基于K60单片机的智能车设计

□桂林理工大学博文管理学院 杨志清 张 翠 王孙洪 庞永业 谢金辉

【摘 要】系统以K60单片机作为核心,以第十届全国大学生“飞思卡尔杯”智能车竞赛C车模作为车体,分别从硬件设计、机械结构改进设计、图像和控制算法方面介绍了智能车的设计过程;采用带有硬件二值化的摄像头进行元素识别,黑线提取和障碍检测;使用闭环PID控制策略对整车进行控制;通过实验验证智能车的稳定性。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词智能车 摄像头 PID控制 图像检测 障碍检测

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889(2016)05C-0191-02

随着科学技术的发展,智能控制技术在各行各业得到广泛应用,为了培养人才和激发大学生从事研究与探索的兴趣和潜能,“全国大学生智能车竞赛”要求在标准技术平台下完成智能车软硬件系统的设计,且以CCD传感器自动识别赛道路线。通过智能车的软硬件的配合,使智能车完成寻迹检测功能,沿着白色赛道行进。

智能车主要由电源、主控板、舵机、编码器、摄像头和电机等六部分组成。如图1所示。

智能车的工作原理如下:摄像头获取寒道数据,主控板起到总线作用,获得摄像头采集的赛道数据,然后根据赛道信息来控制舵机和电机使小车运动,在运行的同时主控板从编码器中读取小车速度作为反馈数据,处理后送达电机,形成闭环。控制方法如图2所示。

一、智能车的硬件设计

智能车硬件主要由K60最小系统、驱动电路、电源模块组成,对于K60最小系统一般不需要自己制作,使用成品模块即可。

(一)电机驱动电路BTN7960

在电机驱动电路中,一般采用的是由驱动芯片组成的H桥的全桥电路结构,以保证电机对电流的需求。电机位于H桥的中间位置,只需控制两组斜对角的驱动芯片即可实现对电机的正反转,对于电机的转速则可以通过对驱动芯片施加PWM信号实现。由于驱动芯片通过电流较大,可能会产生大量的热能,对电路造成影响,可以给功率管安装散热片,改善它们的工作条件,提高他们的过载能力。另一方面为[本文来自于www.JyqKW.com]了避免电机瞬间正转或反转引起的电流反冲导致主控芯片烧毁,在信号输入端需要加光耦隔离芯片保护主控芯片。

电机驱动电路的电源可以直接使用电池两端的电压,最好加上二极管和保险丝以避免电池反接和短接,还可以防止调试过程中不小心短接和误触碰等。智能车在启动的过程中往往会产生很大的瞬态电流,对电路的干扰和单片机的正常工作会有很大影响,可以在电源中增加容值较大的电解电容来保护电路的安全。

(二)电源模块

智能车工作电源由7.2V的鎳镉蓄电池供电,由于各个模块工作所需要的工作电压不同,因此需要进行电压转换,转成各个模块所需要的电压。

摄像头模块,K60,OLED显示屏使用的是3.3V供电,该电压由LM2940芯片加REG1117-3.3芯片提供,该芯片自带过压过流保护,两者都可以输出1A的最大电流,而且稳定性高,电压摆幅小,所需外围电路少,电路简单。在温度升高的情况下长时间的工作,输出电压能保持较好的稳定性,非常适宜高频率工作器件。

编码器模块和灯塔接收模块使用的是5V供电,该电压也由LM2940芯片提供,为了避免LM2940芯片过载导致的发热和非线性失真等问题,将3.3V和5V分为两路单独工作,这样可以避免单个模块工作不正常造成的影响。

二、智能车机械结构改进设计

本文中的车模的摄像头组所使用的车模为C型车模,尺寸为28.5×16×8cm,为了提高车模整体的精度,减轻车身重量,最大程度优化小车的机械结构,我们在规则的约束内对小车做了如下的改进设计。

(一)前轮定向

转向轮的定位主要由主销内倾(角)、主销后倾(角)、前轮外倾(角)和前轮前束四个因素决定,它们反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系,对于主销内倾(角),主要作用是产生与转向相反的力矩,让车转弯后的回正性增强,同时在转弯时车轮与地面的接触情况会更好。对于主销后倾(角),主要作用是在高速行驶时,保持直线行驶的稳定性,有助于“自动回正”。出于对回正能力、车轮受力面积和灵活性的角度分析检验,我们把前轮调整为主销内倾。

(二)舵机的安装

前轮转向舵机有立式和卧式两种安装方案(这里以舵机转轴为参考对象,立式:转轴处于水平方向。卧式:转轴处于竖直方向)。

舵机立式安装方式的优点:转向响应速度快,转向角较为符合阿克曼转向原理,它由舵机臂竖直平面的运动转化为拉杆水平方向的运动,减少了在同一平面上运动的死区。方便安装舵机臂,有利于调节赛车转向的中心值。

舵机立式安装方式的缺点:不好安装固定;安装后较高,占用竖直方向的空间;重心较高。

舵机卧式安装方式的优点:转向响应速度较快;高度较低;重心低。

舵机卧式安装方式的缺点:转向角部分符合阿克曼转向原理(转角小时),舵机臂和拉杆都在水平平面内运动,当舵机臂长度与转角臂长度相等时会导致内、外侧轮不符合阿克曼转角。

(三)摄像头的安装

摄像头的支撑架应尽量使用较轻的材料,以减轻车体的重量使其更加轻巧,且安装的位置应该在满足前瞻的情况下,尽量安装在质心位置,并保证支架的垂直和稳固。这样才能保证小车在行驶的途中,车体和摄像头之间不会来回晃动,造成摄像头采集的图像失真。摄像头还要架在一个合理的高度上,且与支撑架成一定夹角,只有这样才能拥有较低的重心,和有利的前瞻。

(四)车模重心和底盘加固

车体重心位置对赛车加减速性能、转向性能和稳定性都有较大影响。车身重心前移,会增加转向,但降低转向的灵敏度,同时降低后轮的抓地力,影响加减速性能;重心后移,会减少转向,但增大转向灵敏度,后轮抓地力也会增加,提高加减速性能。因此,确定合适的车体重心,让车模更加适应比赛赛道是很关键的。今年我们在前轮位置增加了垫片,降低重心,还减低了电池的高度,同时把摄像头安装在中间,底盘做了加固。增加了赛车的转向灵活度,减少了车在行驶过程中产生的震荡。

三、智能车算法

(一)赛道边界提取

为了后续方便对图像做类型的分析,我们先把赛道两边的边界提取出来,提取的方法有很多种,较为常用的是黑线跟踪法,黑线跟踪法的具体步骤为:先确定几行无错的边界所在位置;根据上一行边界所在的位置,在下一行的附近进行查找;如果连续多行找不到左右边界或图像数据分析完毕,则即可结束查找。黑线跟踪法可以极大的节省单片机时间,加快图像处理的速度。

(二)赛道类型的识别

提取出赛道后,即可对赛道类型进行分析,分析方法也有很多种,较为简单的是对图像的固定区域位置进行检测,例如图3所示。

对图中两条黑线(为了方便显示黑线上半部分采用反色)所在区域进行判断,可以得到左边黑线和赛道的交点,比右边赛道黑线与赛道的交点要高,即可得出前方为左拐弯道(实际情况可能较为复杂,需要具体问题具[本文来自于www.JyqKw.com]体分析,本文给出了主要思想)。此方法在使用时,需要预先确定两条黑线的区域位置,如果太靠近将导致左右黑线与赛道的交点高低难以判断,离太远又容易有多个交点(如左边黑线如果太靠近左边会和赛道产生3个交点)造成混淆,所以黑线的位置需要根据自己的实际情况来选定,只要方便判断不易误判即可。

(三)障碍的识别

对于有障碍的赛道来说,对图像做边界处理之后,障碍元素信息就会丢失,所以在识别障碍的时候需要分两个步骤完成:先做边界提取获取赛道类型;对原始图像做障碍分析。对于第一步使用黑线跟踪算法即可,对于第二步,可以在图像的上半部分(提前预判)每隔5个像素做一次横向扫描,如果连续扫到多个像素为黑色,且在赛道中(可根据第一步获得的边界信息进行判断),然后对其纵向扫描,计算出上下间距,如果在设定值之间即可判定为障碍。设定值取决于障碍大小和对小车之间的距离。需要根据实际情况进行分析,之所以需要进行横纵两方面扫描,是为和小S,直角标记线等元素进行区分。

四、系统调试

为了使舵机能更快更好的对给定的转角值做出响应,我们采用位置式PID控制器,电机采用增量式PD调节,通过不断改变P、I、D三个参数进行试凑实验,得到了一组响应较好的参数,可以使得车在高速行驶时能保持很好的稳定性,从而大大消除由于传感器带来的误差,控制方法如式一:

△u(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] (式一)

各个参数对小车的影响:

比例Kp:适当的比例能迅速反应误差,从而减小误差,但是比例不能消除稳态误差,比例的加大会引起系统的不稳定。

积分Ki:积分的作用就是只要系统存在误差,就不断的累积误差,直到消除误差。但是如果积分作用太强会使系统超调加大,甚至出现震荡。

微分Kd:微分可以减小调整时间,从而改善系统的动态性能。

经过多次测试,智能车可以完成快速稳定的行进,本文在通过图像识别技术对道路识别进行改进,利用PID控制器进行控制,对参数进行调整后,系统可以执行正确的指令,智能车行进得更稳,并且车速上有一定提升,经过实验验证,该系统工作稳定,寻迹准确,小车的运行速度快。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

[1]于海生.计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2007

[2]卢京朝.自动控制原理[M].西安:西北工业大学出版社,2009

[3]卓晴,黄开胜,邵贝贝.学做智能车[M].北京:北京航天航空大学出版社,2007

[4]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京:高等教育出版社,2005

【基金项目】2014年度广西高等教育教学改革工程项目(2014JGZ189)

【作者简介】杨志清(1965— ),男,桂林理工大学博文管理学院高级工程师,研究方向:制造自动化与信息化,不确定环境下控制与决策。

(责编 丁 梦)

浏览次数:  更新时间:2016-09-23 14:15:56
上一篇:一种家用瘫痪患者监护仪的设计
下一篇:景观设计专业实践性教学探析
网友评论《基于K60单片机的智能车设计》
相关论文
Top