摄像头循迹智能平衡小车

摄像头循迹智能平衡小车

付国栋，胡健军，王杰

（哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨黑龙江 150001）

摘要：摄像头循迹智能平衡小车是使用MK60DN512ZVLQ10微处理器和CCD摄像头配合来实现在跑道上的自动循迹，识别黑白线，直道和弯道的加减速行驶。小车是机械系统与硬件系统配合软件系统实现运行的复杂整体，硬件系统有电源管理模块，最小控制系统模块，图像采集识别处理模块，陀螺仪加速度计角度测量模块，电机驱动模块，编码器测速模块；软件系统包括小车的直立平衡控制，速度与方向的PID控制，角度测量的卡尔曼互补滤波算法，信息（赛道图像，车轮转速）采集程序；机械系统方面，各模块的安装，优化改进也是摄像头循迹智能平衡小车平稳运行的关键部分。

关键词：MK60DN512ZVLQ10微处理器，图像采集识别处理，PID控制，卡尔曼互补滤波

Smart balanced car of tracking by camera

FU Guodong, HU Jian jun, WANG Jie

（College of Automation, Harbin Engineering University , Harbin, Heilongjiang 150001）Abstract: Smart balanced car of tracking by camera realizes automatic track in runway, recognizes black and white line, acceleration and deceleration of speed by using microprocessor MK60DN512ZVLQ10 and CCD camera. Smart car is a complex system concluding mechanical system, hardware system and software system; the hardware system has power module, minimum control system, the module of gathering, recognizing and processing image, the module of measuring angle by gyroscope and accelerometer, the module of driving motor, the module of measuring speed by encoder; the software system is composed of upright and balanced control’s procedure, speed and direction’s PID control’s procedure, kalmen complementary filtering algorithms, and procedure of gathering information like the runway’s image and the wheel’s speed. And every module’s installation, optimizing and improvement in mechanical system is also a key part that makes smart car move stably.

Key words:Microprocessor MK60DN512ZVLQ10, gathering, Recognizing and processing of image, PID control, Kalmen complementary filtering

1.引言

全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛活动赛。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不小于45cm的白色面板，赛道两侧边沿有宽为25mm的连续黑线作为引导线。参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。本文结合我们小组参与“飞思卡尔”智能车的竞赛经历，讲述了摄像头循迹的智能平衡小车系统整体设计，制作及实现的整个过程，旨在探索实现小车平稳运行的更加合理稳定的机械结构，硬件电路和算法程序。

2.总体设计

MK60DN256ZVLL10微处理器通过采集CCD摄像头的硬件二值化信号，获得小车赛道边缘信息；通过采集陀螺仪加速度计姿态传感器的信号，经过互补滤波后，实时获得小车的倾角；通过光电编码器脉冲计数后，获得小车速度数据。通过微处理器对赛道图像的处理，对小车速度和方向的PID控制，最后输出PWM波控制直流电机，实现小车的平衡，转向，速度控制和智能循迹。在调试过程中，通过无线传输模块和上位机，获得小车倾角等状态数据。

3.机械结构

智能小车的控制是在合理的机械结构基础上实现的，良好的机械结构才能保证小车系统的稳定性和适应性，对平衡小车，机械要求更高。因此在设计小车硬件，软件系统之前，应对小车的整体结构有清晰的认识，分析结构特点，结合数学模型改善小车的结构。

3.1车模的调整

1)车轮啮合调整。齿轮传动部分安装位置不恰当，会增大电机的驱动负载，影响小车的速度。调整原则：两传动齿轮的轴间保持平行，齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧则增大电机的阻力，因此合适的啮合度至关重要，实际测试在70%左右。

2）在赛道中设置有坡道，因此摄像头的安装位置不能过低，过低会造成信息采集的丢失。安装位置过高，在弯度比较大的赛道，会使小车受的离心力比较大，容易冲出赛道。调整方法：改变小车的倾角，在45度左右，降低小车的重心，增大小车过弯道时的稳定性。同时我们采用碳纤板固定在小车的底板上，增大了小车的刚性，使摄像头的安装位置在小车运动过程中不会与小车底板产生相对位移，增加了图像采集信息的准确性。

3.2陀螺仪加速度计的安装

陀螺仪使用ENC-01，加速度计使用MMA7361，它们是表贴的元件，固定在同一块电路板上。将这块带有陀螺仪加速度计的电路板固定在整个小车的质心位置，可以最大程度减小车模运行时前后振动对小车倾角测量的影响。安装角度传感器电路板上应保持陀螺仪水平安装。因为在小车在弯道运行时，同时存在转动和平动，陀螺仪安装位置不是水平，转动就会在陀螺仪的Z轴方向产生分量，影响小车的运行速度。