基于摄像头寻迹的智能电动车的设计

ＺＨＯＮＧ Ｈａｎ—ｒｎｌ。ＬＩＵ Ｈｕｉ－ｊｉｅｌ。ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎ—ｂａ０２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ；
收稿日期；２００８一０８—２８ 基金项目：青岛大学青年科研基金资助（ＱＤＤＸ一０６—６９） 《机械与电子｝２００９（２）
的工程应用价值。在本系统中，通过对智能车的车 速和转向进行控制，使小车能够在白色背景的场地 上，沿着黑色带状的引导线行驶。
１ 系统总体方案
系统以飞思卡尔公司的１６位单片机 ＭＣ９Ｓ１２ＤＧｌ２８Ｂ作为控制单元，主要由电源管理模 块、检测模块、控制模块和动力驱动模块构成。其中 检测模块包括路径识别单元和速度检测单元；而动 力驱动模块则包括电机驱动单元和转向舵机控制单 元。系统的结构框图如图１所示。
《机械与电子｝２００９（２）
图５主程序流程
出某列的上边缘，则在该位置附近寻找下一列的上 边缘，“跟踪”边缘检测算法始终跟踪在每列上边缘 的附近，去寻找下一列的上边缘。这样就大大减少 了系统采样的时间，提高了运动执行效率。 ３．２速度ＰＩＤ控制算法
通过旋转编码器可以实现智能车的速度采样， 通过计算能够得到小车当前的运动速度，进行闭环 ＰＩＤ速度控制，通过速度反馈可以快速、有效的调节 ＰＷＭ的占空比，使小车迅速跟踪目标速度。根据 路径识别的特点，如果当前路径为直道，则需要加 速；若是弯道，则需要降速，而且根据不同的弯道路 况，速度控制也是有所区别。为了尽量提高车速，采 用直道上设置最高目标速度，接近弯道开始减速，转 入弯道就将车速调整到过弯极限速度，如果高速人 弯则需要电机反转制动进行刹车，在将要出弯时提 前加速，保证电机转速是一个渐变过程。系统利用 测速模块反馈的当前速度值，通过增量式ＰＩＤ算法 进行调节，从而控制直流电机能对当前路径进行快 速寻迹。增量式ＰＩＤ的算式为：
图２同步信号分离电路 如图２所示的电路，将行同步信号和奇偶场信 号输入到单片机中断，而视频信号不经过电容滤波 直接输入到单片机的Ａ／Ｄ转换口。当中断被触发 后，Ａ／Ｄ转换器开始工作，将代表图像灰度的电压 信号转化为数字信号并被单片机存储。 ２．２ 电机驱动电路的设计 电机驱动模块采用电机驱动芯片ＭＣ３３８８６，它 内部有２路Ｈ桥，分别由２路ＰＷＭ信号控制，通 过ＰＷＭ实现对电机的调速，完成电动车的前进、制 动和停止。ＭＣ３３８８６持续工作时最大输出电流为 ５ Ａ，并将最大电流限制在８ Ａ，当电流超过８ Ａ的 时候，ＭＣ３３８８６会自动将输出口置为高阻态。而电 机额定电压下堵转电流为１６．７２ Ａ，远远超出了 ＭＣ３３８８６的驱动能力。在小车调速的过程中，需要 快速的启动和制动，经常导致ＭＣ３３８８６过热，甚至 烧毁ＭＣ３３８８６芯片。为了避免ＭＣ３３８８６被烧毁， 在硬件上可以采用多片并联的方式。
图１系统的结构框图 控制模块是系统的核心，它接收摄像头和测速 单元采集的数据，进行数据处理，形成合适的控制策 略，驱动舵机和电机，实现智能车的方向控制和速度 控制。路径识别单元由摄像头、视频分离电路和Ａ／ Ｄ转换器构成，它采集路径信息，并进行信息转换， 获得单片机能够识别的数据信息。速度检测模块使 用旋转编码器测速，并进行速度反馈，形成闭环控制 系统。动力驱动模块包括舵机模块和电机模块，分 别实现智能车的转向控制和速度控制。电源管理模 块由几路相互独立的稳压电源构成，为各个模块提 供需要的电压环境。
为供电电源，由于硬件电路中各模块所需要的工作 电压有所不同，因此电源管理模块由几路相互独立 的稳压电路组成，本系统主要用到的几种不同的电 压环境如表１所示。
表１ 系统使用的电压环境
单片机系统、电机驱动模块和测速模块需要使 用５ Ｖ的电源电压，而舵机需要６ Ｖ的电源电压，这 两路独立的电源设计通过ＬＭ２９４０和ＬＭｌｌｌ７低 压差稳压芯片实现，ＬＭ２９４０具有大电流、低功耗、 电路简单可靠的优点。而ＬＭｌｌｌ７是低压差电压 调节器，其压差在１．２ Ｖ输出。内部提供过热、过流
Ａｕ（ｋ）一ＫＰ［Ｐ（忌）一ｅ（ｋ一１）］＋ＫＪｇ（志）＋ ＫＤ［Ｐ（是）一２ｅ（ｋ一１）＋ｅ（ｋ一２）］
４ 结束语
路径识别是实现智能车自主沿赛道行驶的信息 基础，获得距离远而精确的赛道信息是提高智能车 运行速度的关键。本系统使用ＣＣＤ摄像头作为路 径识别元件，具有较好的快速性、前瞻性，能够感知 智能车前方更远距离的赛道变化，提取有效信息，从 而为智能车快速、平稳的前进、转弯以及制动控制提 供更好的判断依据。系统以飞思卡尔公司的Ｓ１２单 片机作为主控单元，小型直流电机作为驱动元件，使 用舵机进行方向驱动，并通过旋转编码器测速，实现
２．Ｃｈｕｎ—Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｏｓｈａｎ ５２８３００，Ｃｈｉｎａ）
摘要：通过一个设计实例，在全电动注塑机的人 机界面中实现了注塑机工艺执行按键和标准双重输 入键盘。给出了涉及到的单片机外围接１：２电路的设 计，采用了串口、ＰＳ／２口和行列式键盘等以及相关 的通讯协议，最后给出了软件设计方法。
《机械与电子））２００９（２）
万方数据
保护，静态功耗为４ ｍＡ，最大输出电流为１ Ａ，完全 能够满足舵机所需要的电压和电流。电源电路的设 计如图３和图４所示。
ＬＭ２
图３ ５ Ｖ供电电源的设计电路
Ｄ３
图４ ６ Ｖ供电电源的设计电路 ＣＣＤ摄像头需要使用９ Ｖ的电源供电，使用 ＤＣ—ＤＣ升压芯片Ｂ０５０９５—２Ｗ，得到一路９ Ｖ的 电源。 电源管理模块为系统其它各个模块提供所需要 的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电流容量 等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声及 防止干扰等方面进行优化。可靠的电源方案是整个 硬件电路稳定可靠运行的基础。
基于摄像头寻迹的智能电动车的设计
马艳，徐淑华，周建舂 （青岛大学自动化工程学院，山东青岛２６６０７１）
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃａｍｅｒａ ＭＡ Ｙａｌｌ．ＸＵ Ｓｈｕ—ｈｕａ，ＺＨＯＵ Ｊｉａｎ—ｃｈｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０７１，Ｃｈｉｎａ）
３ 系统的算法设计
系统的控制软件采用模块化程序结构，根据功 能要求，系统程序主要包括系统初始化程序、图像采 集数据的处理程序和ＰＩＤ速度控制程序等。主程 序的流程如图５所示。 ３．１ 图像信号采集算法
采用跟踪边缘检测的算法，设计的基本思路是 寻找出目标引导线的上边缘，采用上边缘的位置代 表目标指引线的位置。因为实际的路径指引线是连 续的，所以相邻两列的上边缘点比较接近。跟踪边 缘检测正是利用了这一特性，实现方法为：当已寻找
旋转编码器每旋转一周输出３６０个脉冲，通过 单片机的外部中断来记录编码器输出的脉冲数，ｚ， 并将脉冲数累加。测量智能车的车轮直径Ｄ，则可
以得到电动车经过的路程为Ｓ＝羔兀Ｄ，运动的速 Ｌ）ＵＵ
度为＂＝而７／７ｃＤ，Ｔ为智能车运动的时间。 ｏＵＵ Ｊ
２．４ 电源管理模块的设计 系统使用７．２ Ｖ，２ Ａ／ｈ的可充电镍镉电池作
２ 系统的硬件设计
２．１ 路径识别模块的设计 系统采用３２０线的线阵型ＣＣＤ摄像头作为寻
迹传感器，它以隔行扫描的方式采集图像上的点，当 扫描到某点时，通过图像传感芯片将该点处图像的
· ２】 ·
万方数据
灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将该电 压值通过视频信号端输出。当扫描完一行时，视频 信号端输出一个低于最低视频信号电压的电平，即 行同步脉冲，它是扫描换行的标志。
摄像头输出的ＰＡＬ制式模拟信号必须经过视 频分离电路分离后，才能得到单片机可以处理的图 像采集信息，本系统使用ＬＭｌ８８１视频同步分离集 成块来分别获取奇场同步信号、偶场同步信号和行 同步信号，并将此同步信号连接到单片机的中断输 入端口，ＰＨ口。ＭＣ９Ｓ１２单片机端口资源配置为：
ＡＤ标准电平引脚接５Ｖ电压；ＡＤ输入端口 ＰＡＤｏ，用于输入视频模拟信号；ＰＨ口中断，使用引 脚ＰＨ０端口，用来接收奇偶场同步信号；ＩＲＱ中断， 使用引脚ＰＥ０端口，用来接收行同步信号。同步信 号分离电路如图２所示。
关键词：键盘；单片机；全电动注塑机 中图分类号：ＴＰ３６８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２２５７（２００９）０２—００２４—０３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａ— ｐｅｒ ｒｅａｌｉｚｅｓ ａ ｄｏｕｂｌｅ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｋｅｙ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄ ｋｅｙｂｏａｒｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ——ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒ·－ ｆａｃｅ ｏｆ ａｌｌ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉＮ ｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ． Ｇｉｖｅｎ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｅｘｔｅｒｎａｌ ＭＣＵ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
· ２３ ·
万方数据
用单片机进行全电动注塑机键盘的改装设计
钟汉如１，刘辉杰１，张贤宝２ （１．华南Ａ－Ｔ－大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０；２．震德塑料机械有限公司，广东佛山５２８３００）
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｋｅｙｂｏａｒｄ ｉｎ Ａｌｌ——ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ ｏｎ ＰＩＣ ＭＣＵ
ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｒｏｔａｒｙ ｅｎｃｏｄｅｒ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ， ｆｅｅｄｉｎｇ ｂａｃｋ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗｉｔｈ ＰＩＤ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ＣＣＤ ｃａｍｅｒａ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｕｔｏ—ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｔｒａｃｅ，ａｎｄ ａ— ｃｈｉｅｖｅ ｔｒａｃｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｖｉｄｅｏ ｓａｍｐｌｅ。Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ ａｆｔｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙ．
· ２２·
系统采用２片ＭＣ３３８８６并联驱动的设计方案， 并且外加散热片。通过电机驱动电路实现基本的加 减速控制和反转制动控制，在最大速度运行时，芯片 只是微热。当智能车在直道上的行驶时速度比较 快，由直道进入弯道时，由于电机转动的惯性，很难 实现迅速减速，容易使小车冲出场地，通过调节 ＭＣ３３８８６的２路Ｈ桥的ＰＷＭ占空比，实现反转制 动，使小车具有更好的减速性能，配合速度反馈可以 使小车的速度得到有效控制，实现正确的寻迹行驶。 ２．３测速模块的设计
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏ ｓａｍｐｌｅ；ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅａｒｎｅｒ— ａ；ａｕｔｏ—ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｔｒａｃｋ
０ 引言
智能电动车系统以智能汽车作为研究背景，集 环境感知、规划决策和自动行驶等功能于一体，运用 了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电 气、计算机和机械等多个学科的综合知识，具有一定
摘要：系统采用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的１６位单片机 ＭＣ９Ｓ１２ＤＧｌ２８Ｂ作为主控单元，小型直流电机作为 驱动元件，使用舵机控制智能车的转向。通过增量 式旋转编码器测速，构成带速度反馈的伺服控制系 统。系统以ＣＣＤ摄像头作为路径识别装置，通过图 像识别提取路径信息。利用增量式ＰＩＤ算法进行 速度调节。经过测试证明：系统能很好地完成路径 识别，具有良好的抗干扰性。
关键词：视频采样；速度控制；摄像头；轨迹识别 中图分类号：ＴＰ２７１．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２２５７（２００９）０２—００２１一０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ ｍｉｃｒｏ— ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＭＣ９Ｓ１２ＤＧｌ２８Ｂ ａｓ ａ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＣ ｍｏｔｏｒ ａｓ ｄｒｉｖｅｒ．Ａｓ ａ ｓｅｒｖｏｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｕｓｉｎｇ
系统采用分辨率为３６０脉冲／转的增量式旋转 编码器实现测速的功能，增量式旋转编码器内部有 ２个光敏接受管，用来转化其码盘的时序和相位关 系，从而得到码盘上角度位移的增加值（正方向）或 减少值（负方向）。本系统中将旋转编码器固定在电 动车的后轮上，通过皮带传送的方式跟随后轮一起 转动，记录驱动轮转过的圈数，从而计算出电动车的 速度，并将速度反馈给单片机，实现闭环控制。