智能車自主導航系統(tǒng)設計

李少兵　張強　張美玲

摘 要：本設計是一種基于攝像頭的智能車自主導航系統(tǒng)，采用飛思卡爾公司的S12XS128單片機為控制核心，主要由電源模塊，電機驅(qū)動模塊，攝像頭，舵機，以及反饋控制模塊構成，實驗表明，智能小車能很好地識別賽道信息，并作出判斷，實現(xiàn)了自主轉(zhuǎn)彎，過障礙等功能。

關鍵詞：智能汽車；自主導航；單片機；自主轉(zhuǎn)彎；過障礙

智能小車是一結合了很多學科的綜合的制作，它包括了虛擬智能、機械設計、高等數(shù)學、信號處理、傳感器技術、電路設計、C語言、單片機、自動控制原理等學科。本設計采用攝像頭作為采集信號的模塊，微處理器接收處理信號，并把這個處理過的信號作為小車導航的依據(jù)，來控制小車轉(zhuǎn)彎、前進、停止、加速等，從而實現(xiàn)小車在環(huán)境較簡單的情況下的自主導航。

1 方案論證

1.1 加固車模底盤，使之成為剛體，可以有效減少小車在行駛時產(chǎn)生的震動以及震動對攝像頭的影響。

1.2 小車在轉(zhuǎn)彎，過障礙時容易發(fā)生側(cè)翻，可以適當降低小車底盤，增加其可控性，防止側(cè)翻發(fā)生。

1.3 測試賽道比較平坦，光滑，小車在直的長賽道上行駛時，易沖出賽道，可以在車輪上套上防滑套，來減少因速度快造成的輪胎磨損，增加輪胎的抓地性能，從而提高小車的操控性，同時使馬力能更好的傳到地面驅(qū)動小車加速。

1.4 電機驅(qū)動模塊是智能小車重要的模塊之一，需要性能穩(wěn)定、可靠性高、散熱性好等特點，所以采用BTN7971芯片作為電機驅(qū)動芯片。并且該芯片具有自我保護能力，抗電子干擾能力強，且對環(huán)境的適應能力較強，加速過程快等優(yōu)點[1]。

1.5 智能車系統(tǒng)采用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池進行供電，但各個模塊所需要的電壓不同，因此需要進行電壓調(diào)節(jié)。7.2V直接為BTN7971供電，使用LM7806（6V）將7.2V穩(wěn)壓成6V后給舵機供電，用LM2940（5V）分別為單片機、攝像頭編碼器供電。

1.6 智能車的轉(zhuǎn)向控制是關鍵的技術之一，轉(zhuǎn)向性能的好壞和轉(zhuǎn)向控制的適當與否對智能小車的速度及穩(wěn)定性有很大的影響。舵機本身是一個隨動系統(tǒng)，影響舵機控制性能的一個重要參數(shù)是舵機的響應速度，而舵機的響應速度直接影響智能車通過彎道的最高速度，適當?shù)靥岣叨鏅C的工作電壓可以提高舵機的響應速度，把舵機改裝在兩個轉(zhuǎn)向輪中間，以此來減小響應時間，根據(jù)杠桿原理加長力臂，來增加舵機的扭轉(zhuǎn)能力，提高了小車的轉(zhuǎn)向控制速度[2]。

1.7 攝像頭是路徑檢測器件，是智能小車系統(tǒng)的信號輸入模塊，主要檢測的是賽道相對于智能小車的偏移量、方向、曲率等信息，這些信息是小車自主沿賽道運行的信息基礎，獲得更多、更遠、更精確的賽道信息是提高車模運行速度的關鍵。所以說路徑識別系統(tǒng)的好壞，直接關系到最終性能的優(yōu)劣。使用攝像頭檢測方式的最大優(yōu)點是：檢測的前瞻范圍比較寬，可以比較快地檢測到轉(zhuǎn)彎等路面信息，以便提早做出轉(zhuǎn)彎、剎車等操作，有利于速度的提高[3]。但是攝像頭的選取必須慎重，既要保證圖像質(zhì)量好，滿足后續(xù)處理和賽道識別的要求，目前是市場上主要有兩種攝像頭，CCD模擬攝像頭和CMOS數(shù)字攝像頭，CCD模擬攝像頭的優(yōu)點是靈敏度高，即使高速運行也可以獲得清晰的圖像，但是缺點是成本高、功耗大、重量大、需要12V供電。CMOS數(shù)字攝像頭的優(yōu)點是體積小、重量輕、功耗低，5V即可正常工作，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，直接輸出數(shù)字信號，因此使用非常方便，電路要求簡單，價格便宜。單片機的I/O口可以直接接受的是數(shù)字信號，模擬信號要經(jīng)過處理成數(shù)字信號后單片機才能使用，所以想要使用CCD模擬攝像頭需要自己搭建整理模擬信號的電路，這加大了制作智能車的難度，但是用CMOS數(shù)字攝像頭在小車高速運行時，動態(tài)性能較差，容易出現(xiàn)圖像模糊?；赬S128單片機的處理能力，攝像頭不是分辨率越高越好，綜合考慮之后選擇CMOS數(shù)字攝像頭。

在攝像頭的安裝上，選擇了四個自由度的安裝，可以更加靈活地對攝像頭的角度進行調(diào)整。

攝像頭除了高度和選型之外，位置也很重要。后置主要問題是轉(zhuǎn)彎時過程滯后，而前置的主要問題是由于車身抖動，造成成像模糊，綜合考慮之后，把攝像頭放在中間靠前的位置，既可以減少震動造成的影響，又可以解決轉(zhuǎn)彎滯后問題。

攝像頭支架選用碳纖維管，具有質(zhì)地輕，剛性大，直徑小，堅固等優(yōu)點。支架底部采用上下雙重固定方法，這樣固定不僅牢固，更減輕了電機轉(zhuǎn)動帶來的震動干擾。

1.8 在智能小車的設計中，有一個模塊必不可少就是光電編碼器，光電編碼器通過計算單位時間內(nèi)編碼輸出的脈沖來計算出小車的速度，這樣把這個速度反饋給主處理器，主處理器就對小車的實時速度有了檢測，這樣更有利于控制小車速度。

2 軟件部分

系統(tǒng)由中斷采集程序?qū)z像頭傳回的圖像進行采集，然后單片機對傳回來的圖像進行處理、判斷、計算得到控制參數(shù)，再用控制參數(shù)去控制舵機和電機，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、加速、減速、停止等功能。

小車在行駛過程中分為直道、彎道、交叉口等，由于攝像頭傳回的數(shù)據(jù)很大，而且傳輸?shù)暮芸欤瑔纹瑱C在有限的頻率下無法采集所有數(shù)據(jù)，因此只能有選擇的選取圖像。得到一場視頻信號后，單片機從中提取黑線，并通過限幅濾波算法判斷黑線的偏差值。不同的路況攝像頭所采集的圖像的有效行數(shù)和偏差值是不同的，在過彎道時，有效值會減小，偏差值會增大，這樣就可以利用有效行和偏差值來控制小車的速度和方向。

3 測試與結果

小車的機械結構對小車整體性能影響很大，需反復調(diào)試小車的機械結構才能找到合適的解決方案，小車在直道上行駛時，小車加速明顯，當攝像頭檢測到前方有彎道時，小車立即減速，然后通過彎道。切換小車速度，提高PWM占空比，小車行駛時可以明顯看見小車提速，再接近彎道時小車減速，然后順利通過彎道。

參考文獻

[1]O'Reilly.愛上制作（第二期）[M].人民郵電出版社，2011.

[2]攝像頭組-安徽工業(yè)大學-D-I隊技術報告[R].

[3]蔡述庭.飛思卡爾杯智能汽車競賽設計與實踐[M].北京航空航天出版社，2012.