基于嵌人式技術(shù)的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

所謂智能車是指融合了現(xiàn)代信息化技術(shù)(主要包括人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等）的車輛,其可以有效感知周邊環(huán)境且進(jìn)行自主決策,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛,是目前最為熱門的研究領(lǐng)域。隨著近些年計(jì)算機(jī)處理能力的提升以及自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對于智能車的研究取得了大量成果,對于進(jìn)一步推動(dòng)智能車發(fā)展具有重要意義。

1智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能車系統(tǒng)的硬件情況直接決定其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。本文所設(shè)計(jì)的智能車系統(tǒng)硬件主要包括:MC9s12xs128最小系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、攝像頭模塊、BDM下載調(diào)試模塊等。智能車系統(tǒng)以MC9s12xs128作為核心控制器,通過CMos攝像頭作為傳感器采集周邊信息,然后將信息傳輸給控制器進(jìn)行處理,從而獲取道路中心坐標(biāo),確定道路類型。該系統(tǒng)采用7.2V的可充電式Ni-Cd電池作為電源,穩(wěn)壓之后為相應(yīng)模塊進(jìn)行供電,其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1MC9S12XS128最小系統(tǒng)模塊

本文所設(shè)計(jì)的智能車系統(tǒng)硬件主要采用MC9s12xs128芯片作為核心控制器,MC9s12xs128是Freescale公司s12x系列中的一種16位單片機(jī),由16位中央處理單元、128kb程序Flash、8kbRAM、8kb數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲(chǔ)器,性能較強(qiáng),運(yùn)算速度相對較快,且功耗較低。

1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本文設(shè)計(jì)的智能車系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,其中最為核心的是BTs7960大電流半橋驅(qū)動(dòng)芯片,它包括一個(gè)P溝道的高邊MosFET、一個(gè)N溝道的低邊MosFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。P溝道高邊開關(guān)無需電荷泵供應(yīng),能夠降低EMI。集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入,電流診斷,斜率調(diào)節(jié),產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間,過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。

此設(shè)計(jì)方案能夠降低電路的復(fù)雜性,提升可靠性,同時(shí)此電路持續(xù)漏極電流能夠達(dá)到40A,PwM頻率可以在0～25kHz內(nèi)變化,更加有利于電機(jī)運(yùn)行,具有比較高的可靠性。

1.3電源穩(wěn)壓模塊

對于智能車設(shè)計(jì)來說,電源是最為關(guān)鍵的部分,是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源,所以電源設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定整個(gè)硬件電路運(yùn)行的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用7.2V的可充電式Ni-Cd電池作為電源,其容量能夠達(dá)到1800mAh,穩(wěn)壓之后為相應(yīng)模塊進(jìn)行供電。需要注意的是,智能車系統(tǒng)不同模塊需要的電壓有所差異,所以要實(shí)施必要的電壓調(diào)節(jié)。

1.4攝像頭模塊

本文所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)采用CMos攝像頭oV7620,oV7620是1/3"CMos彩色/黑白圖像傳感器,具有連續(xù)和隔行兩種掃描方式,有VGA與oVGA兩種圖像格式:最高像素為664×492,幀速率為30幀/s:數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB3種,能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。

1.5BDM下載調(diào)試模塊

BDM(BackgroudDebugMode）是后臺(tái)調(diào)試模塊,該模塊不僅允許進(jìn)行單片機(jī)的調(diào)試,還能往單片機(jī)中下載程序。更重要的是,它屬于非侵入式調(diào)試模塊,特別適合嵌入式技術(shù)的應(yīng)用。利用BDM接口能夠?qū)崿F(xiàn)基本調(diào)試,例如設(shè)置斷點(diǎn)、下載程序、運(yùn)行程序以及停止程序等。為方便裝載程序,可以將BDM調(diào)試模塊集成到PCB當(dāng)中。

2智能車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1圖像信息提取設(shè)計(jì)

L智能車統(tǒng)中最為主要的是通過攝像頭進(jìn)行周邊圖像信息的獲取,這也是L智能車統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?？梢詫D像信息提取分為圖像采集、道路黑線信息提取兩部分。本文采用的oV7620攝像頭智夠直接輸出8位灰度值數(shù)字圖像,時(shí)序圖如圖3所示,圖中VsYNC表示場同步信號(hào),HREF表示行同步信號(hào)。

當(dāng)單片機(jī)主頻超頻到了64MHz,單片機(jī)就無法采集所有像素點(diǎn)信息。一旦圖像信息量過大就很難進(jìn)行后續(xù)圖像處理,同時(shí)需要消耗較多資源,因此可以采取32x84的圖像信息以便有效顯示圖像信息?？梢韵榷x數(shù)組Image一aDa用于圖像信息的存儲(chǔ),同時(shí)寫場中斷函數(shù)以及行中斷函數(shù)。其中VsYNC屬于每一場的開始信號(hào),完成場數(shù)據(jù)采集后要對其進(jìn)行清場中斷。HREF屬于每一行的開始信號(hào),一旦出現(xiàn)行中斷信號(hào)后,行中斷函數(shù)就會(huì)對行數(shù)據(jù)實(shí)施采集,經(jīng)過多次循環(huán)之后就智夠采集到需求的點(diǎn)數(shù)。

2.2道路黑線信息提取設(shè)計(jì)

(t）可以通過原始圖像實(shí)施掃描,按照預(yù)定閾值獲取黑白跳變點(diǎn):

(2）主要對道路黑線連續(xù)仿真,按照上行黑線中心位置判定本行黑線中心的有效性:

(3）由于遠(yuǎn)近位置黑線穩(wěn)定性有所不同(遠(yuǎn)處穩(wěn)定性較差,近處穩(wěn)定性相對較好）,所以在進(jìn)行黑線中心獲取時(shí)主要采取由近及遠(yuǎn)的方式:

(4）因?yàn)樗杉膱D像數(shù)據(jù)信息量非常大,如果全部進(jìn)行掃描會(huì)消耗較多時(shí)間,所以可以通過已經(jīng)獲得的黑線中心位置預(yù)估黑線發(fā)展趨勢,以便判定后續(xù)黑線位置,以此縮小掃描區(qū)域,有效節(jié)省時(shí)間。

2.3路徑判斷

在L智能車統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,路徑判斷是非常重要的組成部分。為了智夠確定路徑的準(zhǔn)確性,本文車統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的方式為:將一幀道路圖像劃定為3個(gè)區(qū)域,對于不同區(qū)域所具有的特性進(jìn)行判定,從而得到道路狀態(tài)(彎道/直道）。

先從最遠(yuǎn)區(qū)域進(jìn)行道路判斷,確定其是否存在界限。若是存在界限,就說明道路為彎道:若是不存在界限,就說明道路為直道。然后分別求出后續(xù)兩個(gè)區(qū)域中心偏差平均值,通過偏差平均值和道路方差就可以判定道路類型。此部分要進(jìn)行必要的調(diào)試后,才可以得到相應(yīng)的效果。

2.4速度調(diào)節(jié)P1D控制算法

可以采取"開環(huán)控制"和"閉環(huán)控制"兩種方式進(jìn)行電機(jī)控制,但根據(jù)以往的參考資料可知,開環(huán)控制算法對于電機(jī)的控制效果并不好,存在某些問題。通過1I一控制車統(tǒng)(主要包括比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)等部分）智夠有效提升L智能車統(tǒng)的穩(wěn)定性以及精度,保證控制車統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。對于L智能來說,1I一控制車統(tǒng)無需建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,只要確保參數(shù)合適就智夠有效控制L智能電機(jī)運(yùn)行。

在車統(tǒng)輸入和輸出發(fā)生相應(yīng)偏差時(shí),通過1I一控制車統(tǒng)中的比例調(diào)節(jié)部分,智夠反映出車統(tǒng)產(chǎn)生的偏差,同時(shí)智夠最大程度地發(fā)揮比例環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)作用,有效降低輸入和輸出的誤差。需要注意的是,要對比例環(huán)節(jié)進(jìn)行控制,一旦比例環(huán)節(jié)作用較大就會(huì)引發(fā)能速超調(diào)以及振蕩,長此以往會(huì)造成L智能車統(tǒng)的不穩(wěn)定。L智能會(huì)受到速度階躍變化而發(fā)生偏離道路的情況,所以在控制L智能速度時(shí)需要確定合適的比例因子。

3智能車系統(tǒng)具體運(yùn)行情況

通過相應(yīng)測試可知,本文所設(shè)計(jì)的L智能車統(tǒng)電路可靠性較高,各電壓滿足不同模塊需要。通過攝像頭進(jìn)行圖像采集后,將數(shù)據(jù)傳輸給核心控制器,再通過相應(yīng)處理后,傳輸?shù)絇C一中顯示出來,智夠得到道路的具體影像。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可知,本文所設(shè)計(jì)的L智能車統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,具有較好的抗干擾性,符合設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)語

本文主要從硬件和軟件兩方面,分析了L智能車統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容,希望智夠?yàn)長智能車統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考和幫助。