小車導(dǎo)航方案設(shè)計

小車導(dǎo)航方案設(shè)計小車從起點(diǎn)到救援區(qū)的賽道部分的導(dǎo)航通過攝像頭實(shí)現(xiàn)，利用攝像頭對道路信息進(jìn)行采集，再通過單片機(jī)MC9S12XS128對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出小車在賽道中的位置，從而控制小車沿著賽道行駛，保證小車在整個行駛過程中不壓線出界。圖3主控芯片MC9S12XS128圖4OV7620攝像頭實(shí)物圖救援區(qū)LED探測方案設(shè)計救援區(qū)設(shè)置有四個待救援位置，其中一個放置1Hz閃爍LED指示燈，其余放置常亮LED指示燈，救援車根據(jù)1Hz閃爍LED燈提示選擇位置停車。LED的探測由光敏三極管實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，在小車的前方安裝四個由光敏三極管制作的探測頭，當(dāng)小車到達(dá)救援區(qū)即半圓圓心處時，立即讓小車停止，分別檢測半圓圓弧上四個待救援位置方向的LED發(fā)出的光強(qiáng)，其中光強(qiáng)相對較弱的為1Hz閃爍LED燈，即要尋找的救援車停車位置。進(jìn)入待救援位置方案設(shè)計當(dāng)小車探測到1Hz閃爍LED燈提示的停車位置后，小車就開始啟動，行駛到待救援位置停車。然而此時小車不能再由攝像頭來導(dǎo)航，因?yàn)榫仍畢^(qū)沒有黑線制作的賽道?？梢赃x擇如下三種方案：（1）利用由光敏三極管制作的四個探測頭，探測1Hz閃爍LED燈，引導(dǎo)小車進(jìn)入停車位。（2）在每個待救援位置處安裝一個激光發(fā)射裝置，小車上安裝一個激光接受矩陣，沿著已檢測出的停車位所發(fā)出的那束激光進(jìn)入停車位。（3）在小車正前方安裝一個電子羅盤，當(dāng)小車停在半圓圓心處時，四個停車位在圓弧上的位置已經(jīng)確定，每個停車位相對于小車的方向也已經(jīng)確定，用電子羅盤做指南針，引導(dǎo)小車進(jìn)入已被探測到的停車位。第一種方案比較難操作，因?yàn)樗膫€待救援都有LED在發(fā)光，只是那個1Hz閃爍LED燈的光會弱一些，當(dāng)小車在救援區(qū)內(nèi)可能會由于其他LED的影響而進(jìn)錯停車位；第二種方案不確定是否滿足賽題的要求，賽題沒有明確規(guī)定能否在停車位處放置其他的引導(dǎo)裝置；第三種方案方便操作，只需在小車正前方安裝一個電子羅盤，通過程序算法控制小車進(jìn)入停車位，又滿足賽題的要求。圖像采集技術(shù)小車采用OV7620攝像頭傳感器，OV7620是CMOS彩色/黑白圖像傳感器，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。攝像頭采集的賽道圖像為灰度圖像，賽道背景的灰度值與黑色絕緣膠帶的灰度值大小有差別，通過一個設(shè)定的閾值對灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，賽道背景化為1，兩邊的黑色絕緣膠帶化為0。圖像處理技術(shù)圖像處理主要工作就是相對準(zhǔn)確的提取出兩邊的黑色邊界，然后用均值法求中線，由中線的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)小車的自動導(dǎo)航。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過二值化和簡單的濾波處理后，每一行分成兩邊，從中間開始往兩邊查找0點(diǎn)，如果連續(xù)找到兩個0點(diǎn)就說明找到邊界，定位賽道的邊界位置，計算出小車在賽道中的位置。控制技術(shù)小車舵機(jī)角度的控制采用開環(huán)控制。根據(jù)不同的檢測路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的伺服電機(jī)PWM控制信號，小車轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。速度控制采用PID閉環(huán)控制。為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，需要控制車速，使賽車在轉(zhuǎn)彎時速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定。通過速度檢測，對車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運(yùn)行得更穩(wěn)定。設(shè)計思路如下：小車后輪安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器計算出小車實(shí)時速度，與期望小車運(yùn)行的速度比較，通過PID算法得出PWM輸出信號，控制后輪的驅(qū)動電機(jī)來調(diào)整小車行駛速度。救援區(qū)探測技術(shù)路線LED的探測由光敏三極管實(shí)現(xiàn)。在小車的前方安裝四個由光敏三極管制作的探測頭，當(dāng)小車到達(dá)救援區(qū)即半圓圓心處時，立即讓小車停止，分別檢測半圓圓弧上四個待救援位置方向的LED發(fā)出的光強(qiáng)，其中光強(qiáng)相對較弱的為1Hz閃爍LED燈，即要尋找的救援車停車位置。光敏三極管的靈敏度能滿足本系統(tǒng)的要求，當(dāng)然LED的光存在散射，為了提高探了調(diào)制處理，接收管只對敏感頻率附近的窗口頻率的反射光進(jìn)行解調(diào)，因而可以有效防止各種場地光線對反射激光的影響。編碼器模塊：速度檢測模塊是由光柵編碼器和單片機(jī)的增強(qiáng)型定時捕捉模塊組成。編碼器通過齒輪與賽車后輪軸進(jìn)行傳動，編碼器每轉(zhuǎn)動一周都會輸出一定個數(shù)的脈沖，將其輸出端連接在單片機(jī)的增強(qiáng)型定時捕捉模塊端口上，單片機(jī)就能捕捉到反饋脈沖，計算兩次脈沖的時間間隔就能得知當(dāng)前賽車行駛速度。道路檢測模塊設(shè)計1.1直道導(dǎo)航小車前方安裝一個CMOS攝像頭，對導(dǎo)航車前方一定空間進(jìn)行圖像采集，并用DSP芯片對采集的圖像進(jìn)行處理，通過邊緣提取的方法提取出兩條黑線，然后將兩條黑線延長，確保圖像的像點(diǎn)在兩條線的角平分線上，從而保證導(dǎo)航車不越過邊線。1.2彎道導(dǎo)航若只用CMOS攝像頭轉(zhuǎn)彎，小車會不穩(wěn)定，因此我們在轉(zhuǎn)彎時采用光電對管導(dǎo)航。如圖所示，通過光電對管獲得先后的減速和轉(zhuǎn)彎信號，促發(fā)小車執(zhí)行相應(yīng)程序。而CMOS攝像頭，保證過彎后小車迅速歸中走直。入庫方案設(shè)計先使小車停在圓心處，調(diào)整攝像頭角度，利用CMOS攝像頭圖像處理判斷出閃爍光源，并入庫。視頻采集系統(tǒng)以DSP為核心的視頻處理系統(tǒng)中，視頻采集的方法通常分為兩大類：自動的視頻采集和基于DSP的視頻采集。前者采集模塊的實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜且成本較高，后者通常由DSP控制視頻解碼芯片并同步各種時序，最后將視頻數(shù)據(jù)讀入存儲器，其特點(diǎn)是視頻采集占用DSP處理時間多，對DSP速度要求高，但實(shí)現(xiàn)簡單且成本低。我們將采取后者“基于DSP的視頻采集”方案。黑線邊界識別采用CMOS攝像頭對黑線邊界進(jìn)行檢測，芯片對圖像進(jìn)行處理（去噪，銳化，二值化），通過邊緣提取算法，提取黑線輪廓，然后計算角平分線。.循跡模塊通過對本次比賽的賽道資料的了解，可看到路徑識別模塊是車模等正常行駛的基礎(chǔ)。路徑識別方案的好壞，直接影響到比賽能否順利進(jìn)行。目前能夠用于智能汽車輛路徑識別的傳感器主要有光電傳感器、CCD/CMOS傳感器和電磁傳感器。光電傳感器尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、信號處理速度快，但是其前瞻距離有限；CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)則是可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，但是信號處理卻比較復(fù)雜；電磁傳感器主要通過對賽道邊線線產(chǎn)生的電磁場進(jìn)行識別。綜合考慮，以攝像頭為主，紅外傳感器為輔進(jìn)行路徑檢測，紅外傳感器的電路和軟件設(shè)計簡單，使用紅外傳感器對路徑檢測受光線的干擾較少，還可以獲得很高的檢測頻率，彌補(bǔ)了攝像頭頻率不高，易受干擾的特點(diǎn)，在檢測路徑時可以獲得可靠的信息，而攝像頭前瞻性好，兩者可以相互補(bǔ)充。采用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭，其功耗較低，工作電流只有10mA左右，且從CMOS輸出為數(shù)字信號，有助于提高單片機(jī)處理速度。攝像頭可以用OV7620,對于智能車競賽，賽道為白底黑線，故只需采集它的灰度值，即Y組的數(shù)據(jù)就可以完美地表現(xiàn)賽道，而無需去管UV引腳的信號。以下是光電傳感器原理：紅外光電管由于感應(yīng)的是紅外光，常見光對它的干擾較小，是在小車、機(jī)器人等制作中廣泛采用的一種方式。紅外光電管檢測黑線的原理為，由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在上面后反射的部分就較小，接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通過外接的電路就可以讀出檢測的狀態(tài)，同理當(dāng)照射在白色表面時發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻就比較小。選用芯片BTN7960,其為高強(qiáng)度電流的半橋電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動功率大，可以滿足大電流負(fù)載。用兩片BTN7960可以構(gòu)成全橋驅(qū)動工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。舵機(jī)的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這兩根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)，即輸出力矩不同，6.0V對應(yīng)的要大一些，具體看應(yīng)用條件；另外一根線是控制信號線，F(xiàn)utaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號，有一個比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。PWM的簡要介紹：PWM聽起來很專業(yè)其實(shí)在本文所講的應(yīng)用中很簡單，專業(yè)一點(diǎn)的講就是脈沖寬度調(diào)制，說白了也就是占空比可變的脈沖波形。也就是說用單片機(jī)產(chǎn)生一定周期的方波，而且方波中高電平的時間可以已自己調(diào)整，這就是PWM波。示波器上顯示的圖形如圖所示。之所以在這里先將PWM的相關(guān)知識是因?yàn)樵谥悄苄≤嚨脑O(shè)計中PWM是很重要的一個應(yīng)用，首先舵機(jī)的控制就是給定占空比的方波來實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)角的，其次后輪電機(jī)的調(diào)速也是通過不同占空比的方波來實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)的控制：對舵機(jī)的控制信號時由一串周期18-20ms，其中高電平時間1-2ms的方波信號組成。當(dāng)高電平時間為1ms時舵機(jī)左轉(zhuǎn)60°，當(dāng)高電平時間為2ms時舵機(jī)右轉(zhuǎn)60°轉(zhuǎn)過的其他角度與高電平的時間呈線性關(guān)系。也就是說每0.1ms的高電平變化就會影響舵機(jī)12°的轉(zhuǎn)角，使用舵機(jī)時有以下注意事項(xiàng)：1.在舵機(jī)安裝完成后無法保證舵機(jī)0°的轉(zhuǎn)角剛好就是車輪指向正前方，因此0°轉(zhuǎn)角也就沒有任何意義，必須根據(jù)小車的安裝情況設(shè)定參考點(diǎn)。2.在