基于嵌入式系统的全自动控制小车设计与研究

孙小淋　周冬梅

摘要：全自动控制小车可应用于工业、生活、勘探以及航天探月等场合，具有非常实际的研究意义。介绍了智能小车测控系统的结构和软硬件实现，系统实现了通过对摄像头图像复杂的处理，分析路面的情况，实现寻轨自动行驶；文章完成了一个基于嵌入式系统的全自动控制小车样机，具有产品开发的实际应用价值。

关键词：嵌入式 模拟摄像头 道路识别 自动驾驶

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0110-01

近年来，随着智能交通、人工智能以及控制技术的发展，智能车辆的研究在智能交通领域已成为热门课题。文章设计的小车由飞思卡尔公司的Cortex-M4处理器MK60DN512ZVL为系统数据处理和系统控制核心，Sony CCD模拟摄像头对道路实时图像采集，欧姆龙对小车速速实时检测。最后在赛道上对小车进行测验并评估。

1 系统概述

基于嵌入式系统的全自动控制小车采用嵌入式微处理器构成小车的全自动控制系统，通过将摄像头采集的数据进行算法分析（图像处理）解析赛道的情况参数，将参数通过PID算法转换为电机和舵机的转动参数，进而控制小车的行驶方式[1]。系统方案设计框图如图1。

2 主模块电路设计

2.1 嵌入式最小系统模块电路

MK60DN512ZVL系列单片机具有丰富的外围资源；最小系统有功耗低性能高和强大的处理能力的特点。

（1）K60最小系统电路用于信号处理和小车控制；

（2）JTAG接口用于调试和下载程序；

（3）ARM工作需要3.3V电压同时接入磁珠，增强电路抗干扰能力。

2.2 无线传输模块电路

无线传输采用蓝牙设备，它具有高灵敏性接收、低成本、体积小巧、低功耗、传输稳定可靠的优点。此模块电路是一个可插拔的独立模块，只需两个数据接口与单片机相连就可通信。

2.3 电机驱动电路

NovalithIC家族有三个独立的芯片，BTS7971是其中之一。一是具有高电位场效应晶体管的p型通道；二是具有低电位场效应晶体管的n型通道，它与驱动晶片作用，共同形成一个完全整合的高电流半桥；这三个芯片是安装在一个共同的引线框。

2.4 图像二值化电路

LM1881是经典视频信号的同步分离芯片，为视频信号的处理提供了极大的方便。视频图像经视频分离芯片LM1881将视频信号分为场中断、行中断、图像信号后，图像信号经LM393与参考信号比较，将灰阶图像转换为黑白信号，可通过手动调节调节比较的阀值[2]。

2.5 光电编码器模块

光电编码器安装在主驱动齿轮上，是通过将旋转的机械位移量转换为电气信号，然后再对该信号进行相应的处理得到位置速度，编码器特点如下：

（1）根据轴的输出位移的变化，再与联合器和轴想作用可以检测出旋转位移量。

（2）开始时，原点不需要重置。在对型时，将旋转角度亿绝对数值的方式平行输出。

（3）可以检测旋转方向。增量型通过A相和B相的输出时间，绝对型通过增删代码来确定旋转方向。

3 智能小车调试

3.1 舵机和电机控制

要让小车安全行驶，采用了电机和舵机控制速度。电机的控制，使用的是增量式PID，它由微积分和比例量组成。系统对各路信号采样，由此得到输出量化值；通过调整PID参数以适应各种情形的需要，使系统的响应性达到最高，以保证最佳的控制性能。

舵机的控制采用的是位置式PID算法。对于舵机控制量的提取，首先需要图像处理计算出来的中心的数据。将图像的每行的中线数据与动态参考值相减，将值累加后，带入到PID算法中计算，将计算出来的结果装换为控制舵机的PWM波的占空比从而控制舵机的转舵大小。

PID控制主要是调整参数。智能车参数系统是高耦合分布的，而且赛道具体环境也具有影响力，那么就很难对智能车运动控制做到精确的控制；由于要经常的不断修正车身的机械结构，模型参数也要不断地变化，在这里采用的是工程整定方法。

3.2 道路形状识别算法调试

（1）直道的识别：采样是根据等间隔采样。从直线的特性可以看出，不论横纵坐标，直线的中心点都应该等于起点和终点的一半。即使扫描到的图像出现误差，计算出的弯曲程度也会是一个很小的数。

（2）大弯的识别：我们可以通过计算道路弯曲程度得出道路的弯曲的方向。如果挨着车的道路是直线，而远离车的道路沿着一个方向弯曲，且弯曲程度非常小小，就可以判断为大弯。

（3）急弯的识别：计算出道路中每段的弯曲程度，如果靠近车的道路的弯曲程度都非常小，在远离车的道路的弯曲程度都非常大，而且他们的弯曲方向都是一样的，那么就可以判断为急弯。

（4）大S弯识别：这种路形大部分路段的弯曲程度都非常大，但在两弯相交处也会出现弯曲程度比较小的情况，而且它有一个很明显的特点就是弯曲程度正负都包含很大的数。

（5）小S弯识别：小S型弯与大S型非常类似，唯一不同的之处就是小S型道弯曲程度的绝对值都是一些适中的数。

4 结语

文章把电路划分为几个模块进行设计，主要对嵌入式最小系统模块电路、系统电源电路、无线传输模块电路、电机驱动电路、图像二值化电路电路、光电编码器模块电路等电路进行实物的设计。

参考文献

[1]臧春华，邵杰，魏小龙.综合电子系统设计与实践[M].北京航空航天大学出版社，2009.

[2]李鹏博.基于视频的自动巡航智能小车的设计与实现[J].河北工程大学学报（自然科学版），2012.