基于K60的智能循跡小車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

藍(lán)海鍵

摘要：智能化是今后世界發(fā)展的方向。智能設(shè)備能夠在非人為干擾下自動(dòng)完成預(yù)先設(shè)定的任。智能循跡小車就是其中一個(gè)體現(xiàn)。在特定工作環(huán)境下，這種小車可以協(xié)助工作人員高效安全地完成目的任務(wù)。智能循跡系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間、容易疲勞的環(huán)境下得到很好的應(yīng)用。在特定的工作環(huán)境下，設(shè)定特定標(biāo)志物，智能循跡系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別相應(yīng)標(biāo)志物和預(yù)先設(shè)定的流程自主完成目標(biāo)工作。主要工作原理如下：（1）硬件控制核心是飛思卡爾kenitis K60DN512Z單片機(jī)，由0V7620作為傳感器獲取圖像數(shù)據(jù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)用BTS7970芯片，采用PWM方波控制S3010舵機(jī)轉(zhuǎn)向。（2）軟件由freescale codewarrior v10.6開發(fā)環(huán)境用C++語(yǔ)言編寫程序和編譯。3.軟件通過(guò)邊沿提取模塊和PID控制原理控制智能小車運(yùn)動(dòng)軌跡。

關(guān)鍵詞：圖像處理；智能小車；循跡；PID算法

0 引言

智能循跡汽車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。近年來(lái)，智能車輛已經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都將其納入到各自重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。

智能循跡小車系統(tǒng)是通過(guò)freescale kenitisK60DN512Z單片機(jī)作為控制核心。結(jié)合穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、OV7620驅(qū)動(dòng)電路和S3010舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等硬件組成智能小車，通過(guò)freescale codewarrior v10.6開發(fā)環(huán)境開發(fā)和編譯軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能小車對(duì)行駛路線的智能循跡。設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用BTS7970芯片，使用PWM方波控制輸出電壓值，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。使用OV7620對(duì)路況灰度信息獲取，控制算法進(jìn)行濾波并且提取二維畫面的邊沿，控制S3010舵機(jī)轉(zhuǎn)向使小車在合理路徑上通過(guò)預(yù)定速度穩(wěn)定行駛。路面狀況是藍(lán)背景上鋪設(shè)白色道路和黑色邊界，設(shè)有直道、連續(xù)s形彎道、1/4圓弧彎道、3/4圓弧彎道、3π/4弧形道路、直角彎以及十字彎道。

1 本領(lǐng)域開發(fā)概況

基于freescale kenitis K60DN512Z單片機(jī)作為控制核心的智能循跡小車主要由全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽相關(guān)參與人員進(jìn)行開發(fā)。由于單片機(jī)在運(yùn)行速度以及硬件資源上不如PC機(jī)快和豐富，因此在圖像識(shí)別程序模塊設(shè)計(jì)上與PC版本有較大差異。文章所涉及的軟件系統(tǒng)主要考慮到了節(jié)約時(shí)間、低占用資源率以及高穩(wěn)定性。在硬件系統(tǒng)的制作上，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)采用低重心、抗靜電干擾的原則。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主板以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用Altium Designer設(shè)計(jì)。這套軟件具有原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等功能。全部設(shè)計(jì)過(guò)程由筆者自主完成。首先創(chuàng)建空工程，添加原理圖文件繪制電路的電氣連接，并且提供相應(yīng)元件預(yù)繪制的封裝。然后添加PCB文件，并且把原理圖文件導(dǎo)進(jìn)PCB文件，在PCB文件上進(jìn)行設(shè)計(jì)電路外形、布線走向、元件布局以及繪制自主標(biāo)志等。在布局上，本著均勻分布、左右盡量對(duì)稱的原則。在首期開發(fā)的電路版本上，還提供了調(diào)試接口，例如撥碼開關(guān)等。

電路板塊、電池以及S3010舵機(jī)的安裝和調(diào)試是在電路板設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行的相當(dāng)重要的一次整車設(shè)計(jì)過(guò)程。筆者設(shè)計(jì)的電路板居于車模前端，電池安裝在后端，目的為了提高整車抓地力，防止高速運(yùn)行時(shí)打滑。電路板開孔，攝像頭支架可以穿過(guò)，節(jié)約了空間。S3010舵機(jī)主要是雙桿長(zhǎng)度相近調(diào)試，在給定的合適PWM信號(hào)下，使之打到中間，利用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量桿長(zhǎng)并且調(diào)試使兩者盡量接近。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)利用C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。在本領(lǐng)域大多數(shù)開發(fā)者均使用C語(yǔ)言，筆者采用C++語(yǔ)言的原因是減少全局函數(shù)、變量的利用。同時(shí)C++語(yǔ)言面向?qū)ο蟮木幊趟枷胗欣趯?duì)開發(fā)過(guò)程中眾多參數(shù)進(jìn)行管理，提高開發(fā)效率。通過(guò)實(shí)踐，在開發(fā)上本系統(tǒng)運(yùn)行相當(dāng)穩(wěn)定。

硬件初始化模塊實(shí)現(xiàn)。本部分主要涉及K60芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、FTM模塊初始化、通信模塊初始化、DMA初始化、中斷初始化以及相應(yīng)10口初始化等。本系統(tǒng)運(yùn)行于96MHZ的總線時(shí)鐘下通過(guò)FTM可以輸出PWM信號(hào)控制外部舵機(jī)轉(zhuǎn)角以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出量。通信模塊在本系統(tǒng)中主要用于調(diào)試和攝像頭參數(shù)設(shè)置。DMA是直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)技術(shù)的英文縮寫；DMA傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另外一個(gè)地址空間，當(dāng)CPU初始化這個(gè)傳輸動(dòng)作，傳輸動(dòng)作本身是由DMA控制器來(lái)實(shí)行和完成。根據(jù)硬件手冊(cè)和PID算法需要，系統(tǒng)采用了外部中斷和PIT定時(shí)中斷。

數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)。OV7620傳感器獲取回來(lái)的數(shù)據(jù)是顯示對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度，它是一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)。系統(tǒng)初始化完成后首先采集一場(chǎng)數(shù)據(jù)求取數(shù)學(xué)期望。該數(shù)學(xué)期望作為圖像二值化處理的閾值。對(duì)圖像二值化處理后，搜索最下行白色連續(xù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，將小于5的白色點(diǎn)改為黑色點(diǎn)，實(shí)際選擇上應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境亮度。并且取出最長(zhǎng)白線位置，將此線左右邊界作為參考值在倒數(shù)第二行同一位置左右特定范圍內(nèi)搜索黑白跳變點(diǎn)，同樣道理繼續(xù)搜索下一行，直到兩個(gè)邊界均丟失。由獲取到的邊界計(jì)算中心值，與列數(shù)中值比較計(jì)算數(shù)學(xué)期望。然后使用PID算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角。前期調(diào)試建議只加P值，調(diào)試只有穩(wěn)態(tài)誤差后相應(yīng)加I或D。低速狀況下（<=1m/s），筆者系統(tǒng)只有P，運(yùn)行相當(dāng)穩(wěn)定。高速調(diào)試時(shí)，加P參數(shù)能夠使彎道過(guò)得穩(wěn)定，但是直道略有抖動(dòng)，筆者嘗試添加D參數(shù)，效果得到很好的改善。

4 結(jié)語(yǔ)

智能循跡小車設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)涉及到的學(xué)科比較多，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。硬件的合理調(diào)試和穩(wěn)定根本上決定智能汽車軟件運(yùn)行效果，提高硬件可靠性有利于后期軟件開發(fā)和維護(hù)。軟件開發(fā)上，應(yīng)當(dāng)提前制定接口標(biāo)準(zhǔn)、命名標(biāo)準(zhǔn)、資源利用率和程序運(yùn)行效率要求，從而有利于后期調(diào)試和維護(hù)。對(duì)智能循跡小車的研究加深，有利于技術(shù)上跟上世界智能化的潮流，落實(shí)我國(guó)科教興國(guó)的戰(zhàn)略思想。