楊志清+張翠+王孫洪+龐永業(yè)+謝金輝

【摘 要】系統(tǒng)以K60單片機(jī)作為核心，以第十屆全國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能車競賽C車模作為車體，分別從硬件設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)、圖像和控制算法方面介紹了智能車的設(shè)計(jì)過程；采用帶有硬件二值化的攝像頭進(jìn)行元素識別，黑線提取和障礙檢測；使用閉環(huán)PID控制策略對整車進(jìn)行控制；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證智能車的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】智能車 攝像頭 PID控制 圖像檢測 障礙檢測

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）05C-0191-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，為了培養(yǎng)人才和激發(fā)大學(xué)生從事研究與探索的興趣和潛能，“全國大學(xué)生智能車競賽”要求在標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)平臺下完成智能車軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且以CCD傳感器自動識別賽道路線。通過智能車的軟硬件的配合，使智能車完成尋跡檢測功能，沿著白色賽道行進(jìn)。

智能車主要由電源、主控板、舵機(jī)、編碼器、攝像頭和電機(jī)等六部分組成。如圖1所示。

智能車的工作原理如下：攝像頭獲取寒道數(shù)據(jù)，主控板起到總線作用，獲得攝像頭采集的賽道數(shù)據(jù)，然后根據(jù)賽道信息來控制舵機(jī)和電機(jī)使小車運(yùn)動，在運(yùn)行的同時主控板從編碼器中讀取小車速度作為反饋數(shù)據(jù)，處理后送達(dá)電機(jī)，形成閉環(huán)。控制方法如圖2所示。

一、智能車的硬件設(shè)計(jì)

智能車硬件主要由K60最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、電源模塊組成，對于K60最小系統(tǒng)一般不需要自己制作，使用成品模塊即可。

（一）電機(jī)驅(qū)動電路BTN7960

在電機(jī)驅(qū)動電路中，一般采用的是由驅(qū)動芯片組成的H橋的全橋電路結(jié)構(gòu)，以保證電機(jī)對電流的需求。電機(jī)位于H橋的中間位置，只需控制兩組斜對角的驅(qū)動芯片即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，對于電機(jī)的轉(zhuǎn)速則可以通過對驅(qū)動芯片施加PWM信號實(shí)現(xiàn)。由于驅(qū)動芯片通過電流較大，可能會產(chǎn)生大量的熱能，對電路造成影響，可以給功率管安裝散熱片，改善它們的工作條件，提高他們的過載能力。另一方面為了避免電機(jī)瞬間正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)引起的電流反沖導(dǎo)致主控芯片燒毀，在信號輸入端需要加光耦隔離芯片保護(hù)主控芯片。

電機(jī)驅(qū)動電路的電源可以直接使用電池兩端的電壓，最好加上二極管和保險絲以避免電池反接和短接，還可以防止調(diào)試過程中不小心短接和誤觸碰等。智能車在啟動的過程中往往會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流，對電路的干擾和單片機(jī)的正常工作會有很大影響，可以在電源中增加容值較大的電解電容來保護(hù)電路的安全。

（二）電源模塊

智能車工作電源由7.2V的鎳鎘蓄電池供電，由于各個模塊工作所需要的工作電壓不同，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成各個模塊所需要的電壓。

攝像頭模塊，K60，OLED顯示屏使用的是3.3V供電，該電壓由LM2940芯片加REG1117-3.3芯片提供，該芯片自帶過壓過流保護(hù)，兩者都可以輸出1A的最大電流，而且穩(wěn)定性高，電壓擺幅小，所需外圍電路少，電路簡單。在溫度升高的情況下長時間的工作，輸出電壓能保持較好的穩(wěn)定性，非常適宜高頻率工作器件。

編碼器模塊和燈塔接收模塊使用的是5V供電，該電壓也由LM2940芯片提供，為了避免LM2940芯片過載導(dǎo)致的發(fā)熱和非線性失真等問題，將3.3V和5V分為兩路單獨(dú)工作，這樣可以避免單個模塊工作不正常造成的影響。

二、智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

本文中的車模的攝像頭組所使用的車模為C型車模，尺寸為28.5×16×8cm，為了提高車模整體的精度，減輕車身重量，最大程度優(yōu)化小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們在規(guī)則的約束內(nèi)對小車做了如下的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（一）前輪定向

轉(zhuǎn)向輪的定位主要由主銷內(nèi)傾（角）、主銷后傾（角）、前輪外傾（角）和前輪前束四個因素決定，它們反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系，對于主銷內(nèi)傾（角），主要作用是產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的力矩，讓車轉(zhuǎn)彎后的回正性增強(qiáng)，同時在轉(zhuǎn)彎時車輪與地面的接觸情況會更好。對于主銷后傾（角），主要作用是在高速行駛時，保持直線行駛的穩(wěn)定性，有助于“自動回正”。出于對回正能力、車輪受力面積和靈活性的角度分析檢驗(yàn)，我們把前輪調(diào)整為主銷內(nèi)傾。

（二）舵機(jī)的安裝

前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)有立式和臥式兩種安裝方案（這里以舵機(jī)轉(zhuǎn)軸為參考對象，立式：轉(zhuǎn)軸處于水平方向。臥式：轉(zhuǎn)軸處于豎直方向）。

舵機(jī)立式安裝方式的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)向角較為符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理，它由舵機(jī)臂豎直平面的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為拉桿水平方向的運(yùn)動，減少了在同一平面上運(yùn)動的死區(qū)。方便安裝舵機(jī)臂，有利于調(diào)節(jié)賽車轉(zhuǎn)向的中心值。

舵機(jī)立式安裝方式的缺點(diǎn)：不好安裝固定；安裝后較高，占用豎直方向的空間；重心較高。

舵機(jī)臥式安裝方式的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度較快；高度較低；重心低。

舵機(jī)臥式安裝方式的缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)向角部分符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理（轉(zhuǎn)角小時），舵機(jī)臂和拉桿都在水平平面內(nèi)運(yùn)動，當(dāng)舵機(jī)臂長度與轉(zhuǎn)角臂長度相等時會導(dǎo)致內(nèi)、外側(cè)輪不符合阿克曼轉(zhuǎn)角。

（三）攝像頭的安裝

攝像頭的支撐架應(yīng)盡量使用較輕的材料，以減輕車體的重量使其更加輕巧，且安裝的位置應(yīng)該在滿足前瞻的情況下，盡量安裝在質(zhì)心位置，并保證支架的垂直和穩(wěn)固。這樣才能保證小車在行駛的途中，車體和攝像頭之間不會來回晃動，造成攝像頭采集的圖像失真。攝像頭還要架在一個合理的高度上，且與支撐架成一定夾角，只有這樣才能擁有較低的重心，和有利的前瞻。

（四）車模重心和底盤加固

車體重心位置對賽車加減速性能、轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性都有較大影響。車身重心前移，會增加轉(zhuǎn)向，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度，同時降低后輪的抓地力，影響加減速性能；重心后移，會減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會增加，提高加減速性能。因此，確定合適的車體重心，讓車模更加適應(yīng)比賽賽道是很關(guān)鍵的。今年我們在前輪位置增加了墊片，降低重心，還減低了電池的高度，同時把攝像頭安裝在中間，底盤做了加固。增加了賽車的轉(zhuǎn)向靈活度，減少了車在行駛過程中產(chǎn)生的震蕩。

三、智能車算法

（一）賽道邊界提取

為了后續(xù)方便對圖像做類型的分析，我們先把賽道兩邊的邊界提取出來，提取的方法有很多種，較為常用的是黑線跟蹤法，黑線跟蹤法的具體步驟為：先確定幾行無錯的邊界所在位置；根據(jù)上一行邊界所在的位置，在下一行的附近進(jìn)行查找；如果連續(xù)多行找不到左右邊界或圖像數(shù)據(jù)分析完畢，則即可結(jié)束查找。黑線跟蹤法可以極大的節(jié)省單片機(jī)時間，加快圖像處理的速度。

（二）賽道類型的識別

提取出賽道后，即可對賽道類型進(jìn)行分析，分析方法也有很多種，較為簡單的是對圖像的固定區(qū)域位置進(jìn)行檢測，例如圖3所示。

對圖中兩條黑線（為了方便顯示黑線上半部分采用反色）所在區(qū)域進(jìn)行判斷，可以得到左邊黑線和賽道的交點(diǎn)，比右邊賽道黑線與賽道的交點(diǎn)要高，即可得出前方為左拐彎道（實(shí)際情況可能較為復(fù)雜，需要具體問題具體分析，本文給出了主要思想）。此方法在使用時，需要預(yù)先確定兩條黑線的區(qū)域位置，如果太靠近將導(dǎo)致左右黑線與賽道的交點(diǎn)高低難以判斷，離太遠(yuǎn)又容易有多個交點(diǎn)（如左邊黑線如果太靠近左邊會和賽道產(chǎn)生3個交點(diǎn)）造成混淆，所以黑線的位置需要根據(jù)自己的實(shí)際情況來選定，只要方便判斷不易誤判即可。

（三）障礙的識別

對于有障礙的賽道來說，對圖像做邊界處理之后，障礙元素信息就會丟失，所以在識別障礙的時候需要分兩個步驟完成：先做邊界提取獲取賽道類型；對原始圖像做障礙分析。對于第一步使用黑線跟蹤算法即可，對于第二步，可以在圖像的上半部分（提前預(yù)判）每隔5個像素做一次橫向掃描，如果連續(xù)掃到多個像素為黑色，且在賽道中（可根據(jù)第一步獲得的邊界信息進(jìn)行判斷），然后對其縱向掃描，計(jì)算出上下間距，如果在設(shè)定值之間即可判定為障礙。設(shè)定值取決于障礙大小和對小車之間的距離。需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，之所以需要進(jìn)行橫縱兩方面掃描，是為和小S，直角標(biāo)記線等元素進(jìn)行區(qū)分。

四、系統(tǒng)調(diào)試

為了使舵機(jī)能更快更好的對給定的轉(zhuǎn)角值做出響應(yīng)，我們采用位置式PID控制器，電機(jī)采用增量式PD調(diào)節(jié)，通過不斷改變P、I、D三個參數(shù)進(jìn)行試湊實(shí)驗(yàn)，得到了一組響應(yīng)較好的參數(shù)，可以使得車在高速行駛時能保持很好的穩(wěn)定性，從而大大消除由于傳感器帶來的誤差，控制方法如式一：

△u（n）=Kp[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）+KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）] （式一）

各個參數(shù)對小車的影響：

比例Kp：適當(dāng)?shù)谋壤苎杆俜磻?yīng)誤差，從而減小誤差，但是比例不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例的加大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分Ki：積分的作用就是只要系統(tǒng)存在誤差，就不斷的累積誤差，直到消除誤差。但是如果積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至出現(xiàn)震蕩。

微分Kd：微分可以減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

經(jīng)過多次測試，智能車可以完成快速穩(wěn)定的行進(jìn)，本文在通過圖像識別技術(shù)對道路識別進(jìn)行改進(jìn)，利用PID控制器進(jìn)行控制，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，系統(tǒng)可以執(zhí)行正確的指令，智能車行進(jìn)得更穩(wěn)，并且車速上有一定提升，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，尋跡準(zhǔn)確，小車的運(yùn)行速度快。

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【基金項(xiàng)目】2014年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2014JGZ189）