攝像頭識(shí)別的智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：智能車在探測(cè)、救生等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，針對(duì)圖像識(shí)別智能車缺乏穩(wěn)定的運(yùn)行狀況，提出一套完整的硬件設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)以飛思卡爾公司的MC9S12XSl28單片機(jī)為核心控制器，設(shè)計(jì)智能車整體硬件系統(tǒng)框架，并詳細(xì)給出了智能車電源單元電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)控制的電路圖。通過分析路徑信息采集、速度信息采集、以及對(duì)輸入／輸出模塊與單片機(jī)連接，說(shuō)明如何構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。以上硬件系統(tǒng)應(yīng)用在智能車中得到了穩(wěn)定的運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：NC9S12XC128；攝像頭；智能車；速度控制

0 引言
    近年來(lái)，智能車輛和智能交通已成為汽車和智能控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。智能車即輪式移動(dòng)機(jī)器人，智能車的設(shè)計(jì)涉及模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、控制、計(jì)算機(jī)、機(jī)械和電源等多個(gè)學(xué)科。智能小車能在非特定環(huán)境下工作，在探測(cè)、救生等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)智能循跡系統(tǒng)的研制和改進(jìn)，對(duì)上述領(lǐng)域產(chǎn)品的研發(fā)具有推動(dòng)作用。
    本文以第七屆飛思卡爾智能車比賽為背景，討論攝像頭識(shí)別的智能車在復(fù)雜道路條件下的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)采用MC9S12XS128微控制器作為核心控制器并結(jié)合OV7620圖像傳感器獲取路況信息。微控制器輸出三路PWM信號(hào)，其中兩路用來(lái)控制車速，一路用來(lái)控制舵機(jī)的方向。三路信號(hào)均通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，來(lái)控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的良好精確的控制，沒有一套合理穩(wěn)定的硬件電路是難以保證智能車的良好運(yùn)行。本文主要對(duì)智能車的硬件系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

1 智能車硬件系統(tǒng)整體框架
    智能車硬件系統(tǒng)主要包括控制器、電源電路單元、輸人設(shè)置、攝像頭OV7620圖像采集、車速檢測(cè)、舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，串口通信等模塊。按照以上模塊的功能，小車的硬件系統(tǒng)可以分成：電源部分、信息獲取部分、信息處理部分、實(shí)時(shí)控制和輸入／輸出部分，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的
控制系統(tǒng)。圖1為智能車整體硬件組成系統(tǒng)。

    智能車競(jìng)賽攝像頭組的小車用攝像頭采集道路信息，利用采集到兩條黑色邊界線和白色賽道的灰度值不同，識(shí)別道路狀況，通過處理采集到的圖像，對(duì)小車實(shí)施實(shí)時(shí)控制。本文利用單片機(jī)MC9S12XS128處理采集到的數(shù)據(jù)，用舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制小車的運(yùn)行。
    智能車設(shè)計(jì)的完整方案是：用攝像頭采集道路信息，攝像頭內(nèi)部集成了ADC和圖像的行場(chǎng)分離芯片LM1881。根據(jù)采集到的一場(chǎng)圖像情況，計(jì)算出賽道的曲率半徑，對(duì)于賽道不同彎曲程度，用不同的PWM信號(hào)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得小車能夠智能化的沿著賽道行駛。

2 智能車硬件電路各部分的設(shè)計(jì)
2．1 電源電路單元
    整個(gè)智能車的供電來(lái)自充電電池，正常情況下充電電池電壓為7．2 V，電池容量為2 A·h。智能車各模塊對(duì)電源的要求不同，特別是對(duì)電壓的要求，以及對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求，所以需要選擇不同的穩(wěn)壓芯片。從電池中分離出不同的電壓，給各部分模塊供電。圖2為智能車供電系統(tǒng)。

    以上電路的設(shè)計(jì)為防止電路之間產(chǎn)生干擾，采取了各模塊分離電源供電。舵機(jī)比較特殊，需要的電源電壓是6 V，這里采用LM2587-6穩(wěn)壓塊。具體電路如圖3所示。

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用能夠輸出大電流的LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3 A的驅(qū)動(dòng)電流。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150 kHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LN2596的使用，極大地簡(jiǎn)化了開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)，。具體電路如圖4所示。

    由于數(shù)字?jǐn)z像頭對(duì)電壓要求比較高，一般采用線性穩(wěn)壓電源，不用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)，其輸出有尖峰。這里采用LM2940穩(wěn)壓塊，數(shù)字?jǐn)z像頭、測(cè)速模塊、串口通信、單片機(jī)分別采用單獨(dú)的電源輸出，避免之間發(fā)生干擾。具體電路如圖5所示。

2．2 實(shí)時(shí)控制部分硬件設(shè)計(jì)
    智能車實(shí)時(shí)控制部分主要包括車速和車的轉(zhuǎn)型控制即舵機(jī)控制，車速部分主要是取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的中的PWM，下面分別對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和對(duì)舵機(jī)控制做介紹。
2．2．1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
    智能車的動(dòng)力部分使用小型永磁式直流電機(jī)，可用分離元件組成的驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，也可用一體化的集成驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化電路板，減輕小車的重量，本智能車采用一體化的專用集成驅(qū)動(dòng)芯片BTS7970。用單片機(jī)的引腳PWM0和PWM1輸出PWM脈沖信號(hào)，通過兩路驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)加速，減速，停車的實(shí)現(xiàn)。由于兩路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)一個(gè)類型，這里給出其中一路外圍電路，如圖6所示。

2．2．2 舵機(jī)控制
    舵機(jī)又名伺服電機(jī)，本智能車采用舵機(jī)S3010，通過輸出周期為20 ms的PWM信號(hào)來(lái)控舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。舵機(jī)有三條線一個(gè)地線，一個(gè)電源線接6 V，控制信號(hào)線通過單片機(jī)PWM5引入，通過單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的占空比來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度。
2．3 信息獲取與輸入／輸出部分
    信息獲取部分包括攝像頭采集的數(shù)字圖像、編碼器的測(cè)速獲得的車速信息。輸入通過撥碼開關(guān)設(shè)計(jì)幾個(gè)檔位，實(shí)現(xiàn)不同的車速，以及完成智能車的調(diào)試。具體電路如圖7所示。

    圖7中的數(shù)字?jǐn)z像有采用集成模塊OV7620與單片機(jī)直接連接，8位數(shù)據(jù)線直接與單片機(jī)8位數(shù)據(jù)口連接，行場(chǎng)中斷分別與單片機(jī)PT口相連接，完成圖像的采集。單片機(jī)的有兩個(gè)串口，用其中一個(gè)通過MAX232電平轉(zhuǎn)換和電腦實(shí)現(xiàn)通信。測(cè)速模塊與單片的PT口當(dāng)中一個(gè)端口連接，實(shí)現(xiàn)速度的采集。8位撥碼開關(guān)與單片機(jī)的8位端口連接，將端口設(shè)置為輸入口。

3 結(jié)語(yǔ)
    智能車系統(tǒng)根據(jù)個(gè)人實(shí)現(xiàn)功能不同，硬件電路有所不同，與相關(guān)的軟件程序有關(guān)。本文主要介紹了基于攝像頭的智能車的硬件設(shè)計(jì)電路，詳細(xì)的設(shè)計(jì)智能車的電源部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，由于篇幅有限，只給出信息獲取和輸入／輸出與單片機(jī)連接框圖，說(shuō)明與單片機(jī)的連接情況。