOS数字摄像头在小车高速运行时，动态性能较差，容易出现图像模糊。基于XS128单片机的处理能力，摄像头不是分辨率越高越好，综合考虑之后选择CMOS数字摄像头。

在摄像头的安装上，选择了四个自由度的安装，可以更加灵活地对摄像头的角度进行调整。

摄像头除了高度和选型之外，位置也很重要。后置主要问题是转弯时过程滞后，而前置的主要问题是由于车身抖动，造成成像模糊，综合考虑之后，把摄像头放在中间靠前的位置，既可以减少震动造成的影响，又可以解决转弯滞后问题。

摄像头支架选用碳纤维管，具有质地轻，刚性大，直径小，坚固等优点。支架底部采用上下双重固定方法，这样固定不仅牢固，更减轻了电机转动带来的震动干扰。

1.8 在智能小车的设计中，有一个模块必不可少就是光电编码器，光电编码器通过计算单位时间内编码输出的脉冲来计算出小车的速度，这样把这个速度反馈给主处理器，主处理器就对小车的实时速度有了检测，这样更有利于控制小车速度。

2 软件部分

系统由中断采集程序对摄像头传回的图像进行采集，然后单片机对传回来的图像进行处理、判断、计算得到控制参数，再用控制参数去控制舵机和电机，来实现转弯、加速、减速、停止等功能。

小车在行驶过程中分为直道、弯道、交叉口等，由于摄像头传回的数据很大，而且传输的很快，单片机在有限的频率下无法采集所有数据，因此只能有选择的选取图像。得到一场视频信号后，单片机从中提取黑线，并通过限幅滤波算法判断黑线的偏差值。不同的路况摄像头所采集的图像的有效行数和偏差值是不同的，在过弯道时，有效值会减小，偏差值会增大，这样就可以利用有效行和偏差值来控制小车的速度和方向。

3 测试与结果

小车的机械结构对小车整体性能影响很大，需反复调试小车的机械结构才能找到合适的解决方案，小车在直道上行驶时，小车加速明显，当摄像头检测到前方有弯道时，小车立即减速，然后通过弯道。切换小车速度，提高PWM占空比，小车行驶时可以明显看见小车提速，再接近弯道时小车减速，然后顺利通过弯道。

参考文献

[1]O'Reilly.爱上制作（第二期）[M].人民邮电出版社，2011.

[2]摄像头组-安徽工业大学-D-I队技术报告[R].

[3]蔡述庭.飞思卡尔杯智能汽车竞赛设计与实践[M].北京航空航天出版社，2012.