智能电动模型车硬件模块设计

冯帆 冯瑶

摘 要：“恩智浦杯”智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，学生以汽车电子相关技术为基础，设计制作一辆智能电动模型车。本文介绍了一种摄像头智能车的硬件模块构架，从整体层面上提供设计思路。

关键词：智能车；硬件模块；设计思路

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.036

摄像头智能模型车是基于模拟和数字摄像头来感知赛道边界线，进而模型车自主规划运行路径来完成比赛，是全国大学生智能汽车竞赛赛车的一种。智能车的控制分为两部分：直行和转向，直流电动机可以作为直行部分的执行机构，舵机可以作为转向部分的执行机构。车速的检测采用编码器实现，整个过程形成闭环控制。总体构架为：电源模块、系统控制板、编码器、摄像头模块、舵机模块、7.2v电源、电机模块、电机驱动模块。

1 摄像头模块设计

摄像头工作原理为：通过光学镜头对景物成像，投射到图像传感器表面，形成电信号，经过A/D转换后变为数字图像信号，控制器再进行加工处理。图像传感器分为两类：CCD和CMOS，两者的差异之处为CCD采用连续扫描，只有在最后一个像素扫描完成后才进行放大；而CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷放大为电信号的转换器。

OV7620模块是CMOS彩色/黑白图像传感器，支持连续和隔行扫描两种方式，最高像素为664x492，帧速率为30fps；数据格式包括YUV，YCrCb、RGB三种，满足了智能车的图像采集系统要求。OV7620的电平兼容3.3v和5v。目前智能车采用的XS128和K60单片机工作电平为5v和3.3v，所以无需做电平匹配。对于学生制作的智能车不一定摄像头帧率越快越好，OV7620，其PCLK（像素中断）的周期是73ns，较容易被K60的I/O捕捉，相反，帧率越快的摄像头，其PLCK的周期会越小，不容易被K60I/O捕捉。OV7620有两组并行的数据口Y[7…0]和UV[7…0]，输出的灰度信号是Y，色度信号是UV，对于全白的赛道背景，采集回来的数据是255，对于黑色赛道，采集回来的数据是0，这样就能很好的区别开赛道与背景。

2 电机驱动电路设计

一般的电机驱动电路由MCU+预驱动+MOSFET+闭环检测电路构成。具体可分为：预驱动芯片+外置MOSFET的方式，这种方案散热较好，另一种是预驱动和MOSFET集成在一起，这种类型所占空间小，内设保护电路。

本方案选择BTS7960集成芯片，为原装进口英飞凌芯片。最大电流输出为43-70A，与单片机5v隔离，能有效保护单片机，电机驱动输出端电压可显示，可以焊接散热片，兼容BTS7960B、BTN7960B、BTS7970B。

BTS7960的5v隔离芯片电压可以与单片机5v共用，驱动模块到单片机的4根线为（GND、5v、PWM1、PWM2），板子上预留4個小孔，可直接固定在智能车A车模和B车模尾部。

3 舵机模块设计

智能车实现良好的轨迹控制，转向系统是关键一环，转向性能的好坏和转向控制的精确对车速和行车稳定性影响很大。舵机主要由舵盘、变速齿轮组、位置反馈电位计、小型直流电机、控制电路板组成。控制电路板接收来自单片机的控制信号，控制电机转动，电机带动齿轮组转动，减速后传递至输出舵盘。

舵机输出为三条线：红色是供电线，黑色是接地线，还有一根是信号线。舵机的控制信号是周期为20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉宽从0.5到2.5ms，相对于舵盘的位置是0到180度，呈线性变化。当给舵机提供一定的脉宽，输出轴就会保持在一个相对应的角度上，当外界转矩发生变化时，输出角度依然不变。只有当提供另外一种宽度的脉冲信号，他才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机是智能车转向系统的执行单元，由单片机给出PWM信号控制舵机转角实现转向，而舵机又是外购件，所以按照对应的接口把舵机和单片机连接即可。

4 编码器模块设计

编码器（encoder）是把信号和数据进行编制，转换为可用于通信、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或者线位移转化为电信号，称为码盘或码尺。欧姆龙（OMRON）编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换为相应的电脉冲以数字量输出。

编码器的中心轴有光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，由光电发射和接收器件读取，得到四组正弦波，组成A、B、C、D，每个正弦波相差90度，将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强信号的稳定性；另外，每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考。

蓝宇编码器的输出端有5根线：褐色线、黑色线、白色线、黄色线和蓝色线。其中，白色和黄色是B相和Z相，褐色、黑色和蓝色3根线与单片机相连，在单片机底板上“转速1”和“转速2”选择任意一个插接口即可。在摄像头智能车上仅用到3根线：褐色线（电源VCC）、黑色线（A相）和蓝色线（GND）。

5 系统控制板

K60系列具有IEEE1588以太网，可全速和高速USB2.0ON-The-Go带设备充电探测，具有硬件加密和防篡改探测能力，以及丰富的模拟、通信、定时和控制外设。芯片使用多组电源引脚，分别为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换电路等电路供电，内部电压调节器为内核和振荡器等供电。系统板根据一定的算法，控制舵机、电机和LCD显示，控制各种参数的设置。

智能车设计需要机械、电子、控制、信号处理和汽车相关的综合方面的知识，学生通过完成此项目，可以对所学知识有系统的了解，并能通过实际操作掌握这些知识。

参考文献：

[1]刘允峰，韩建群.基于飞思卡尔S12单片机的智能车系统设计与实现[J].渤海大学学报（自然科学版），2015，36（04）.

[2]梁峻恺.基于飞思卡尔单片机的智能车设计分析[J].硅谷，2014，7（08）.

作者简介：冯帆（1989-），男，陕西西安人，讲师，硕士研究生，研究方向：汽车检测与维修技术。