一種智能循跡小車設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)初始化模塊

　　系統(tǒng)初始化模塊主要完成硬件的初始化工作，包括以下幾個方面：

　　(1)鎖相環(huán)初始化：單片機(jī)采用了鎖相環(huán)技術(shù)，即外部時鐘頻率較低，采用16MHz晶振，從而提高整個系統(tǒng)的電磁兼容能力，而內(nèi)部通過鎖相環(huán)將系統(tǒng)時鐘改變至80MHz，從而提高片內(nèi)CPU運(yùn)行速度。倍頻公式如下：

　　鎖相環(huán)初始化部分需要對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。

　　(2)脈寬調(diào)制(PWM)模塊初始化：PWM在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動兩個伺服電機(jī)，一個是電機(jī)，另一個是舵機(jī)，通過程序調(diào)節(jié)波形的周期和占空比實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制。調(diào)節(jié)信號是經(jīng)路徑識別和系統(tǒng)決策后給出的，這樣就能實(shí)現(xiàn)小車的自動控制。

　　(3)增強(qiáng)型捕捉定時器(ECT)模塊初始化：此模塊主要用于速度測量，在單位時間內(nèi)對測速模塊送入的脈沖進(jìn)行捕捉并計(jì)數(shù)，從而計(jì)算小車運(yùn)行的速度。

　　(4)串口模塊初始化：為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串行通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式、接收發(fā)送功能使能、設(shè)置模式等。

　　圖像采集模塊

　　為了提高本系統(tǒng)的實(shí)時性，視頻采集采用外部中斷觸發(fā)的方式采樣圖像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用OV7620的YUV16位數(shù)據(jù)制式。YUV16視頻信號的場頻為60Hz，即一場信號將持續(xù)16.67ms，且一般每場攝像頭掃描480線。HREF(行同步信號)、VSYNC(場同步信號)為采集控制信號，分別接到單片機(jī)的PJ7和PJ6口，設(shè)置PJ口，使PJ7能響應(yīng)上升沿中斷;PJ6能響應(yīng)下降沿中斷。采樣系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示。

　　路徑識別

　　路徑識別的第一步就是要對采樣圖像進(jìn)行處理，即根據(jù)攝像頭傳回來的視頻信號提取出黑線的位置。常用的黑線提取算法分為二值化算法、直接邊緣檢測算法和跟蹤邊緣檢測算法。

　　在首行邊緣檢測正確的前提下，跟蹤邊緣檢測算法具有較強(qiáng)的抗干擾性，能更有效地消除道路外黑色圖像的影響，始終跟蹤目標(biāo)引導(dǎo)線。另外，較之前兩種算法，跟蹤邊緣檢測算法的時間復(fù)雜度更低，效率更高。

　　因此本文選擇跟蹤邊緣檢測算法。核心思想就是對每一行從左往右對像素點(diǎn)進(jìn)行掃描，尋找灰度值突然降低并且其右邊幾個點(diǎn)的灰度值與其相似的那個點(diǎn)，將這個點(diǎn)作為該行圖像中黑線的左邊緣，從而完成對道路的識別。

　　PID控制

　　PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一^[6]。對于舵機(jī)的閉環(huán)控制，本文采用PD控制，其中，P項(xiàng)是在圖像中選出一行，計(jì)算其中黑線與圖像中心位置的偏差，而D項(xiàng)由兩種值共同決定，一種是將選定行的黑線位置與上一幅圖片中的位置相減，從而反映其變化率;另一種是利用圖像中的兩行算出黑線與小車的夾角，這個夾角可以反應(yīng)黑線與小車位置偏差的變化率。對于速度控制，基本思想是直道加速以提高運(yùn)行速度，彎道減速以增強(qiáng)穩(wěn)定性。本文采用了增量式PID控制算法，在調(diào)試中將每場圖像得到的黑線位置偏差與速度PID參考速度值構(gòu)成二次曲線關(guān)系，最終將參數(shù)調(diào)節(jié)至與舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制配合較好，從而使小車在直道加速行駛，而彎道減速增強(qiáng)穩(wěn)定性。

　　總結(jié)

　　本文以MC9S12XS128單片機(jī)為核心，通過CCD攝像頭采集道路信息并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳給單片機(jī)，攝像頭通過行中斷和幀中斷通知單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)分析收到的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾波，二值化等一系列的圖像處理過程，提取出道路信息，采用PD方式對舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行反饋控制。同時通過編碼器測速對速度進(jìn)行PID反饋控制，最終完成了智能車的自主巡線和速度控制功能。

　　實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)時性好，能夠準(zhǔn)確快速地沿道路循跡運(yùn)行。

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