貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 葛俊杰 何志琴 吳 遜

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，智能車越來越廣泛的出現(xiàn)在在人們的生活中。不同類型的智能車幫助人們完成不同的工作，具有攝像頭的智能車，對(duì)于環(huán)境的信息的判斷更為準(zhǔn)確，相對(duì)于普通的傳感器而言，圖像識(shí)別所需要處理更多的數(shù)據(jù)，增長(zhǎng)的處理時(shí)間，影響的智能車控制性能。因而，在不減少圖像信息的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像處理進(jìn)行優(yōu)化，縮短處理時(shí)間，對(duì)智能車的發(fā)展有著重要的意義[1]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 智能車圖像采集總體方案

智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括道路信息采集，道路信息處理，智能車控制算法，舵機(jī)控制和電機(jī)控制等部分。其中信息采集通過攝像頭采集賽道信息完成，信息的處理和控制算法由程序?qū)崿F(xiàn)。舵機(jī)輸出和電機(jī)輸出屬于小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在硬件上分為電源模塊、主控器模塊、舵機(jī)控制模塊、圖像采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和測(cè)速模塊模塊。在智能車的控制方案實(shí)現(xiàn)中，采用恩智浦公司生產(chǎn)的K60系列芯片作為小車的控制器[2]，將攝像頭采集到的圖像信息進(jìn)行處理提取出虛擬賽道中線，通過虛擬中線計(jì)算出賽道偏差，再將偏差值入到控制算法中，從而計(jì)算出舵機(jī)的控制量，輸出到舵機(jī)完成小車方向控制。在小車的速度控制中，K60芯片通過讀取光電編碼器的脈沖信號(hào)計(jì)算出小車當(dāng)前速度。將當(dāng)前速度和小車目標(biāo)速度帶入控制算法中從而計(jì)算出小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制量，輸出到到電機(jī)完成小車速度控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)電源設(shè)計(jì)模塊

智能小車的電源的來源通常是由一塊鎳鎘電池提供。因智能車各模塊所需電壓大小不同，為保證系統(tǒng)各個(gè)模塊的正常工作，我們需要為各模塊提供穩(wěn)定、合適的工作電壓。TPS7350穩(wěn)壓電路為編碼器測(cè)速提供5v工作電壓。經(jīng)過TPS7350穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為5v的電壓再經(jīng)過TPS7333穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為3V電壓為攝像頭、OLED、K60主控板供電。

(2)轉(zhuǎn)向控制模塊

舵機(jī)是智能小車的控制環(huán)節(jié)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。性能優(yōu)秀的舵機(jī)可以讓小車循跡更加完美。采用S-D5舵機(jī)，它使用簡(jiǎn)單，便捷功能強(qiáng)大，可直接由控制單元的輸出口控制，供電電源為5V。

(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊一般由三個(gè)部分構(gòu)成，分別是主控制器、驅(qū)動(dòng)電路及電動(dòng)機(jī)，根據(jù)實(shí)際控制需要智能車的驅(qū)動(dòng)電路需要同時(shí)具有快速響應(yīng)性能和較強(qiáng)穩(wěn)定性，在接受主控制器產(chǎn)生的PWM波時(shí)，能夠迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行的轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整。采用BTN7971芯片搭建的H橋電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。BTN7971具有電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、散熱效果好的優(yōu)點(diǎn)。非常適合智能小車的使用。

(4)圖像采集模塊

采用OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭作為賽道信息采集的傳感器。OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理是：當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)處圖像的灰度值被攝像頭中的圖像傳感芯片換成與灰度值對(duì)應(yīng)的電壓值，不同的電壓值經(jīng)過硬件二值化電路的處理轉(zhuǎn)化成高低電壓，這樣就完成電壓值的二值化處理（高低電壓）。最后將圖像信息數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口輸出到控制器[3]。

3 圖像優(yōu)化控制方案

傳統(tǒng)的圖像采集的方法大多是使用場(chǎng)中斷與行中斷配合進(jìn)行圖像的采集，這種方法采集圖像經(jīng)常出現(xiàn)消隱區(qū)等問題，采集過程不穩(wěn)定且在傳輸過程中需要控制器全程參與，這大大地降低了控制器運(yùn)行效率[4]。為了改進(jìn)這一缺點(diǎn)，優(yōu)化方案如下：當(dāng)攝像頭采集到圖像時(shí)，發(fā)出場(chǎng)中斷信號(hào)，控制器捕捉到這一場(chǎng)中斷信號(hào)，觸發(fā)中斷，進(jìn)入場(chǎng)中斷服務(wù)程序，場(chǎng)中斷標(biāo)志置1。在場(chǎng)中斷服務(wù)程序中，初始化DMA傳輸，并使能DMA傳輸。之后控制器捕捉PCLK時(shí)鐘信號(hào)，PCLK時(shí)鐘信號(hào)為脈沖方波，它的每一個(gè)上升沿都將觸發(fā)一次DMA傳輸，每次DMA傳輸將一個(gè)字節(jié)的圖像信息送入控制器寄存器中，當(dāng)觸發(fā)n次后停止DMA傳輸。DMA傳輸停止時(shí)觸發(fā)中斷程序進(jìn)入中斷復(fù)位函數(shù)，在中斷復(fù)位函數(shù)里禁止DMA傳輸關(guān)閉場(chǎng)中斷，同時(shí)標(biāo)記圖像采集完畢。這樣就完成一場(chǎng)圖像信息的采集。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)在吸收結(jié)合前人的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，建立了合理實(shí)用的硬件電路模塊。對(duì)于圖像采集部分，以ov7725攝像頭采集圖像信息，采用二值化電路對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理。在圖像處理中，在傳統(tǒng)賽道邊沿檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)，降低了單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，提高了圖像處理的的效率。