一種基于MC9S12XS128單片機(jī)的多功能智能小車設(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(dòng)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(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。整個(gè)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)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/256590.htm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(gè)集計(jì)算機(jī)、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(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(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(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(gè)系統(tǒng)來說過于耗電,并且CCD攝像頭在小車高速移動(dòng)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(dòng)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(dòng)電路帶來的電磁干擾,把主板控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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。
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