張德宇，侯立剛，張曉勇，常龍昆

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 113001）

基于MC9S12XS128單片機的多功能智能小車系統(tǒng)設計

張德宇，侯立剛，張曉勇，常龍昆

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 113001）

利用嵌入式技術(shù)和圖像處理技術(shù)，設計制作了基于MC9S12XS128單片機的多功能智能小車。智能小車可以在包含岔口的路面進行自主擇路行進。到達終點后，在顯示屏上顯示路口選擇方案、行進距離、行駛時間、行進速度。該系統(tǒng)通過CMOS攝像頭OV5116檢測路面信息，使用比較器對圖像進行硬件二值化，用于路面識別，通過光電編碼器檢測智能小車的實時速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機的角度，實現(xiàn)了對智能小車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高。經(jīng)實際測試，智能小車各項指標均達到預期的設計目標。

MC9S12XS128單片機；智能小車；嵌入式；圖像采集

智能汽車是智能系統(tǒng)與汽車工業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是一個集計算機、傳感器、自動控制、人工智能等多種高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)[1]。它在保證行駛安全、提高駕駛體驗、節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。作為未來汽車行業(yè)的發(fā)展方向，它的發(fā)展勢必促進其他行業(yè)的發(fā)展，并在一定程度上代表了一個國家在智能控制方面的水平。

智能小車系統(tǒng)在環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、控制策略及系統(tǒng)搭建上與智能汽車系統(tǒng)有很多相似之處，可以為科考、搶險救災提供安全路徑，未來也可以用在軍事探測、運動目標跟蹤預警等方面。智能小車系統(tǒng)的研究可以推動智能汽車行業(yè)更快更好地發(fā)展。

文中對智能小車的各個模塊進行了深入的分析，從系統(tǒng)總體概述、硬件設計、軟件設計等方面介紹了以攝像頭為傳感器的智能小車的設計方法：在現(xiàn)有車模的基礎上，通過加裝攝像頭、速度檢測器，比較器，實現(xiàn)對小車速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后通過單片機對小車實施智能控制，最終實現(xiàn)了小車的自主行進功能。

1 系統(tǒng)的總體概述

智能車系統(tǒng)的總體工作模式為：利用CMOS圖像傳感器拍攝路面圖像，輸出PAL制式的圖像信號，采用LM1881芯片進行控制信號分離，得到行、場同步信號，再依據(jù)給定的閾值，通過比較器進行硬件圖像二值化；圖像信號、場同步信號、行同步信號輸入到MC9S12XS128單片機，經(jīng)過算法優(yōu)化處理后獲得主要的路面信息；通過光電編碼器來檢測車速，并利用MC9S12XS128單片機的計數(shù)器進行脈沖計算，獲得速度和路程；根據(jù)路面信息、速度信息得到舵機的轉(zhuǎn)向角和電機的轉(zhuǎn)速，把決策后得到的控制信號輸出給舵機和電機，以控制小車的行進。此外，通過LED顯示屏顯示小車的行駛狀態(tài)，使用按鍵對小車的各個模塊進行微調(diào)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

2 系統(tǒng)的硬件設計

智能車以MC9S12XS128處理器為核心，通過CMOS模擬攝像頭OV5116獲取行進路徑，對道路信息進行提取，根據(jù)小車的姿態(tài)與道路之間的偏差產(chǎn)生控制量，控制舵機進行轉(zhuǎn)向，編碼器實時反饋電機轉(zhuǎn)速，使速度控制更精確，實現(xiàn)對小車更好的控制。本系統(tǒng)的硬件設計主要包括以下4個模塊。

2.1 圖像采集模塊

攝像頭有CCD和CMOS兩種[2]：CCD攝像頭具有對比度高的優(yōu)點，但需要工作在12 V電壓下，為了保證小車的靈活性，小車的電源容量不會很大，用小型電源為CCD攝像頭供電對于整個系統(tǒng)來說過于耗電，并且CCD攝像頭在小車高速移動的過程中容易產(chǎn)生模糊和重影，影響圖像質(zhì)量；CMOS攝像頭不但體積小，耗電量小，并且在高速運動下圖像穩(wěn)定，不易產(chǎn)生失真。因此，本系統(tǒng)采用CMOS攝像頭，如圖2所示。OV5116采集到的模擬信號經(jīng)由LM1881分離出場中斷和行中斷信號，模擬信號經(jīng)由比較器LM393后得到二值化的路徑信息，芯片陣列大小為352×288，有效光敏面為312×215像素，電源是6 V（DC）。攝像頭輸出的黑白全電視信號為PAL制式模擬信號，每秒25幀，電視掃描線為625線，奇場在前，偶場在后。

圖2 OV5116攝像頭Fig.2 OV5116 camera

2.2 速度檢測模塊

為了得到智能車的實時速度，采用200線的編碼器對小車進行時時測速，編碼器與小車采用齒輪咬合，使速度測量更加精確。

2.3 主板控制模塊

智能車的控制系統(tǒng)電路由三部分組成[3]：MC9S12XS128為核心的最小系統(tǒng)板、LED顯示屏、鍵盤。MC9S12XS128處理器插在系統(tǒng)板上，并在系統(tǒng)板上集成了信號采集、信號處理、電機控制、舵機控制等單元[4]。為了減小電機驅(qū)動電路帶來的電磁干擾，把主板控制模塊和電機驅(qū)動部分分開來，排布在小車的兩端。主板上連接了本系統(tǒng)的主要電路：電源穩(wěn)壓電路、最小系統(tǒng)板插座、視頻同步分離電路、比較器集成模塊、攝像頭接口、舵機接口、電機驅(qū)動模塊、編碼器模塊、鍵盤接口、LED顯示屏等，如圖3所示。

圖3 控制主板模塊Fig.3 Control board module

2.4 電源驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路有兩路，一路為+5 V穩(wěn)壓電路，另一路為+12 V穩(wěn)壓電路。+5 V給單片機、攝像頭、LM1881、LED顯示屏模塊供電。+12 V給電機驅(qū)動電路供電。系統(tǒng)中+5 V電路功耗較小，并且都是用于數(shù)字信號的處理，使用線性穩(wěn)壓器即可。需要特別注意的是，小車加速行進時，驅(qū)動電機會產(chǎn)生非常大的電流，為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，必須使用大功率的驅(qū)動芯片，并且保證穩(wěn)壓芯片有良好的散熱環(huán)境[5]。

3 系統(tǒng)的軟件設計

高效的軟件系統(tǒng)是智能小車的靈魂，是小車快速穩(wěn)定行進的保障。本系統(tǒng)采用CMOS攝像頭進行路面識別，圖像采集處理就成了整個軟件的核心內(nèi)容，圖像采集流程如圖4所示。

圖4 圖像采集流程圖Fig.4 Image capture flowchart

3.1 路徑提取及優(yōu)化處理

相比紅外傳感器、電磁傳感器而言，攝像頭傳感器具有視野范圍大的特點，并且會受到雜點、交叉連線、反光以及各種干擾物的影響，因此必須對得到的圖像進行進一步的優(yōu)化，排除干擾因素，對路面進行更有效地識別，提供更準確的路面信息供單片機進行優(yōu)化決策。在圖像信號處理中提取的路面信息主要包括：路面中心位置，路面寬度，路面曲率。

經(jīng)過分析和驗證后發(fā)現(xiàn)，對于智能車而言，由于行駛路徑具有一定的連續(xù)性，并不需要逐行采集圖像，間隔若干行采集就可較好地獲取路徑信息。那么在圖像采集的同時就可以進行數(shù)據(jù)的處理和優(yōu)化，這種方法的優(yōu)勢在于：把圖像處理嵌入到圖像采集的過程中，有效解決了單片機處理圖像信號能力不足的缺陷。

3.2 轉(zhuǎn)向舵機的PID控制算法

系統(tǒng)通過把測得的路面函數(shù)與已知函數(shù)進行對比，判斷出前方道路的類型。因此根據(jù)黑線位置動態(tài)改變PID參數(shù)，就得到了較好的控制效果。

為了提高智能小車在直道或者小彎道的前進速度，系統(tǒng)采用了與大彎道不同的控制算法：利用圖像中路面兩側(cè)的面積比控制舵機的轉(zhuǎn)向角。這種算法的優(yōu)勢在于：由于圖像信息是數(shù)字矩陣，單片機可以非常迅速的完成面積的計算，利用面積比作為參量控制小車轉(zhuǎn)向角，縮短了數(shù)據(jù)處理時間，提高了行駛速度。

3.3 驅(qū)動電機的PID控制算法

對于速度控制，采用了增量式PID控制算法，基本思想是直道加速，彎道減速。經(jīng)過反復調(diào)試，將每場圖像得到的黑線位置與速度PID參考速度值構(gòu)成二次曲線關(guān)系[6]。在實際測試中，小車直道和彎道相互過渡時加減速比較靈敏，與舵機轉(zhuǎn)向控制配合得較好。

4 系統(tǒng)調(diào)試

作為整個智能小車系統(tǒng)的核心，圖像采集模塊必須經(jīng)過嚴格的測試以確保其可靠性。智能小車完成行進后，通過串口調(diào)試工具提取出儲存的路面數(shù)字圖像信息，如圖5所示。

圖5 數(shù)字化路徑信息Fig.5 Digital path information

此外，攝像頭的安裝位置也直接影響著小車的性能，為了能更好的掌握前方路徑信息，以便讓單片機提前做好控制量的計算，應盡量讓攝像頭看得更遠。采用隔行處理數(shù)據(jù)和直道獨立優(yōu)化的算法極大提高了單片機的處理能力，每行圖像采集點增加到120個，成功地增大了CMOS攝像頭采集圖像的視野寬度。在綜合考慮了道路反光的影響后，適當增加了視場長度（視場最遠處和最近處的距離），達到1.40 m，最遠前瞻達到1.60 m，足以覆蓋各種路面類型。智能車系統(tǒng)的整體實現(xiàn)如圖6所示。

5 結(jié)束語

文中介紹了CMOS攝像頭智能小車的總體設計方案，從系統(tǒng)的架構(gòu)設計，硬件設計，軟件設計和系統(tǒng)調(diào)試4個部分詳細介紹了智能小車的設計方案和一些創(chuàng)新之處。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠做到高效、準確、實時地采集圖像，具備良好的抗干擾能力，能夠有效的為小車的決策系統(tǒng)提供較為準確的輸入，可以在復雜的路徑上自主、快速行進。同時也為將來的廉價導航系統(tǒng)提供了軟硬件架構(gòu)的解決方案。

未來，通過研究帶有網(wǎng)絡聯(lián)接的多傳感器、多處理器的綜合導航系統(tǒng)，可以為自動駕駛、智能導航、搶險救災提供更加豐富的解決方案，使智能汽車在生活中得到更廣泛的應用。

[1] 高吉祥.全國大學生電子設計競賽訓練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學做智能車——挑戰(zhàn)飛思卡爾杯[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

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伺服控制，2010（6）：51-53.

ZHANG Yin-zhong.The design of intelligent vehicle control system based on MC9S12DG128B[J].Servo Control，2010（6）：51-53.

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The design of multi-function intelligent car system based on MC9S12XS128 single chip

ZHANG De-yu，HOU Li-gang，ZHANG Xiao-yong，CHANG Long-kun
（School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

A multi-functional intelligent car based on MC9S12XS128 was designed by using the embedded technology and image processing technology.Intelligent car can independently select road travel fork.After reaching the end of the road，display options，travel distance，travel time，travel speed can be showed on the display screen.The OV5116 CMOS camera system is used to detect road information.Comparators are used for image two values for road identification.The photoelectric encoder detects real-time speed.PID control algorithm is used to adjust the drive motor speed and steering angle.realize the closed loop control of the model vehicle speed and direction.The whole system has the simple circuit structure，low cost and high reliability.Through the experimental measurement，intelligent car meets the expected design in all indexes.

MC9S12XS128 single chip；intelligent car；embedded；image acquisition

TN96

A

1674-6236（2014）11-0100-03

2014-02-27 稿件編號：201402205

遼寧省自然科學基金項目（2013020024）；2012年國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（201210148025）

張德宇（1992—），男，河北保定人。研究方向：電子科學與技術(shù)。