小車導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)小車導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)小車從起點(diǎn)到救援區(qū)的賽道部分的導(dǎo)航通過攝像頭實(shí)現(xiàn)，利用攝像頭對道路信息進(jìn)行采集，再通過單片機(jī)MC9S12XS128對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出小車在賽道中的位置，從而控制小車沿著賽道行駛，保證小車在整個(gè)行駛過程中不壓線出界。圖3主控芯片MC9S12XS128圖4OV7620攝像頭實(shí)物圖救援區(qū)LED探測方案設(shè)計(jì)救援區(qū)設(shè)置有四個(gè)待救援位置，其中一個(gè)放置1Hz閃爍LED指示燈，其余放置常亮LED指示燈，救援車根據(jù)1Hz閃爍LED燈提示選擇位置停車。LED的探測由光敏三極管實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，在小車的前方安裝四個(gè)由光敏三極管制作的探測頭，當(dāng)小車到達(dá)救援區(qū)即半圓圓心處時(shí)，立即讓小車停止，分別檢測半圓圓弧上四個(gè)待救援位置方向的LED發(fā)出的光強(qiáng)，其中光強(qiáng)相對較弱的為1Hz閃爍LED燈，即要尋找的救援車停車位置。進(jìn)入待救援位置方案設(shè)計(jì)當(dāng)小車探測到1Hz閃爍LED燈提示的停車位置后，小車就開始啟動，行駛到待救援位置停車。然而此時(shí)小車不能再由攝像頭來導(dǎo)航，因?yàn)榫仍畢^(qū)沒有黑線制作的賽道?？梢赃x擇如下三種方案：（1）利用由光敏三極管制作的四個(gè)探測頭，探測1Hz閃爍LED燈，引導(dǎo)小車進(jìn)入停車位。（2）在每個(gè)待救援位置處安裝一個(gè)激光發(fā)射裝置，小車上安裝一個(gè)激光接受矩陣，沿著已檢測出的停車位所發(fā)出的那束激光進(jìn)入停車位。（3）在小車正前方安裝一個(gè)電子羅盤，當(dāng)小車停在半圓圓心處時(shí)，四個(gè)停車位在圓弧上的位置已經(jīng)確定，每個(gè)停車位相對于小車的方向也已經(jīng)確定，用電子羅盤做指南針，引導(dǎo)小車進(jìn)入已被探測到的停車位。第一種方案比較難操作，因?yàn)樗膫€(gè)待救援都有LED在發(fā)光，只是那個(gè)1Hz閃爍LED燈的光會弱一些，當(dāng)小車在救援區(qū)內(nèi)可能會由于其他LED的影響而進(jìn)錯(cuò)停車位；第二種方案不確定是否滿足賽題的要求，賽題沒有明確規(guī)定能否在停車位處放置其他的引導(dǎo)裝置；第三種方案方便操作，只需在小車正前方安裝一個(gè)電子羅盤，通過程序算法控制小車進(jìn)入停車位，又滿足賽題的要求。圖像采集技術(shù)小車采用OV7620攝像頭傳感器，OV7620是CMOS彩色/黑白圖像傳感器，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。攝像頭采集的賽道圖像為灰度圖像，賽道背景的灰度值與黑色絕緣膠帶的灰度值大小有差別，通過一個(gè)設(shè)定的閾值對灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，賽道背景化為1，兩邊的黑色絕緣膠帶化為0。圖像處理技術(shù)圖像處理主要工作就是相對準(zhǔn)確的提取出兩邊的黑色邊界，然后用均值法求中線，由中線的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)小車的自動導(dǎo)航。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過二值化和簡單的濾波處理后，每一行分成兩邊，從中間開始往兩邊查找0點(diǎn)，如果連續(xù)找到兩個(gè)0點(diǎn)就說明找到邊界，定位賽道的邊界位置，計(jì)算出小車在賽道中的位置?？刂萍夹g(shù)小車舵機(jī)角度的控制采用開環(huán)控制。根據(jù)不同的檢測路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的伺服電機(jī)PWM控制信號，小車轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。速度控制采用PID閉環(huán)控制。為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，需要控制車速，使賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定。通過速度檢測，對車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運(yùn)行得更穩(wěn)定。設(shè)計(jì)思路如下：小車后輪安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)算出小車實(shí)時(shí)速度，與期望小車運(yùn)行的速度比較，通過PID算法得出PWM輸出信號，控制后輪的驅(qū)動電機(jī)來調(diào)整小車行駛速度。救援區(qū)探測技術(shù)路線LED的探測由光敏三極管實(shí)現(xiàn)。在小車的前方安裝四個(gè)由光敏三極管制作的探測頭，當(dāng)小車到達(dá)救援區(qū)即半圓圓心處時(shí)，立即讓小車停止，分別檢測半圓圓弧上四個(gè)待救援位置方向的LED發(fā)出的光強(qiáng)，其中光強(qiáng)相對較弱的為1Hz閃爍LED燈，即要尋找的救援車停車位置。光敏三極管的靈敏度能滿足本系統(tǒng)的要求，當(dāng)然LED的光存在散射，為了提高探測精度，可以對LED光進(jìn)行調(diào)焦處理，使光束盡可能對射到對應(yīng)的探測頭上，還可以為探測頭安裝遮光筒，讓其只接受對應(yīng)的LED發(fā)射過來的光。效果原理圖如圖5所示。進(jìn)入停車位技術(shù)路線因?yàn)樗膫€(gè)待救援位置在半圓上是均勻分布的，當(dāng)小車探測到1Hz閃爍LED燈，就能確定停車位置，得出小車要偏轉(zhuǎn)的角度，然后通過安裝在小車正前方的電子羅盤，引導(dǎo)小車進(jìn)入已被探測到的停車位。準(zhǔn)確進(jìn)入停車位后，由停車標(biāo)志物使小車停止，同時(shí)發(fā)出聲光信號。本小車控制系統(tǒng)采用MC9S12xs128作為主控芯片，有安裝在車前的光電傳感器負(fù)責(zé)采集信號，并將采集到的信號傳入微處理器，單片機(jī)對信號進(jìn)行判別處理后，有PWM模塊發(fā)出PWM波，分別對舵機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行控制，完成小車的轉(zhuǎn)向，前進(jìn)和制動。同時(shí)，我們準(zhǔn)備在小車上安裝光電編碼器，用來采集車輪轉(zhuǎn)速反饋來的信息，并由單片機(jī)進(jìn)行增量式PID控制算法處理后自動調(diào)節(jié)輸入到電機(jī)驅(qū)動模塊的PWM波占空比，從而對小車的速度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如下：由于隧道安排在直道上面，并不需要額外的檢測，而由于賽道設(shè)有窄道，因此對于車軸方向的控制要求相對嚴(yán)格精確，由于對賽道信息的采集顯得相當(dāng)重要，因此我們決定采用相對較精準(zhǔn)的激光傳感器進(jìn)行道路信息的采集。而最后一個(gè)問題是當(dāng)小車進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域后如何以最短的時(shí)間檢測到閃爍頻率為1HZ的LED，從而啟動舵機(jī)奔赴該停車位，由于檢測到1HZ的LED至少需要2秒，為了縮短完成比賽的時(shí)間，決定在進(jìn)入賽道最后直線時(shí)便開始檢測小燈的閃爍。因?yàn)樾舴稚⒌姆秶容^廣，小車需要掃描的面積比較大，綜合以上信息，我們決定采用面行CCD掃面停車位的位置，這樣小車在走完最后一段直路后，不用停留可以直接駛?cè)胪＼噮^(qū)。小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，主要包括主體循環(huán)程序，PID速度控制程序，中斷服務(wù)程序，速度控制算法程序，以及其他些控制程序主程序的大致流程圖如圖所示：四：技術(shù)路線及可行性分析：根據(jù)對被控對象的分析以及簡單穩(wěn)定快速智能的方針，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要包括硬件部分，軟件部分，機(jī)械部分等三個(gè)方面，硬件部分分為六大模塊進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件部分4.1電源模塊：電源是一個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，因此電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，單片機(jī)中接受供電的部分包括：傳感器模塊，單片機(jī)模塊，驅(qū)動電路模塊，轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊。針對本系統(tǒng)的供電要求，采用線性穩(wěn)壓器對系統(tǒng)不同部分進(jìn)行供電。常用的穩(wěn)壓電路分為兩類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的穩(wěn)壓電源。而在開關(guān)電源中則不一樣，開關(guān)管是工作在開關(guān)兩種狀態(tài)下的。開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。而線性穩(wěn)壓電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源，其特點(diǎn)是輸出電壓比輸入電壓低、反應(yīng)速度快、輸出紋波較小、工作產(chǎn)生的噪聲低，但是LDO通常效率較低、發(fā)熱量大（尤其是大功率電源）由于在該系統(tǒng)中功耗較低，且無需過多考慮電源效率問題，因此在設(shè)計(jì)中本文使用了低壓差線性穩(wěn)壓源。電源單元結(jié)構(gòu)如圖4.8所示，由電池組輸入+7.2V電壓，經(jīng)過LM2940穩(wěn)壓成+5V供單片機(jī)等數(shù)字電路使用，經(jīng)過LM1117穩(wěn)壓中+5V供光電傳感器使用，經(jīng)過7806穩(wěn)壓成+6V供伺服舵機(jī)使用，經(jīng)U1117穩(wěn)壓成3.3V供給紅外傳感器電路。因?yàn)锳D轉(zhuǎn)換模塊的基準(zhǔn)電壓要求穩(wěn)定性好，隨溫度變化不明顯，這樣才能保證傳感器采集回來的信息得到正確的處理，經(jīng)比較我們選用TI公司性能最好的基準(zhǔn)電壓芯片ref5040，它穩(wěn)出的電壓是4.096，可以整除10位AD的1024，這樣會加快單片機(jī)的處理速度。舵機(jī)模塊：舵機(jī)驅(qū)動模塊是由舵機(jī)和單片機(jī)的脈寬調(diào)制模塊（PWM）組成的。舵機(jī)的電源有兩種規(guī)格，一種是4.8V的，一種是6V的，由于舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響模型車通過彎道的最高速度，而其響應(yīng)速度由于工作電壓有關(guān)，并且考慮到6V的舵機(jī)扭矩要大一些，過我們采用工作電源為6V的HS-925型舵機(jī)。MC9S12XS128內(nèi)部有8個(gè)帶周期占空比編程的獨(dú)立PWM通道，每個(gè)PWM通道有專用的計(jì)數(shù)器，PWM每個(gè)通道脈沖極性可以選擇，J6為三芯插頭與舵機(jī)相連并為舵機(jī)提供7.2V電源，PWM1即脈寬調(diào)制控制信。光電傳感模塊：光電傳感器檢測路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長的光線，經(jīng)地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，使接收管的感光電流發(fā)生變化程度不同，而從可以將黑白路面區(qū)分開來,從而獲得準(zhǔn)確的路面信息，再進(jìn)過軟件算法的查找，分析出黑線的位置，從而控制車的方向。因此，在傳感器方案中，我們采用激光傳感器實(shí)現(xiàn).發(fā)射部份由PWM信號發(fā)出180KHz頻率的振蕩波后，經(jīng)達(dá)林頓管ULN2003驅(qū)動，使激光管發(fā)光；接收部份由一個(gè)相匹配的選頻約180KHz的接收管接收返回的漫反射光線，經(jīng)過電容濾波后直接接入S12單片機(jī)的PA與PB口，檢測返回電壓的高低。由于激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只對敏感頻率附近的窗口頻率的反射光進(jìn)行解調(diào)，因而可以有效防止各種場地光線對反射激光的影響。編碼器模塊：速度檢測模塊是由光柵編碼器和單片機(jī)的增強(qiáng)型定時(shí)捕捉模塊組成。編碼器通過齒輪與賽車后輪軸進(jìn)行傳動，編碼器每轉(zhuǎn)動一周都會輸出一定個(gè)數(shù)的脈沖，將其輸出端連接在單片機(jī)的增強(qiáng)型定時(shí)捕捉模塊端口上，單片機(jī)就能捕捉到反饋脈沖，計(jì)算兩次脈沖的時(shí)間間隔就能得知當(dāng)前賽車行駛速度。道路檢測模塊設(shè)計(jì)1.1直道導(dǎo)航小車前方安裝一個(gè)CMOS攝像頭，對導(dǎo)航車前方一定空間進(jìn)行圖像采集，并用DSP芯片對采集的圖像進(jìn)行處理，通過邊緣提取的方法提取出兩條黑線，然后將兩條黑線延長，確保圖像的像點(diǎn)在兩條線的角平分線上，從而保證導(dǎo)航車不越過邊線。1.2彎道導(dǎo)航若只用CMOS攝像頭轉(zhuǎn)彎，小車會不穩(wěn)定，因此我們在轉(zhuǎn)彎時(shí)采用光電對管導(dǎo)航。如圖所示，通過光電對管獲得先后的減速和轉(zhuǎn)彎信號，促發(fā)小車執(zhí)行相應(yīng)程序。而CMOS攝像頭，保證過彎后小車迅速歸中走直。入庫方案設(shè)計(jì)先使小車停在圓心處，調(diào)整攝像頭角度，利用CMOS攝像頭圖像處理判斷出閃爍光源，并入庫。視頻采集系統(tǒng)以DSP為核心的視頻處理系統(tǒng)中，視頻采集的方法通常分為兩大類：自動的視頻采集和基于DSP的視頻采集。前者采集模塊的實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜且成本較高，后者通常由DSP控制視頻解碼芯片并同步各種時(shí)序，最后將視頻數(shù)據(jù)讀入存儲器，其特點(diǎn)是視頻采集占用DSP處理時(shí)間多，對DSP速度要求高，但實(shí)現(xiàn)簡單且成本低。我們將采取后者“基于DSP的視頻采集”方案。黑線邊界識別采用CMOS攝像頭對黑線邊界進(jìn)行檢測，芯片對圖像進(jìn)行處理（去噪，銳化，二值化），通過邊緣提取算法，提取黑線輪廓，然后計(jì)算角平分線。.循跡模塊通過對本次比賽的賽道資料的了解，可看到路徑識別模塊是車模等正常行駛的基礎(chǔ)。路徑識別方案的好壞，直接影響到比賽能否順利進(jìn)行。目前能夠用于智能汽車輛路徑識別的傳感器主要有光電傳感器、CCD/CMOS傳感器和電磁傳感器。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、信號處理速度快，但是其前瞻距離有限；CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)則是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號處理卻比較復(fù)雜；電磁傳感器主要通過對賽道邊線線產(chǎn)生的電磁場進(jìn)行識別。綜合考慮，以攝像頭為主，紅外傳感器為輔進(jìn)行路徑檢測，紅外傳感器的電路和軟件設(shè)計(jì)簡單，使用紅外傳感器對路徑檢測受光線的干擾較少，還可以獲得很高的檢測頻率，彌補(bǔ)了攝像頭頻率不高，易受干擾的特點(diǎn)，在檢測路徑時(shí)可以獲得可靠的信息，而攝像頭前瞻性好，兩者可以相互補(bǔ)充。采用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭，其功耗較低，工作電流只有10mA左右，且從CMOS輸出為數(shù)字信號，有助于提高單片機(jī)處理速度。攝像頭可以用OV7620,對于智能車競賽，賽道為白底黑線，故只需采集它的灰度值，即Y組的數(shù)據(jù)就可以完美地表現(xiàn)賽道，而無需去管UV引腳的信號。以下是光電傳感器原理：紅外光電管由于感應(yīng)的是紅外光，常見光對它的干擾較小，是在小車、機(jī)器人等制作中廣泛采用的一種方式。紅外光電管檢測黑線的原理為，由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在上面后反射的部分就較小，接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通過外接的電路就可以讀出檢測的狀態(tài)，同理當(dāng)照射在白色表面時(shí)發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻就比較小。選用芯片BTN7960,其為高強(qiáng)度電流的半橋電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動功率大，可以滿足大電流負(fù)載。用兩片BTN7960可以構(gòu)成全橋驅(qū)動工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時(shí)，帶動位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。舵機(jī)的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這兩根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)，即輸出力矩不同，6.0V對應(yīng)的要大一些，具體看應(yīng)用條件；另外一根線是控制信號線，F(xiàn)utaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個(gè)相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號，有一個(gè)比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。PWM的簡要介紹：PWM聽起來