一種基于MC9S12XS128單片機的多功能智能小車(chē)設計

　　摘要：利用嵌入式技術(shù)和圖像處理技術(shù)，設計制作了基于MC9S12XS128單片機的多功能智能小車(chē)。智能小車(chē)可以在包含岔口的路面進(jìn)行自主擇路行進(jìn)。到達終點(diǎn)后，在顯示屏上顯示路口選擇方案、行進(jìn)距離、行駛時(shí)間、行進(jìn)速度。該系統通過(guò)CMOS攝像頭OV5116檢測路面信息，使用比較器對圖像進(jìn)行硬件二值化，用于路面識別，通過(guò)光電編碼器檢測智能小車(chē)的實(shí)時(shí)速度，使用PID控制算法調節驅動(dòng)電機的轉速和轉向舵機的角度，實(shí)現了對智能小車(chē)運動(dòng)速度和運動(dòng)方向的閉環(huán)控制。整個(gè)系統的電路結構簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高。經(jīng)實(shí)際測試，智能小車(chē)各項指標均達到預期的設計目標。

　　智能汽車(chē)是智能系統與汽車(chē)工業(yè)相結合的產(chǎn)物，它是一個(gè)集計算機、傳感器、自動(dòng)控制、人工智能等多種高新技術(shù)于一體的綜合系統。它在保證行駛安全、提高駕駛體驗、節能環(huán)保等方面發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。作為未來(lái)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展方向，它的發(fā)展勢必促進(jìn)其他行業(yè)的發(fā)展，并在一定程度上代表了一個(gè)國家在智能控制方面的水平。

　　智能小車(chē)系統在環(huán)境感知、數據處理、控制策略及系統搭建上與智能汽車(chē)系統有很多相似之處，可以為科考、搶險救災提供安全路徑，未來(lái)也可以用在軍事探測、運動(dòng)目標跟蹤預警等方面。智能小車(chē)系統的研究可以推動(dòng)智能汽車(chē)行業(yè)更快更好地發(fā)展。

　　文中對智能小車(chē)的各個(gè)模塊進(jìn)行了深入的分析，從系統總體概述、硬件設計、軟件設計等方面介紹了以攝像頭為傳感器的智能小車(chē)的設計方法：在現有車(chē)模的基礎上，通過(guò)加裝攝像頭、殖度檢測器，比較器，實(shí)現對小車(chē)速度、位置、運行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數據傳送至單片機進(jìn)行處理，然后通過(guò)單片機對小車(chē)實(shí)施智能控制，最終實(shí)現了小車(chē)的自主行進(jìn)功能。

　　1 系統的總體概述

　　智能車(chē)系統的總體工作模式為：利用CMOS圖像傳感器拍攝路面圖像，輸出PAL制式的圖像信號，采用LM1881芯片進(jìn)行控制信號分離，得到行、場(chǎng)同步信號，再依據給定的閾值，通過(guò)比較器進(jìn)行硬件圖像二值化;圖像信號、場(chǎng)同步信號、行同步信號輸入到MC9S12XS128單片機，經(jīng)過(guò)算法優(yōu)化處理后獲得主要的路面信息;通過(guò)光電編碼器來(lái)檢測車(chē)速，并利用MC9S12XS128單片機的計數器進(jìn)行脈沖計算，獲得速度和路程;根據路面信息、速度信息得到舵機的轉向角和電機的轉速，把決策后得到的控制信號輸出給舵機和電機，以控制小車(chē)的行進(jìn)。此外，通過(guò)LED顯示屏顯示小車(chē)的行駛狀態(tài)，使用按鍵對小車(chē)的各個(gè)模塊進(jìn)行微調，系統結構如圖1所示。

　　2 系統的硬件設計

　　智能車(chē)以MC9S12XS128處理器為核心，通過(guò)CMOS模擬攝像頭OV5116獲取行進(jìn)路徑，對道路信息進(jìn)行提取，根據小車(chē)的姿態(tài)與道路之間的偏差產(chǎn)生控制量，控制舵機進(jìn)行轉向，編碼器實(shí)時(shí)反饋電機轉速，使速度控制更精確，實(shí)現對小車(chē)更好的控制。本系統的硬件設計主要包括以下4個(gè)模塊。

　　2.1 圖像采集模塊

　　攝像頭有CCD和CMOS兩種：CCD攝像頭具有對比度高的優(yōu)點(diǎn)，但需要工作在12 V電壓下，為了保證小車(chē)的靈活性，小車(chē)的電源容量不會(huì )很大，用小型電源為CCD攝像頭供電對于整個(gè)系統來(lái)說(shuō)過(guò)于耗電，并且CCD攝像頭在小車(chē)高速移動(dòng)的過(guò)程中容易產(chǎn)生模糊和重影，影響圖像質(zhì)量CMOS攝像頭不但體積小，耗電量小，并且在高速運動(dòng)下圖像穩定，不易產(chǎn)生失真。因此，本系統采用CMOS攝像頭，如圖2所示。OV5116采集到的模擬信號經(jīng)由LM1881分離出場(chǎng)中斷和行中斷信號，模擬信號經(jīng)由比較器LM393后得到二值化的路徑信息，芯片陣列大小為352 x 288，有效光敏面為312 x 215像素，電源是6 V(DC)。攝像頭輸出的黑白全電視信號為PAL制式模擬信號，每秒25幀，電視掃描線(xiàn)為625線(xiàn)，奇場(chǎng)在前，偶場(chǎng)在后。

　　2.2 速度檢測模塊

　　為了得到智能車(chē)的實(shí)時(shí)速度，采用200線(xiàn)的編碼器對小車(chē)進(jìn)行時(shí)時(shí)測速，編碼器與小車(chē)采用齒輪咬合，使速度測量更加精確。

　　2.3 主板控制模塊

　　智能車(chē)的控制系統電路由三部分組成：MC9S12XS128為核心的最小系統板、LED顯示屏、鍵盤(pán)。MC9S12XS128處理器插在系統板上，并在系統板上集成了信號采集、信號處理、電機控制、舵機控制等單元。為了減小電機驅動(dòng)電路帶來(lái)的電磁干擾，把主板控制模塊和電機驅動(dòng)部分分開(kāi)來(lái)，排布在小車(chē)的兩端。主板上連接了本系統的主要電路：電源穩壓電路、最小系統板插座、視頻同步分離電路、比較器集成模塊、攝像頭接口、舵機接口、電機驅動(dòng)模塊、編碼器模塊、鍵盤(pán)接口、LED顯示屏等，如圖3所示。

　　2.4 電源驅動(dòng)模塊

　　本系統中電源穩壓電路有兩路，一路為+5 V穩壓電路，另一路為+12 V穩壓電路。+5 V給單片機、攝像頭、LM1881、LED顯示屏模塊供電。+12 V給電機驅動(dòng)電路供電。系統中+5 V電路功耗較小，并且都是用于數字信號的處理，使用線(xiàn)性穩壓器即可。需要特別注意的是，小車(chē)加速行進(jìn)時(shí)，驅動(dòng)電機會(huì )產(chǎn)生非常大的電流，為提高系統工作穩定性，必須使用大功率的驅動(dòng)芯片，并且保證穩壓芯片有良好的散熱環(huán)境。

　　3 系統的軟件設計

　　高效的軟件系統是智能小車(chē)的靈魂，是小車(chē)快速穩定行進(jìn)的保障。本系統采用CMOS攝像頭進(jìn)行路面識別，圖像采集處理就成了整個(gè)軟件的核心內容，圖像采集流程如圖4所示。

　　3.1 路徑提取及優(yōu)化處理

　　相比紅外傳感器、電磁傳感器而言，攝像頭傳感器具有視野范圍大的特點(diǎn)，并且會(huì )受到雜點(diǎn)、交叉連線(xiàn)、反光以及各種干擾物的影響，因此必須對得到的圖像進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，排除干擾因素，對路面進(jìn)行更有效地識別，提供更準確的路面信息供單片機進(jìn)行優(yōu)化決策。在圖像信號處理中提取的路面信息主要包括：路面中心位置，路面寬度，路面曲率。