基于CCD攝像頭智能車(chē)分段PID控制算法設計

自動(dòng)尋跡智能車(chē)涉及到當前高技術(shù)領(lǐng)域內的許多先進(jìn)技術(shù)，其中最主要的是傳感技術(shù)、路徑規劃和運動(dòng)控制。本課題是以飛思卡爾智能車(chē)競賽為背景，以單片機作為核心控制單元，以攝像頭作為路徑識別傳感器，以直流電機作為小車(chē)的驅動(dòng)裝置，以舵機控制小車(chē)轉向。車(chē)模競賽的賽道是一個(gè)具有特定幾何尺寸約束、摩擦系數及光學(xué)特性的KT板，其中心貼有對可見(jiàn)光及不可見(jiàn)光均有較強吸收特性的黑色條帶作為引導線(xiàn)，寬度為2．5 cm。在行駛過(guò)程中，系統通過(guò)攝像頭獲取前方賽道的圖像數據，同時(shí)通過(guò)測速傳感器實(shí)時(shí)獲取智能車(chē)的速度，采用路徑搜索算法進(jìn)行尋線(xiàn)判斷和速度分析，然后作控制決策，控制轉向舵機和直流驅動(dòng)電機工作。智能車(chē)通過(guò)實(shí)時(shí)對自身運動(dòng)速度及方向等進(jìn)行調整來(lái)“沿”賽道快速行駛。本文主要介紹攝像頭通過(guò)提取賽道黑線(xiàn)信息交予單片機處理，通過(guò)單片機輸出控制信號控制舵機轉向來(lái)控制車(chē)模的轉向，從而很好的自動(dòng)循跡。

1 總體軟硬件結構及思路
此智能車(chē)輛定位系統用攝像頭拍攝車(chē)輛前方的賽道，通過(guò)MC9S12XS128采樣視頻信號，獲得圖像數據。然后用合適的算法，如跟蹤邊緣檢測算法，分析圖像數據，提取目標指引線(xiàn)。然后，系統根據目標指引線(xiàn)的位置信息，對舵機和電機施以合適的控制。本智能車(chē)運動(dòng)系統的結構圖如圖1所示。

因為系統是一個(gè)有機的整體，所以需配合好系統的攝像頭、控制單片機、電機(包括直流伺服電動(dòng)機、光電編碼器)、舵機和輔助電路(電源板、電機驅動(dòng)板)等各個(gè)部分。舵機是實(shí)時(shí)控制車(chē)模的轉向，是比賽快速性和穩定性的關(guān)鍵，舵機控制有很多的控制算法，如：PID經(jīng)典控制算法、模糊算法、人工智能算法等。

2 系統程序總體控制流程
系統的基本軟件流程是：首先，對各功能模塊和控制參數進(jìn)行初始化；然后，通過(guò)圖像采集模塊獲取前方賽道的圖像數據，同時(shí)通過(guò)速度傳感器模塊獲取賽車(chē)的速度。采用PID對舵機進(jìn)行反饋控制。另外根據檢測到的速度，結合速度控制策略，對賽車(chē)速度不斷進(jìn)行適當調整，使賽車(chē)在符合比賽規則的前提下，沿賽道快速行駛。系統的基本軟件結構流程圖，如圖2所示。

系統的軟件要求控制的準確性、穩定性。采樣提取黑線(xiàn)是控制輸入量的基礎，要求采樣的精確穩定。輸入量給舵機以后又要求舵機輸出的快速相應性、穩定性和準確性。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗及近一個(gè)學(xué)期的調車(chē)經(jīng)驗，選用了并改進(jìn)了經(jīng)典的PID控制器對車(chē)模的舵機進(jìn)行控制調節。