基于MC9S12XS128單片機(jī)的多功能智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用嵌入式技術(shù)和圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了基于MC9S12XS128單片機(jī)的多功能智能小車。智能小車可以在包含岔口的路面進(jìn)行自主擇路行進(jìn)。到達(dá)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(tǒng)通過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，通過光電編碼器檢測智能小車的實(shí)時(shí)速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度，實(shí)現(xiàn)了對智能小車運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的閉環(huán)控制。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高。經(jīng)實(shí)際測試，智能小車各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

智能汽車是智能系統(tǒng)與汽車工業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是一個集計(jì)算機(jī)、傳感器、自動控制、人工智能等多種高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。它在保證行駛安全、提高駕駛體驗(yàn)、節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。作為未來汽車行業(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國家在智能控制方面的水平。

智能小車系統(tǒng)在環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、控制策略及系統(tǒng)搭建上與智能汽車系統(tǒng)有很多相似之處，可以為科考、搶險(xiǎn)救災(zāi)提供安全路徑，未來也可以用在軍事探測、運(yùn)動目標(biāo)跟蹤預(yù)警等方面。智能小車系統(tǒng)的研究可以推動智能汽車行業(yè)更快更好地發(fā)展。

文中對智能小車的各個模塊進(jìn)行了深入的分析，從系統(tǒng)總體概述、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了以攝像頭為傳感器的智能小車的設(shè)計(jì)方法：在現(xiàn)有車模的基礎(chǔ)上，通過加裝攝像頭、殖度檢測器，比較器，實(shí)現(xiàn)對小車速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后通過單片機(jī)對小車實(shí)施智能控制，最終實(shí)現(xiàn)了小車的自主行進(jìn)功能。

1 系統(tǒng)的總體概述

智能車系統(tǒng)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、場同步信號，再依據(jù)給定的閾值，通過比較器進(jìn)行硬件圖像二值化;圖像信號、場同步信號、行同步信號輸入到MC9S12XS128單片機(jī)，經(jīng)過算法優(yōu)化處理后獲得主要的路面信息;通過光電編碼器來檢測車速，并利用MC9S12XS128單片機(jī)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)算，獲得速度和路程;根據(jù)路面信息、速度信息得到舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，把決策后得到的控制信號輸出給舵機(jī)和電機(jī)，以控制小車的行進(jìn)。此外，通過LED顯示屏顯示小車的行駛狀態(tài)，使用按鍵對小車的各個模塊進(jìn)行微調(diào)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能車以MC9S12XS128處理器為核心，通過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(jù)小車的姿態(tài)與道路之間的偏差產(chǎn)生控制量，控制舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，編碼器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，使速度控制更精確，實(shí)現(xiàn)對小車更好的控制。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括以下4個模塊。

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，為了保證小車的靈活性，小車的電源容量不會很大，用小型電源為CCD攝像頭供電對于整個系統(tǒng)來說過于耗電，并且CCD攝像頭在小車高速移動的過程中容易產(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(yùn)動下圖像穩(wěn)定，不易產(chǎn)生失真。因此，本系統(tǒng)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，電視掃描線為625線，奇場在前，偶場在后。

2.2 速度檢測模塊

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

2.3 主板控制模塊

智能車的控制系統(tǒng)電路由三部分組成：MC9S12XS128為核心的最小系統(tǒng)板、LED顯示屏、鍵盤。MC9S12XS128處理器插在系統(tǒng)板上，并在系統(tǒng)板上集成了信號采集、信號處理、電機(jī)控制、舵機(jī)控制等單元。為了減小電機(jī)驅(qū)動電路帶來的電磁干擾，把主板控制模塊和電機(jī)驅(qū)動部分分開來，排布在小車的兩端。主板上連接了本系統(tǒng)的主要電路：電源穩(wěn)壓電路、最小系統(tǒng)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(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動模塊、編碼器模塊、鍵盤接口、LED顯示屏等，如圖3所示。

2.4 電源驅(qū)動模塊

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

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

高效的軟件系統(tǒng)是智能小車的靈魂，是小車快速穩(wěn)定行進(jìn)的保障。本系統(tǒng)采用CMOS攝像頭進(jìn)行路面識別，圖像采集處理就成了整個軟件的核心內(nèi)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)，并且會受到雜點(diǎn)、交叉連線、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(zhǔn)確的路面信息供單片機(jī)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。