智能電動車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件模塊的研究與設(shè)計

曹亮

摘 要：本課題選用飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司推出的 Kinetis 系列微控制器K60為核心控制器，該系列芯片具有很好的數(shù)據(jù)處理能力以及豐富的外設(shè)資源。在硬件方面再配以攝像頭，無線模塊等，使得我的硬件設(shè)計簡單，集成性好，工作穩(wěn)定，操作方便，容易實現(xiàn);在軟件方面從數(shù)據(jù)的采集，處理，PID控制方法等方面詳細(xì)闡述了該智能電動小車的原理和設(shè)計思想，再通過無線技術(shù)，傳輸采集的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上時時的顯示賽道的信息，讓人直觀的看到車輛行駛的狀況。這些方法體現(xiàn)了該智能電動小車硬件設(shè)計的合理性等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：飛思卡爾單片機(jī);攝像頭;控制算法;上位機(jī)

1 引言

在今天的社會生活中，車輛與我們息息相關(guān)，然而車輛發(fā)展到現(xiàn)在還不是很完備，特別是在智能化、節(jié)能環(huán)保以及安全性等方面，這是由于在智能，環(huán)保，安全上并沒有很好地解決好這些問題，從而導(dǎo)致交通越來越擁堵、環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，重大交通事故越來越多等問題。近些年來隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)的日益崛起以及越來越被關(guān)注的環(huán)境污染問題，汽車將不再是一個單一的只會污染環(huán)境的機(jī)械產(chǎn)品，而是越來越接近一個在互聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下的節(jié)能型電子產(chǎn)品，并且日益得到完善，智能電動車聯(lián)網(wǎng)越來越成為新型電動車汽車在控制領(lǐng)域內(nèi)研究的一個創(chuàng)新點，未來，汽車行業(yè)也將進(jìn)軍互聯(lián)網(wǎng)并最終成為其中的一員。智能電動聯(lián)網(wǎng)汽車可以減少交通事故，可以減少環(huán)境污染;可以讓汽車采集路況信息并將信息傳送給城市交通指揮中心，從而可以選擇最佳的行車路線，進(jìn)而有效避免交通擁堵。這樣在道路上，即使沒有信號燈，汽車也可以保持高速的行車速度，路上也不會有堵塞，事故的現(xiàn)象，從而解決城市交通問題及環(huán)境污染問題。

實際應(yīng)用的五點總結(jié)：因為傳感技術(shù)，無線通信技術(shù)和GPS技術(shù)在現(xiàn)階段已將各自發(fā)展的相對成熟，那么在未來的汽車交通中可以試著結(jié)合這幾種技術(shù)，這樣就可以全方位，多層次的建立車輛之間的聯(lián)系。這種綜合的技術(shù)將被主要應(yīng)用在如下幾個方面：

1.1 交通事故的急救。當(dāng)大型事故發(fā)生時或者特殊事件時，車輛就會自動開啟車載系統(tǒng)發(fā)射求救信號，通過車載無線通信系統(tǒng)發(fā)出求救信息給通信中心工作人員，工作人員可以利用GPS技術(shù)對事故地點進(jìn)行精確的定位，并及時作出最優(yōu)的救援方案，并且在救援與車內(nèi)人員進(jìn)行溝通，穩(wěn)定車內(nèi)人員的情緒，減少他們精神，生命，財產(chǎn)的損失。

1.2 出行自動導(dǎo)航。還可以根據(jù)司機(jī)目的地和實時路況信息，最快到達(dá)目的地的路徑，甚至為出租車司機(jī)尋找最有可能少走路線多載乘客的路線。很多國際大型汽車公司都已經(jīng)開始了實驗：日本豐田與2009年引入一個G-Book智能副駕系統(tǒng)，美國通用汽車2009年將凱迪拉克和別克等車型上使用nStar技術(shù)，福特，日產(chǎn)等汽車企業(yè)相繼發(fā)布了網(wǎng)絡(luò)中心車載平臺。在未來的道路上我們將會看到老人，小孩，殘疾人，盲人都可以隨心所欲的駕駛著自己的汽車，人類社會將變得更加和諧美好。

1.3 交通管理。將先進(jìn)的信息分析技術(shù)，傳感技術(shù)，無線通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有效地集成[13]，運用于整個交通管理，從而在交通上全方位發(fā)揮作用的，準(zhǔn)確高效的運輸和管理。

1.4 緩解駕駛疲勞。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的未來，紅綠燈將不會出現(xiàn)在城市交通，交通擁堵，交通事故和停車難都將得到有效的解決。現(xiàn)如今駕駛者在駕駛過程中極度的緊張了和疲勞，這種技術(shù)可以讓駕駛者不必考慮交通的路況，盡情的享受車外的美景。

1.5 用于協(xié)助駕駛

利用車輛與公路的通訊設(shè)施之間進(jìn)行傳感和通信，例如車輛發(fā)生交通事故、汽車在郊外拋錨、道路緊急情況以及無法預(yù)測的危險等，通過車聯(lián)網(wǎng)可以提前告知將要經(jīng)過發(fā)生交通事故路段的駕駛者，這有利于駕駛者及時的更改線路，縮短行程的時間，同時也有利于道路的暢通，而且這些還有助于駕駛者把注意力放在安全上，保持車距，提高安全性。另一方面路況信息及時的進(jìn)行車與車之間的通信可以方便與很多駕駛者，就能有效緩解交通擁堵。同時，智能停車場管理也可引入?yún)f(xié)助駕駛技術(shù)，例如車主駕駛到一個從未來過的地方，就可能造成車主找不到停車的地方，此時就可通過車聯(lián)網(wǎng)或者車與車之間的通信進(jìn)行搜索，找到合適的停車位，使行程更加方便，快捷，美好。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本課題設(shè)計主要研究基于飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MK60DN512為核心控制模塊，通過OV7725，CMOS攝像頭對小車行駛的賽道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用硬件模擬比較器對采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理還原真實圖像，找到賽道倆邊的黑線，計算賽道的中心線位置;通過安裝在車輪上的歐姆龍編碼器檢測獲得小車的行駛時速度，使用PID控制算法和PD控制算法分別調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度，從而實現(xiàn)了對小車運動速度的PID控制和運動方向的PD控制。并且通過無線傳輸將賽道的信息，智能車的位置，速度，舵機(jī)轉(zhuǎn)角等參數(shù)時時的顯示在上位機(jī)上，以便數(shù)據(jù)共享。為車聯(lián)網(wǎng)做好準(zhǔn)備。

3 硬件方案設(shè)計

本設(shè)計的核心板選用的是飛思卡爾的核心板K60，經(jīng)攝像頭OV7725采集回來賽道信息，再硬件二值化處理，DMA傳輸?shù)教幚砥?，對?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷賽道是直道還是彎道，如果是直道則通過編碼器采集回來的速度信息對小車進(jìn)行加速;如果是彎道則對小車進(jìn)行減速且對舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)角控制，實現(xiàn)閉環(huán)控制。把所有的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳送到上位機(jī)，使我們可以清晰的看到小車在行駛過程中對賽道的識別狀態(tài)及數(shù)據(jù)共享，見圖1。

4 電源模塊的設(shè)計

本車使用的是7V2（理論7V2，但是真的充好電了可以達(dá)到10V，甚至更高）的電池，所以要降壓。常用的電源主要有二大類：

4.1 串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源

優(yōu)點是：產(chǎn)生的電信號紋波小，所需的外圍電路少。

缺點是：由于大部分的能力以熱量的形式耗散，所以其效率不高。

4.2 開關(guān)型穩(wěn)壓電源

優(yōu)點是：由于電路中有儲能元件電容電感，所以功耗小，效率高。

缺點是：所需外圍電路比較復(fù)雜，產(chǎn)生的電信號的紋波大。不適合為單片機(jī)所需要的3V3供電。

綜合以上考慮：我選用線性度好的串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源LM2940-5和LM1117兩次降壓得到3V3為單片機(jī)供電。這樣單片機(jī)的電源是絕對不會有問題的了;再選用開關(guān)型穩(wěn)壓電源LM2596-5單獨為舵機(jī)供電，就會很好的滿足舵機(jī)所需的大電流要求;剩余的電路再選用一片LM2940-5為其供電。這種分開為控制電路和驅(qū)動電路供電的方法在后續(xù)制作硬件的過程中被證明是可行的，有效的解決了舵機(jī)供電電流不足和單片機(jī)工作過程中受干擾的現(xiàn)象，見圖2、圖3。

5 核心板模塊的設(shè)計

這款核心板的優(yōu)點就是硬件做的緊湊，功能全：指示燈，SD卡都有了，而且重量輕;它的缺點就是：它的下載接口是OSJTAG，我們大多數(shù)的下載器是JLINK，那么就需要一個轉(zhuǎn)接板，而且很容易壞，見圖4。

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