李少兵　張強　張美玲

摘 要：本設計是一種基于攝像頭的智能車自主導航系統(tǒng)，采用飛思卡爾公司的S12XS128單片機為控制核心，主要由電源模塊，電機驅動模塊，攝像頭，舵機，以及反饋控制模塊構成，實驗表明，智能小車能很好地識別賽道信息，并作出判斷，實現(xiàn)了自主轉彎，過障礙等功能。

關鍵詞：智能汽車；自主導航；單片機；自主轉彎；過障礙

智能小車是一結合了很多學科的綜合的制作，它包括了虛擬智能、機械設計、高等數(shù)學、信號處理、傳感器技術、電路設計、C語言、單片機、自動控制原理等學科。本設計采用攝像頭作為采集信號的模塊，微處理器接收處理信號，并把這個處理過的信號作為小車導航的依據(jù)，來控制小車轉彎、前進、停止、加速等，從而實現(xiàn)小車在環(huán)境較簡單的情況下的自主導航。

1 方案論證

1.1 加固車模底盤，使之成為剛體，可以有效減少小車在行駛時產生的震動以及震動對攝像頭的影響。

1.2 小車在轉彎，過障礙時容易發(fā)生側翻，可以適當降低小車底盤，增加其可控性，防止側翻發(fā)生。

1.3 測試賽道比較平坦，光滑，小車在直的長賽道上行駛時，易沖出賽道，可以在車輪上套上防滑套，來減少因速度快造成的輪胎磨損，增加輪胎的抓地性能，從而提高小車的操控性，同時使馬力能更好的傳到地面驅動小車加速。

1.4 電機驅動模塊是智能小車重要的模塊之一，需要性能穩(wěn)定、可靠性高、散熱性好等特點，所以采用BTN7971芯片作為電機驅動芯片。并且該芯片具有自我保護能力，抗電子干擾能力強，且對環(huán)境的適應能力較強，加速過程快等優(yōu)點[1]。

1.5 智能車系統(tǒng)采用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池進行供電，但各個模塊所需要的電壓不同，因此需要進行電壓調節(jié)。7.2V直接為BTN7971供電，使用LM7806（6V）將7.2V穩(wěn)壓成6V后給舵機供電，用LM2940（5V）分別為單片機、攝像頭編碼器供電。

1.6 智能車的轉向控制是關鍵的技術之一，轉向性能的好壞和轉向控制的適當與否對智能小車的速度及穩(wěn)定性有很大的影響。舵機本身是一個隨動系統(tǒng)，影響舵機控制性能的一個重要參數(shù)是舵機的響應速度，而舵機的響應速度直接影響智能車通過彎道的最高速度，適當?shù)靥岣叨鏅C的工作電壓可以提高舵機的響應速度，把舵機改裝在兩個轉向輪中間，以此來減小響應時間，根據(jù)杠桿原理加長力臂，來增加舵機的扭轉能力，提高了小車的轉向控制速度[2]。

1.7 攝像頭是路徑檢測器件，是智能小車系統(tǒng)的信號輸入模塊，主要檢測的是賽道相對于智能小車的偏移量、方向、曲率等信息，這些信息是小車自主沿賽道運行的信息基礎，獲得更多、更遠、更精確的賽道信息是提高車模運行速度的關鍵。所以說路徑識別系統(tǒng)的好壞，直接關系到最終性能的優(yōu)劣。使用攝像頭檢測方式的最大優(yōu)點是：檢測的前瞻范圍比較寬，可以比較快地檢測到轉彎等路面信息，以便提早做出轉彎、剎車等操作，有利于速度的提高[3]。但是攝像頭的選取必須慎重，既要保證圖像質量好，滿足后續(xù)處理和賽道識別的要求，目前是市場上主要有兩種攝像頭，CCD模擬攝像頭和CMOS數(shù)字攝像頭，CCD模擬攝像頭的優(yōu)點是靈敏度高，即使高速運行也可以獲得清晰的圖像，但是缺點是成本高、功耗大、重量大、需要12V供電。CMOS數(shù)字攝像頭的優(yōu)點是體積小、重量輕、功耗低，5V即可正常工作，內部集成了A/D轉換電路，直接輸出數(shù)字信號，因此使用非常方便，電路要求簡單，價格便宜。單片機的I/O口可以直接接受的是數(shù)字信號，模擬信號要經(jīng)過處理成數(shù)字信號后單片機才能使用，所以想要使用CCD模擬攝像頭需要自己搭建整理模擬信號的電路，這加大了制作智能車的難度，但是用CMOS數(shù)字攝像頭在小車高速運行時，動態(tài)性能較差，容易出現(xiàn)圖像模糊?；赬S128單片機的處理能力，攝像頭不是分辨率越高越好，綜合考慮之后選擇CMOS數(shù)字攝像頭。

在攝像頭的安裝上，選擇了四個自由度的安裝，可以更加靈活地對攝像頭的角度進行調整。

攝像頭除了高度和選型之外，位置也很重要。后置主要問題是轉彎時過程滯后，而前置的主要問題是由于車身抖動，造成成像模糊，綜合考慮之后，把攝像頭放在中間靠前的位置，既可以減少震動造成的影響，又可以解決轉彎滯后問題。

攝像頭支架選用碳纖維管，具有質地輕，剛性大，直徑小，堅固等優(yōu)點。支架底部采用上下雙重固定方法，這樣固定不僅牢固，更減輕了電機轉動帶來的震動干擾。

1.8 在智能小車的設計中，有一個模塊必不可少就是光電編碼器，光電編碼器通過計算單位時間內編碼輸出的脈沖來計算出小車的速度，這樣把這個速度反饋給主處理器，主處理器就對小車的實時速度有了檢測，這樣更有利于控制小車速度。

2 軟件部分

系統(tǒng)由中斷采集程序對攝像頭傳回的圖像進行采集，然后單片機對傳回來的圖像進行處理、判斷、計算得到控制參數(shù)，再用控制參數(shù)去控制舵機和電機，來實現(xiàn)轉彎、加速、減速、停止等功能。

小車在行駛過程中分為直道、彎道、交叉口等，由于攝像頭傳回的數(shù)據(jù)很大，而且傳輸?shù)暮芸?，單片機在有限的頻率下無法采集所有數(shù)據(jù)，因此只能有選擇的選取圖像。得到一場視頻信號后，單片機從中提取黑線，并通過限幅濾波算法判斷黑線的偏差值。不同的路況攝像頭所采集的圖像的有效行數(shù)和偏差值是不同的，在過彎道時，有效值會減小，偏差值會增大，這樣就可以利用有效行和偏差值來控制小車的速度和方向。

3 測試與結果

小車的機械結構對小車整體性能影響很大，需反復調試小車的機械結構才能找到合適的解決方案，小車在直道上行駛時，小車加速明顯，當攝像頭檢測到前方有彎道時，小車立即減速，然后通過彎道。切換小車速度，提高PWM占空比，小車行駛時可以明顯看見小車提速，再接近彎道時小車減速，然后順利通過彎道。

參考文獻

[1]O'Reilly.愛上制作（第二期）[M].人民郵電出版社，2011.

[2]攝像頭組-安徽工業(yè)大學-D-I隊技術報告[R].

[3]蔡述庭.飛思卡爾杯智能汽車競賽設計與實踐[M].北京航空航天出版社，2012.