智能循跡小車硬件設計及路徑識別算法

摘要：設計用于全國大學生智能汽車競賽用的循跡小車，攝像頭采集黑線引導線的位置，直流電動機驅動小車后輪，舵機作為轉向驅動。根據實際應用環境，提出用于循跡的圖像處理方法，以排除黑線引導線以外物體的干擾，同時提出一種適應力強的小車循跡策略。實驗表明，在這種控制策略下，小車運行穩定，能夠排除各種干擾，并且能夠使小車維持很高的速度行駛。
關鍵詞：循跡；單片機；圖像處理

全國大學生智能汽車競賽要求在組委會提供統一智能車競賽車模、單片機MC9S12DG128開發板、開發軟件Code Warrior和在線調試工具的基礎上，制作一個能夠自主識別路線的智能車，它將在專門設計的跑道上自動識別道路行駛。中心目標是，在不違反大賽規則的情況下以最
短時間跑完單圈賽道。
本文主要對車模整體設計思路、硬件與軟件設計及車模的裝配調試過程作簡要的說明。

1 整體設計
系統按照功能劃分為：電源模塊、單片機控制系統模塊、運行調試模塊、路徑識別模塊、直流電機驅動模塊、舵機轉向模塊、速度測量模塊等。圖1是小車系統硬件模塊圖。本文重點介紹路徑識別模塊、直流電機驅動模塊、舵機轉向模塊、速度測量模塊。

1．1 路徑識別模塊
路面信息檢測模塊要能夠實現檢測路徑參數。將面陣CMOS用于賽道參數檢測的方案，充分利用S12單片機內部硬件資源ATD模塊，直接采集CMOS輸出的模擬信號，可以獲得滿足參數檢測需要的圖像，計算出賽道參數，進而完成路面信息檢測。檢測路徑傳感器采用CMOS圖像傳感器。普通CMOS傳感器圖像分辨率都在300線之上，遠大于光電管陣列。
通過鏡頭，可以將車模前方很遠的道路圖像映射到CMOS器件中，從而得到車模前方很大范圍內的道路信息。對圖像中的道路參數進行檢測，不僅可以識別道路的中心位置，同時還可以獲得道路的方向、曲率等信息。利用CMOS器件，通過圖像信息處理的方式得到道路信息，可以有效控制車模運動，提高路徑跟蹤精度和車模運行速度。
1．2 直流電機驅動模塊
為了利用單片機實現對主電機的控制，使用Motorola公司的H橋芯片MC33886。該芯片的供電電壓在5～40 V之間，MOSFET管的導通電阻為120 mΩ，控制信號的輸入兼容TTL／CMOS電平，PWM的最高頻率可達10 kHz，同時具有短路保護功能和故障信號的輸出。
MC33886的應用示意圖如圖2所示。圖中，V+是為直流電機供電的電源。IN1和IN2兩個邏輯電平輸入端分別控制輸出端OUT1和OUT2。當IN1輸入高電平時,OUT1輸出也為高電平——即通過H橋與V+導通；當IN1輸入低電平時，OUT1輸出也為低電平——即通過H橋與GND導通。IN2和UT2的關系與此相同。FS為故障信號開漏極輸出，低電平有效。當D1是高電平或者D2是低電平時，同時禁用OUT1和OUT2的輸出，使OUT1和OUT2同時變為高阻態。通過控制IN1和IN2的電平，即可控制電機正轉、反轉、停轉。對IN1和IN2的電平信號進行脈寬調制，即可控制電機的轉速。