范海心 朱海龍 程松仁 陶應(yīng)誠(chéng)

摘要：本項(xiàng)目選用32位高速微處理器MK66FX，采用麥克納姆輪全向車模，為其設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的主板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等硬件電路，再通過(guò)軟件編程使其運(yùn)行。在電機(jī)上安裝編碼器測(cè)速，以此進(jìn)行閉環(huán)控制。循跡的功能由 OpenMV 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)了圖像識(shí)別和路徑擬合，接下來(lái)使用 PID 算法控制輪子差速。如果有陽(yáng)光直射，通過(guò)在攝像頭上增加濾光片，并對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪;單片機(jī);OpenMV;圖像識(shí)別

21世紀(jì)是信息化和自動(dòng)化的世紀(jì)，人們的生活在方方面面都得到了極大的便利。隨著攝像頭和處理器性能的提高、圖像處理算法的進(jìn)步，機(jī)器視覺(jué)在很多領(lǐng)域已經(jīng)超過(guò)人眼識(shí)別的效率和準(zhǔn)確率。以圖像處理為核心設(shè)計(jì)的智能小車，正是無(wú)人駕駛汽車的初步實(shí)現(xiàn)。本文主要介紹智能小車的研究與設(shè)計(jì)，分為硬件設(shè)計(jì)和軟件編程進(jìn)行闡述。

1.? 設(shè)計(jì)目標(biāo)和研究方向

設(shè)計(jì)一輛能夠自動(dòng)尋找目標(biāo)，對(duì)其快速定位繼而移動(dòng)到附近的車模， 并在追尋目標(biāo)過(guò)程中避開(kāi)前方障礙。為了完成此目標(biāo)，一是選取合適的車模、傳感器、處理器;二是完成硬件電路的設(shè)計(jì)、制作和焊接;三是硬件的安裝和機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整;四是對(duì)軟件的編程，以實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化功能。

2.? 系統(tǒng)層面方案設(shè)計(jì)

追尋目標(biāo)和避開(kāi)障礙的任務(wù)，對(duì)車模的加減速和靈活特性有著很高的要求，因此選取基于麥克納姆輪，可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式的全方位式移動(dòng)車模：北京科宇公司出品的 H 車模，材質(zhì)堅(jiān)固，尺寸為25*20*16.9cm，小巧而輕便，非常適合用于此項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

由于需要對(duì)速度進(jìn)行精確控制，高精度的速度測(cè)量和盡可能短的控制周期，傳統(tǒng)流行的8位單片機(jī)的計(jì)算能力和主頻難以滿足。經(jīng)過(guò)對(duì)價(jià)格、開(kāi)發(fā)成本、性能的綜合考慮，我們采用恩智浦公司的32位單片機(jī)MK66FX 為核心微處理器。該單片機(jī)的主頻最高可達(dá)200Mhz;144腳的封裝，IO 資源豐富;使用 C 語(yǔ)言編程，官方配備各個(gè)模塊的庫(kù)函數(shù)，開(kāi)發(fā)效率高。

圖像處理采用 OpenMV 模塊，該模塊使用 MicroPython 編程，可以完成識(shí)別目標(biāo)的任務(wù)后通過(guò)串口發(fā)送結(jié)果到單片機(jī)，攝像頭和單片機(jī)各司其職，接口變量簡(jiǎn)潔清晰，做到了設(shè)計(jì)上的高內(nèi)聚，低耦合。需要避開(kāi)的障礙各種各樣，統(tǒng)一使用攝像頭識(shí)別幾乎是不可能完成的，因此使用紅外測(cè)距模塊，安裝在車模前方，以距離判斷是否有障礙。

綜上，該系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：檢測(cè)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)包括：攝像頭和紅外測(cè)距儀對(duì)外界信息的采集、編碼器對(duì)輪子轉(zhuǎn)速的采集。信號(hào)處理部分采用是恩智浦公司的 MK66FX 作為主控芯片，對(duì)取得的信號(hào)進(jìn)行快速處理?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)主控芯片輸出的信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，四個(gè)麥克納姆輪差速，速度融合實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。

3.? 電路硬件設(shè)計(jì)

3.1???? 電源管理

電池使用2S 航模電池，電池電壓直接通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊給電機(jī)供電;3.3V電壓是保證 K66芯片以及編碼器等外設(shè)的供電需求，應(yīng)用線性穩(wěn)壓芯片代替開(kāi)關(guān)電源芯片，電路供電更加穩(wěn)定，AD 采集更加準(zhǔn)確，我們運(yùn)用了 TPS7333線性穩(wěn)壓芯片，效果比較穩(wěn)定。5V 電壓是保證 OpenMV 和測(cè)距模塊的供電需求。采用兩塊 TPS7350線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。

3.2???? 外設(shè)選取

為了減少車輛負(fù)載，測(cè)速模塊采用體積較小的512線 mini 編碼器;在調(diào)試時(shí)必要的會(huì)需要對(duì)行進(jìn)時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)用藍(lán)牙模塊可以很方便的實(shí)現(xiàn);OLED 屏幕對(duì)菜單顯示，配合五向按鍵可以方便調(diào)節(jié)參數(shù)。實(shí)際設(shè)計(jì)中我們使用了三個(gè) GP2D12紅外傳測(cè)距感器，用來(lái)判斷車前進(jìn)方向是否有障礙物。

3.3???? 主板設(shè)計(jì)

主板以 MK66FX 核心板為中心，引出需要用到的引腳，設(shè)計(jì)各個(gè)外設(shè)需要的接口電路，再放置前文提到的電源管理芯片，為單片機(jī)和外圍器件供電。

3.4???? 驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

雙路 BTN7971b 組建全橋電機(jī)控制電路，最大電流可達(dá)70A，很好地滿足要求。并利用74ls244邏輯緩沖芯片將 PWM 波與單片機(jī)隔離，有效保護(hù)單片機(jī)。由于車模有四個(gè)電機(jī)，需要8個(gè) BTN7971b 芯片來(lái)搭建驅(qū)動(dòng)板。

3.5???? 機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝

H 型車模預(yù)留有電池的安裝槽，且貼合了降低重心、貼近地盤的要求。H 型車模共四個(gè)電機(jī)，因?yàn)殡娐钒弩w積的限制，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩塊驅(qū)動(dòng)板以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別靠近電機(jī)安裝在車模的頭部和尾部，至于主板直接安裝在電池上方。驅(qū)動(dòng)板和主板都使用 M3銅柱和螺母固定。為了更好地固定編碼器，我們制作了支架，將其固定在電機(jī)的車輪側(cè)邊。

攝像頭越高，視野越寬廣，利于處理;然而，攝像頭越高，會(huì)導(dǎo)致攝像頭車模行駛時(shí)的抖動(dòng)，影響控制精度，不利于車模行駛。經(jīng)過(guò)各種嘗試，把攝像頭安裝在20厘米處，實(shí)際效果較好。

4.? 軟件編程實(shí)現(xiàn)效果

4.1???? 底層代碼

商家在出售核心板時(shí)贈(zèng)送芯片的模塊使用例程和庫(kù)函數(shù)，大大方便了我們的開(kāi)發(fā)和使用。首先閱讀和調(diào)試?yán)?，學(xué)會(huì)使用庫(kù)函數(shù)，將控制的引腳對(duì)應(yīng)到自己設(shè)計(jì)制作的主板上的實(shí)際引腳測(cè)試功能。測(cè)試完所有的所需功能后，為了使代碼的邏輯更加清晰，可讀性和可維護(hù)性更強(qiáng)，將庫(kù)函數(shù)進(jìn)行二次封裝，實(shí)現(xiàn)高度集成的函數(shù)。

4.2???? PID 控制

每個(gè)電機(jī)的實(shí)際性能不同，每個(gè)輪子的實(shí)際阻力也不同，若簡(jiǎn)單的采用開(kāi)環(huán)控制，給所有電機(jī)相同的占空比，就會(huì)出現(xiàn)實(shí)際速度不同的情況，即目標(biāo)速度和設(shè)定速度有差異;再加上麥克納姆輪的特性，速度不正確，方向也不會(huì)正確，所以需要通過(guò)閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制，使輪子可以實(shí)時(shí)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速。電機(jī)控制一般采用PID 算法，單片機(jī)這種離散系統(tǒng)適用的 PID 算法有增量式PID 和位置式 PID。由于增量式 PID 相對(duì)于位置式PID 有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以我們選擇增量式 PID 作為速度控制算法，用編碼器獲取速度作為反饋量，每5ms 實(shí)現(xiàn)一次閉環(huán)控制。

4.3???? 圖像處理

我們采用 OpenMV 來(lái)采集場(chǎng)地中的目標(biāo)信息，兼顧圖像質(zhì)量和芯片處理速度，設(shè)置圖像分辨率為彩色 QVGA，采集到的圖像大小為320*240，幀率約為30。攝像頭采集的圖像可能受各種因素影響，要通過(guò)調(diào)節(jié)曝光時(shí)間、像素時(shí)鐘等方式獲得最佳圖像。利用 OpenMV 的彩色識(shí)別算法，通過(guò)細(xì)調(diào)LAB 閾值來(lái)捕獲目標(biāo)發(fā)出的紅光，提取所捕獲到的紅色色塊的中心坐標(biāo)和色塊大小發(fā)送給單片機(jī)。

4.4???? 路徑規(guī)劃

中心坐標(biāo)即目標(biāo)的坐標(biāo)來(lái)確定小車前進(jìn)方向，色塊大小即小車距離目標(biāo)的距離大小的反映。為了避免撞到目標(biāo)，距離遠(yuǎn)時(shí)速度較快，距離近時(shí)速度較慢，并在抵達(dá)目標(biāo)后停下，尋找下一個(gè)目標(biāo)。如果在追尋目標(biāo)的過(guò)程中遇到障礙物，先橫移避開(kāi)障礙物，直到檢測(cè)不到障礙物后返回原先路徑。

5.? 結(jié)語(yǔ)

本文從整體、硬件、軟件方面介紹了車模的設(shè)計(jì)和制作方案。硬件方面，我們綜合考慮車模的需求設(shè)計(jì)了穩(wěn)定可靠的電路和較為完善的機(jī)械結(jié)構(gòu)。軟件方面我們力求優(yōu)美的行駛路徑，多次優(yōu)化識(shí)別算法和避障策略，不斷地調(diào)試和修改參數(shù)，最終讓車?？梢暂^好的完成任務(wù)。

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創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目：基于高速微處理器及智能攝像頭控制的循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（編號(hào)：201910378204）