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        基于光電導(dǎo)航無(wú)人駕駛智能車(chē)設(shè)計(jì)

        2014-03-16 05:51:30西南科技大學(xué)理學(xué)院
        電子世界 2014年7期
        關(guān)鍵詞:編碼器攝像頭單片機(jī)

        西南科技大學(xué)理學(xué)院 陳 浩 甘 露

        1.研究?jī)?nèi)容

        設(shè)計(jì)一輛具有光電導(dǎo)航功能的智能車(chē),要求在指定賽道上從起點(diǎn)出發(fā),經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)確定的至少5個(gè)十字或丁字路口(包括左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或直行)后,進(jìn)入指定位置的停車(chē)位并停好,結(jié)束后發(fā)出聲光提示。

        2.研究方案

        本方案采用模塊化的設(shè)計(jì)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車(chē)穩(wěn)定及快速的性能,主要由MC9S12XS128控制核心、電源管理模塊、道路識(shí)別模塊、車(chē)速檢測(cè)模塊、舵機(jī)控制單元以及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成。

        本設(shè)計(jì)采用OV7620數(shù)字?jǐn)z像頭采集道路前方的路況信息,轉(zhuǎn)換成圖像之后經(jīng)單片機(jī)分析,驅(qū)動(dòng)舵機(jī)控制單元,實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的功能;利用光電編碼器來(lái)檢測(cè)速度,經(jīng)單片機(jī)分析處理驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制單元,實(shí)現(xiàn)加速或者減速的功能;采用電源管理模塊分別為各個(gè)模塊提供所需要的電源電壓。

        3.技術(shù)路線及可行性分析

        3.1 技術(shù)路線

        本設(shè)計(jì)方案采用模塊化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車(chē)性能的分別控制,如圖1所示:

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3.2 可行性分析

        3.2.1 硬件部分

        3.2.1.1 核心控制單元

        本智能車(chē)是基于Freescale公司的16-bit單片機(jī)MC9S12XS128控制的。MC9S12XS128單片機(jī)具有設(shè)計(jì)靈活性、平臺(tái)兼容性的特點(diǎn),并對(duì)電子平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可升級(jí)性、硬件和軟件可重復(fù)性以及兼容性。S12X系列單片機(jī)既經(jīng)濟(jì)又可兼容帶XGATE協(xié)處理器的S12XE系列單片機(jī),從而削減了成本并縮小了封裝尺寸。

        MC9S12XS128單片機(jī)CPU屬于增強(qiáng)型16位CPU,片內(nèi)總線時(shí)鐘最高40MHz;其片內(nèi)具有8KB RAM、128KB程序閃存、2KB數(shù)據(jù)閃存;脈寬調(diào)制模塊(PWM)可設(shè)置成8路8位或者4路16位,邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬;具有1個(gè)8路12位精度A/D轉(zhuǎn)換器;另外片內(nèi)還具有增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器。完全可以勝任大量的數(shù)據(jù)處理和控制工作。

        3.2.1.2 路徑識(shí)別單元

        市面上常見(jiàn)的攝像頭主要有CCD和CMOS兩種:CCD攝像頭具有對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn),但工作電壓為12V,需要對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓處理;CMOS攝像頭體積小,耗電量小,圖像穩(wěn)定性較高。對(duì)于CMOS攝像頭分為數(shù)字和模擬兩種。數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620可以直接輸出8路數(shù)字圖像信號(hào),使主板硬件電路的簡(jiǎn)化成為可能,且能夠達(dá)到60幀/S的幀速率,因此我們選用數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620,如圖所示。

        OV7620是1/3CMOS彩色/黑白圖像傳感器。它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式,VGA與QVGA兩種圖像格式;最高像素為664×492,幀速率為30fps;數(shù)據(jù)格式包括YUV,YCrCb,RGB三種,能夠滿足智能車(chē)圖像采集系統(tǒng)的要求。

        基本參數(shù)如下:

        ◆大?。?3x27x24(mm);

        ◆掃描方式:逐行/隔行掃描;

        ◆信噪比:>48dB;

        ◆最大像素:(H)664x(V)492;缺省有效像素:(H)640x(V)480;

        ◆5V電源供電;

        ◆工作時(shí)功耗<120mW,待機(jī)時(shí)功耗<10uW。

        圖2 OV7620圖像傳感器

        圖3 OV7620引腳示意圖

        3.2.1.3 電機(jī)控制單元

        智能車(chē)的速度一般表較快,通常速度達(dá)到2m/s以上,因此對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流要求比較高,電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路必不可少。

        我們使用BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片。這種芯片的好處是外圍電路簡(jiǎn)單。通過(guò)設(shè)計(jì)電路,能使電機(jī)正轉(zhuǎn)以及翻轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn),而且使用PWM波控制,能起到很好的驅(qū)動(dòng)效果。具體情況見(jiàn)圖4所示:

        圖4 電機(jī)控制單元

        3.2.1.4 速度檢測(cè)模塊

        光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成,當(dāng)光柵盤(pán)開(kāi)始旋轉(zhuǎn),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)出若干脈沖信號(hào),通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就可以反映出當(dāng)前的速度。

        本設(shè)計(jì)中選用歐姆龍E6A2-CW5C旋轉(zhuǎn)編碼器,單相輸出,每圈500個(gè)脈沖,5V電壓供電。

        圖5 6A2-CW5C旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)物圖

        3.2.1.5 電源管理單元

        電源是一個(gè)系統(tǒng)正常工作的保障,關(guān)系著小車(chē)是否能正常的運(yùn)行。

        本設(shè)計(jì)采用7.2V 2000mAh Ni-Cd電池供電。而單片機(jī)和傳感器需要5V電源,舵機(jī)需要6V電源,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊則需要7.2V電源,因此我們需要穩(wěn)壓芯片降低電壓以提供給各個(gè)模塊使用。

        經(jīng)過(guò)大量選型和測(cè)試過(guò)后,我們選擇了LM2576和TPS7350。LM2576是外圍電路簡(jiǎn)單,散熱快,最大輸出電流3A,經(jīng)過(guò)TPS7350穩(wěn)壓后,輸出5V,對(duì)單片機(jī)、傳感器和測(cè)速模塊等供電。TPS7350為微功耗低壓差線性穩(wěn)壓器件,具有完備的保護(hù)電路,包括過(guò)流、過(guò)壓、電壓反接保護(hù)。使用這個(gè)芯片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。經(jīng)過(guò)LM2576穩(wěn)壓后,輸出6V,對(duì)舵機(jī)供電。如圖6、圖7所示為電源模塊基本電路圖。

        圖6 LM2576穩(wěn)6V電路

        圖7 TPS7350穩(wěn)5V電路

        圖8

        3.2.2 軟件部分

        首先確定兩件事情,一是攝像頭采集到的是一幅圖像,本質(zhì)的說(shuō)就是點(diǎn)陣的集合。二是標(biāo)志物在這幅圖像中的呈現(xiàn)是什么,如何突出標(biāo)志物的不同。

        3.2.2.1 導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)

        我們是通過(guò)左右兩個(gè)標(biāo)志物來(lái)確定中心值,然后根據(jù)這個(gè)中心值來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。如圖8所示。

        3.2.2.2 轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)

        通過(guò)采集的圖像大小判斷車(chē)與標(biāo)志物的位置,然后在一個(gè)設(shè)定大小處執(zhí)行一個(gè)固化轉(zhuǎn)彎程序,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎90度,然后再打開(kāi)圖像采集,根據(jù)下一個(gè)標(biāo)志物導(dǎo)航路線。至于轉(zhuǎn)向,就是根據(jù)檢查到的黑色長(zhǎng)方形里面是否有白色來(lái)判斷轉(zhuǎn)向,如果都沒(méi)有就是跑直道。如圖9所示。

        圖9

        3.2.2.3 入庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

        首先看到庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)看見(jiàn)庫(kù)之前速度比較快,為了避免側(cè)滑,采用回退打正車(chē)身的方法,然后慢速尋找尋庫(kù)的準(zhǔn)確位置。當(dāng)找到后就反打舵機(jī)后退,讓車(chē)身垂直賽道尋找進(jìn)庫(kù)中心線,通過(guò)反復(fù)調(diào)整車(chē)身找到最佳進(jìn)庫(kù)位置,然后進(jìn)庫(kù)停車(chē)。如圖10所示。

        4.特色與創(chuàng)新點(diǎn)

        (1)只采用攝像頭單一導(dǎo)航方式,技術(shù)含量高,研究具有現(xiàn)實(shí)意義;

        (2)智能車(chē)速度快,可達(dá)2m/s,且能自動(dòng)識(shí)別最短路徑;

        (3)整體采用模塊化設(shè)計(jì)方式,便于設(shè)計(jì)、調(diào)試和安裝;

        (4)進(jìn)庫(kù)方式與現(xiàn)實(shí)汽車(chē)進(jìn)庫(kù)基本一致。

        [1]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004,10.

        [2]卓晴,黃開(kāi)勝,邵貝貝等.學(xué)做智能車(chē)——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007,3.

        [3]胡晨暉,陸佳南,陳立剛.上海交通大學(xué)CyberSmart隊(duì)技術(shù)報(bào)告[R].

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