一種智能循跡小車設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)初始化模塊

　　系統(tǒng)初始化模塊主要完成硬件的初始化工作，包括以下幾個(gè)方面：

　　(1)鎖相環(huán)初始化：單片機(jī)采用了鎖相環(huán)技術(shù)，即外部時(shí)鐘頻率較低，采用16MHz晶振，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容能力，而內(nèi)部通過鎖相環(huán)將系統(tǒng)時(shí)鐘改變至80MHz，從而提高片內(nèi)CPU運(yùn)行速度。倍頻公式如下：

　　鎖相環(huán)初始化部分需要對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。

　　(2)脈寬調(diào)制(PWM)模塊初始化：PWM在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)，一個(gè)是電機(jī)，另一個(gè)是舵機(jī)，通過程序調(diào)節(jié)波形的周期和占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。調(diào)節(jié)信號(hào)是經(jīng)路徑識(shí)別和系統(tǒng)決策后給出的，這樣就能實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制。

　　(3)增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器(ECT)模塊初始化：此模塊主要用于速度測量，在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)測速模塊送入的脈沖進(jìn)行捕捉并計(jì)數(shù)，從而計(jì)算小車運(yùn)行的速度。

　　(4)串口模塊初始化：為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串行通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式、接收發(fā)送功能使能、設(shè)置模式等。

　　圖像采集模塊

　　為了提高本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，視頻采集采用外部中斷觸發(fā)的方式采樣圖像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用OV7620的YUV16位數(shù)據(jù)制式。YUV16視頻信號(hào)的場頻為60Hz，即一場信號(hào)將持續(xù)16.67ms，且一般每場攝像頭掃描480線。HREF(行同步信號(hào))、VSYNC(場同步信號(hào))為采集控制信號(hào)，分別接到單片機(jī)的PJ7和PJ6口，設(shè)置PJ口，使PJ7能響應(yīng)上升沿中斷;PJ6能響應(yīng)下降沿中斷。采樣系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示。

　　路徑識(shí)別

　　路徑識(shí)別的第一步就是要對(duì)采樣圖像進(jìn)行處理，即根據(jù)攝像頭傳回來的視頻信號(hào)提取出黑線的位置。常用的黑線提取算法分為二值化算法、直接邊緣檢測算法和跟蹤邊緣檢測算法。

　　在首行邊緣檢測正確的前提下，跟蹤邊緣檢測算法具有較強(qiáng)的抗干擾性，能更有效地消除道路外黑色圖像的影響，始終跟蹤目標(biāo)引導(dǎo)線。另外，較之前兩種算法，跟蹤邊緣檢測算法的時(shí)間復(fù)雜度更低，效率更高。

　　因此本文選擇跟蹤邊緣檢測算法。核心思想就是對(duì)每一行從左往右對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行掃描，尋找灰度值突然降低并且其右邊幾個(gè)點(diǎn)的灰度值與其相似的那個(gè)點(diǎn)，將這個(gè)點(diǎn)作為該行圖像中黑線的左邊緣，從而完成對(duì)道路的識(shí)別。

　　PID控制

　　PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一^[6]。對(duì)于舵機(jī)的閉環(huán)控制，本文采用PD控制，其中，P項(xiàng)是在圖像中選出一行，計(jì)算其中黑線與圖像中心位置的偏差，而D項(xiàng)由兩種值共同決定，一種是將選定行的黑線位置與上一幅圖片中的位置相減，從而反映其變化率;另一種是利用圖像中的兩行算出黑線與小車的夾角，這個(gè)夾角可以反應(yīng)黑線與小車位置偏差的變化率。對(duì)于速度控制，基本思想是直道加速以提高運(yùn)行速度，彎道減速以增強(qiáng)穩(wěn)定性。本文采用了增量式PID控制算法，在調(diào)試中將每場圖像得到的黑線位置偏差與速度PID參考速度值構(gòu)成二次曲線關(guān)系，最終將參數(shù)調(diào)節(jié)至與舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制配合較好，從而使小車在直道加速行駛，而彎道減速增強(qiáng)穩(wěn)定性。

　　總結(jié)

　　本文以MC9S12XS128單片機(jī)為核心，通過CCD攝像頭采集道路信息并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，攝像頭通過行中斷和幀中斷通知單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)分析收到的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾波，二值化等一系列的圖像處理過程，提取出道路信息，采用PD方式對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行反饋控制。同時(shí)通過編碼器測速對(duì)速度進(jìn)行PID反饋控制，最終完成了智能車的自主巡線和速度控制功能。

　　實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，能夠準(zhǔn)確快速地沿道路循跡運(yùn)行。

　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 孫同景.Freescale 9S12十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008
　　[2] Freescale, Inc..MC9S12XS128B Device User Guide V01.09[Z].Freescale Semiconductor, Inc.,2002
　　[3] 顧群,蒲雙雷.基于單片機(jī)的智能小車避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012,(5):23.
　　[4] 劉曉邦,車玥瑋,童金等.基于模糊控制的智能循跡繪跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2011,34,(2):57-61
　　[5] 葛家斌.基于OV7620圖像傳感器的智能循跡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011,7,(33):8286-8287,8296
    　[6] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004