智能循迹小车硬件设计及路径识别算法

摘要：设计用于全国大学生智能汽车竞赛用的循迹小车，摄像头采集黑线引导线的位置，直流电动机驱动小车后轮，舵机作为转向驱动。根据实际应用环境，提出用于循迹的图像处理方法，以排除黑线引导线以外物体的干扰，同时提出一种适应力强的小车循迹策略。实验表明，在这种控制策略下，小车运行稳定，能够排除各种干扰，并且能够使小车维持很高的速度行驶。
关键词：循迹；单片机；图像处理

全国大学生智能汽车竞赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机MC9S12DG128开发板、开发软件Code Warrior和在线调试工具的基础上，制作一个能够自主识别路线的智能车，它将在专门设计的跑道上自动识别道路行驶。中心目标是，在不违反大赛规则的情况下以最
短时间跑完单圈赛道。
本文主要对车模整体设计思路、硬件与软件设计及车模的装配调试过程作简要的说明。

1 整体设计
系统按照功能划分为：电源模块、单片机控制系统模块、运行调试模块、路径识别模块、直流电机驱动模块、舵机转向模块、速度测量模块等。图1是小车系统硬件模块图。本文重点介绍路径识别模块、直流电机驱动模块、舵机转向模块、速度测量模块。

1．1 路径识别模块
路面信息检测模块要能够实现检测路径参数。将面阵CMOS用于赛道参数检测的方案，充分利用S12单片机内部硬件资源ATD模块，直接采集CMOS输出的模拟信号，可以获得满足参数检测需要的图像，计算出赛道参数，进而完成路面信息检测。检测路径传感器采用CMOS图像传感器。普通CMOS传感器图像分辨率都在300线之上，远大于光电管阵列。
通过镜头，可以将车模前方很远的道路图像映射到CMOS器件中，从而得到车模前方很大范围内的道路信息。对图像中的道路参数进行检测，不仅可以识别道路的中心位置，同时还可以获得道路的方向、曲率等信息。利用CMOS器件，通过图像信息处理的方式得到道路信息，可以有效控制车模运动，提高路径跟踪精度和车模运行速度。
1．2 直流电机驱动模块
为了利用单片机实现对主电机的控制，使用Motorola公司的H桥芯片MC33886。该芯片的供电电压在5～40 V之间，MOSFET管的导通电阻为120 mΩ，控制信号的输入兼容TTL／CMOS电平，PWM的最高频率可达10 kHz，同时具有短路保护功能和故障信号的输出。
MC33886的应用示意图如图2所示。图中，V+是为直流电机供电的电源。IN1和IN2两个逻辑电平输入端分别控制输出端OUT1和OUT2。当IN1输入高电平时,OUT1输出也为高电平——即通过H桥与V+导通；当IN1输入低电平时，OUT1输出也为低电平——即通过H桥与GND导通。IN2和UT2的关系与此相同。FS为故障信号开漏极输出，低电平有效。当D1是高电平或者D2是低电平时，同时禁用OUT1和OUT2的输出，使OUT1和OUT2同时变为高阻态。通过控制IN1和IN2的电平，即可控制电机正转、反转、停转。对IN1和IN2的电平信号进行脉宽调制，即可控制电机的转速。

主电机驱动电路采用大赛组委会指定的竞赛用电池直接为MC33886及主电机供电。MC33886的所有输入、输出信号均采用TLP521-4光电耦合芯片隔离，以避免驱动电路对单片机的正常工作造成干扰。为了保证MC33886散热良好，该电路板上依据MC33886数据手册的推荐样式设计了散热敷铜并为MC33886安装了散热片。焊接、装配时，将电路板正面的敷铜与MC33886底部的裸露的散热铜焊盘焊接在一起，可大大增强芯片的散热能力。
1．3 舵机转向模块
利用汽车转向机构原理，为了保证小车在转弯过程中，既能快速响应，又防止速度过快冲出跑道，把舵机的位置进行了提升，可以增大力矩，使小车快速响应，按照轨迹进行快速转弯。测量出摄像头能够检测到的黑线位置，并量车距离为b，测量车正中间和黑线的横向距离为a，那么转角的正切就等于b／a，如图3所示。可以使用这个方法，把黑线从视野最左端移动到最右端，分别测量出转角。由于舵机连杆加长，可发现转角于舵机的PWM值基本是线性的，所以舵机控制采用P控制即可。再考虑到转弯必须有一定的及时性，所以并不采用PID控制。

1．4 速度测量模块
考虑到成本要求，采用了红外对管和黑白码盘作为测速模块的硬件构成。其中码盘为32格的黑白相间圆盘，如图4所示。

红外传感器安装在正对码盘的前方，虽然这样做精度比编码器要低很多，但是成本低廉制作容易，如果智能车速度较快，可以考虑再减少码盘上黑白色条的数量即可。
当圆盘随着齿轮转动时，光电管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以得到一系列高低电脉冲。设置MC9S12DG128的ECT模块，同时捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿。通过累计一定时间内的脉冲数，或者记录相邻脉冲的间隔时间，可以得到和速度等价的参数值。