石興旺 任國(guó)臣

摘 要：針對(duì)單目視覺(jué)智能小車控制系統(tǒng)，采用K60微控制器作為核心控制單元，選用OV7725攝像頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡及物體識(shí)別，使用廣州科創(chuàng)電子的mini型編碼器進(jìn)行小車測(cè)速，BTN7971作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用MOS全橋驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)智能小車的運(yùn)動(dòng);在軟件設(shè)計(jì)方面，給出了物體位置中心點(diǎn)坐標(biāo)提取算法、智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)控制思想以及主程序流程圖。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)文恳曈X(jué);攝像頭;PID;OV7725

Abstract：Aiming at the single-vision intelligent vehicle control system，K60 microcontroller is used as the core control unit，and CMOS camera OV7725 is used to track and recognize the object，BTN7971 is used as motor driver chip and MOS full-bridge driver to realize the forward and reverse of the motor，thus driving the intelligent car motion.The BTN7971 is used to measure the speed of the small car with the mini encoder of Guangzhou Kechuang Electronics.In the aspect of software design，the realization method of object position center point coordinate extraction and tracking is given，which ensures that the car has the function of autopilot and target tracking.

Key words：Smart car;Camera;MK60 module;OV7725

1 緒論

隨著社會(huì)的進(jìn)步及科技發(fā)展，智能交通和貨物運(yùn)輸已逐漸深入人心，人們更加熱衷于智能化汽車及先進(jìn)的物流運(yùn)輸分揀技術(shù)的研究。智能汽車集合了環(huán)境感知，數(shù)據(jù)處理，決策控制等多種技術(shù)為一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)。車輛利用視覺(jué)傳感器和定位系統(tǒng)對(duì)車輛周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)軌道自動(dòng)導(dǎo)向、追蹤車輛巡航和防止車輛事故追尾。因此，研究單目視覺(jué)智能小車控制系統(tǒng)，有利于對(duì)推廣智能車輛技術(shù)應(yīng)用，具有非常廣闊的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用前景。

2 單目視覺(jué)智能小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

研制的單目視覺(jué)智能小車主要側(cè)重運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制，因此，智能小車控制系統(tǒng)硬件主要包括電源模塊、主控模塊、采集模塊、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)控制模塊、顯示模塊以及通信模塊等部分。小車在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字?jǐn)z像頭傳感器獲取前方路況信息，將信息傳送給CPU，依據(jù)圖形分析前方物體及運(yùn)動(dòng)軌跡，CPU做出小車控制決策，并通過(guò)PWM信號(hào)控制直流電機(jī)和舵機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作，并由mini光電編碼器構(gòu)成反饋，實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向和速度的閉環(huán)控制。圖1為控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)方案框圖。

智能小車總體分為采集檢測(cè)系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)、動(dòng)力反饋系統(tǒng)三個(gè)重要組成內(nèi)容部分。其中采集檢測(cè)系統(tǒng)采用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭OV7725，控制決策系統(tǒng)由MK60N512ZVLL100模塊依據(jù)實(shí)時(shí)獲取的信息作出控制決策，動(dòng)力反饋系統(tǒng)主要由舵機(jī)和電機(jī)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)組成。綜合考慮小車運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)要求，采用智能功率驅(qū)動(dòng)芯片BTN7971實(shí)現(xiàn)2個(gè)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

3 物體位置中心點(diǎn)坐標(biāo)提取方法

在實(shí)際工作過(guò)程中，小車對(duì)運(yùn)行軌跡和物體識(shí)別方法基本相同。貨物在圖像中所呈現(xiàn)的大小會(huì)與車體和貨物之間的相對(duì)距離的遠(yuǎn)近，角度大小等因素有關(guān)，因此，對(duì)同一物體進(jìn)行采集，得到的圖像中貨物呈現(xiàn)的大小也會(huì)有所不同，所以，在設(shè)計(jì)中選擇以貨物圖像的中心點(diǎn)代替實(shí)際圖像。假設(shè)貨物在圖像中呈現(xiàn)出的圖案如圖2所示，在操作中首先確定x1和x2的值。在像素中從左到右選中一列，掃描其中是否有顏色突變的點(diǎn)，首次出現(xiàn)有顏色突變的列定義為x1，最后出現(xiàn)有顏色突變點(diǎn)的列定義為x2。依同樣原理，在像素中從上到下選中一行，掃描其中是否有顏色突變的點(diǎn)，首次出現(xiàn)有顏色突變點(diǎn)的列定義為y1，最后出現(xiàn)有顏色突變點(diǎn)的列定義為y2。此方法對(duì)顯示緩沖區(qū)像素掃描2次，即橫向和縱向各掃描1次。物體中心坐標(biāo)計(jì)算方法如下：物體中心橫坐標(biāo)x0=x1+x22物體中心縱坐標(biāo)y0=y1+y22。圖3為貨物中心坐標(biāo)程序流程圖，此方法計(jì)算物體中心坐標(biāo)的準(zhǔn)確性依賴于物體形狀的緊湊程度，一般情況下能獲得滿意效果。

4 小車電機(jī)、舵機(jī)控制方法

小車舵機(jī)采用的是Futaba 3010型舵機(jī)，該舵機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)是周期20ms，正脈寬在0.5ms-2.5ms之間的PWM信號(hào)。其中0.5ms的占空比對(duì)應(yīng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角為-90°，1.25ms的占空比對(duì)應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角為0°，2.5ms的占空比對(duì)應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角為+90°，出舵機(jī)控制信號(hào)不同的占空比直接對(duì)應(yīng)于不同的舵機(jī)轉(zhuǎn)角，這與位置式PID控制算法的作用規(guī)律一致，因此對(duì)于舵機(jī)的控制即采用了位置式PID控制算法。由于PID控制過(guò)程中積分項(xiàng)I控制因數(shù)具有一定的延時(shí)性，會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)向變慢，因此在舵機(jī)控制中決定舍棄積分項(xiàng)I控制，將PID控制簡(jiǎn)化成PD控制。智能車驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用閉環(huán)PID控制，其控制流程是通過(guò)速度傳感器獲取小車當(dāng)前運(yùn)行速度，將當(dāng)前速度與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而得到偏差，偏差通過(guò)增量式PID公式運(yùn)算后輸出相應(yīng)PWM控制量，控制量通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用于電機(jī)，最終達(dá)到對(duì)電機(jī)速度的控制。

5 系統(tǒng)主程序流程圖

在主程序流程圖中，首先是對(duì)各硬件模塊初始化，初始化完成后由攝像頭進(jìn)行圖像的采集，并由MK60N512ZVLL100模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成數(shù)據(jù)處理后，MK60N512ZVLL100模塊根據(jù)處理后得到信息控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向與電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小車對(duì)于貨物的跟蹤，并記錄當(dāng)前貨物量;如果已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定值，則小車停止運(yùn)行，否則將開(kāi)始新的一輪的貨物拾取，主程序流程圖如圖3所示。

6 結(jié)論

智能小車控制系統(tǒng)采用了高性能的MK60N512ZVLL100模塊作為控制核心，通過(guò)CMOS OV7725攝像頭獲取道路信息，通過(guò)PID控制策略和PWM控制技術(shù)對(duì)小車的轉(zhuǎn)向和速度進(jìn)行控制，最后通過(guò)實(shí)物制作與調(diào)試，驗(yàn)證了智能小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以及相應(yīng)控制算法的正確性。

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作者簡(jiǎn)介：石興旺，學(xué)生;任國(guó)臣，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化以及智能裝置。