基于单片机控制的信标智能小车设计

2021-10-25张施展

科学技术创新 2021年30期

杨梅张施展

（贵阳学院电子与通信工程学院，贵州贵阳 550005）

1 概述

随着汽车工业的进一步发展，智能小车的相关研究也备受关注。近年来以智能小车为主题的竞赛也为推动无人汽车的发展起着重要作用。本文以第十四届“恩智浦杯”全国大学生智能车竞赛为背景，设计并实现了基于单片机控制的信标智能小车设计，解决传统智能小车在寻迹追踪方面对复杂赛道及环境处理能力不够的问题，优化红外信标灯进行识别处理能力，实现小车更高效的寻迹追踪功能。

2 系统设计

信标智能小车主要是由H 车的车模、小钻风硬件二值化OV7725 红外摄像头、四个RS-380的电机和显示屏等部件组成，根据小车四轮的转速，再通过编码器正交解码后得到的速度反馈信息，通过PWM波以及PID 实现电机速度的控制，便可实现小车的全向运动。这在寻迹的过程中能达到缩短寻迹路径的优势。如图1 所示为系统框架设计。

图1 智能小车系统框架图

智能小车的摄像头是采用的是硬件二值化OV7725 红外摄像头。该摄像头的最大有效像素点是320*240，硬件方面的主要特点是图像数据已经经过二值化，控制端可直接使用单片机采集摄像头模组输出0、1的黑白图像，在处理图像时会更加方便。

3 硬件系统设计

3.1 电源的设计

硬件设计中需要为信标智能小车提供7.2V 电源电压，该7.2V 电源由锂电池提供。此外，硬件系统还需3.3V 和5V的供电电压。3.3V 主要用于给单片机K66 芯片，OLED 显示屏供电，使用TPS7333 线性稳压芯片产生。5V 电压主要用于摄像头模块,编码器模块供电，并且为TPS7333 提供电压，使用的是TPS7350 芯片产生，电路图如图2 所示。

图2 5V 电源电路图

3.2 PWM信号平稳的设计

在驱动电路设计前端，设计使用了74HC08 芯片，如图3 所示，其主要功能将TPS7350 转换来的5V 和单片机输出的PWM信号做与运算，以此保证PWM信号的平稳性。

图3 74HC08 平稳PWM 信号图

3.3 红外光识别

信标智能小车采用硬件二值化OV7725 红外摄像头，该摄像头对红外光线十分的敏感，必须要在封闭而且无阳光的前提下进行过调试跑车。对于摄像头的放置方法也有讲究，夹角太大可能无法看到近处的灯，夹角太小可能无法看到远处的灯，因此本系统是将摄像头与碳素竿的夹角设定为60 度，如图4 所示。

图4 摄像头安装示意图

对于摄像头的补光环境，本系统采用LQ-R&IRLEDV4的信标灯给信标智能小车进行补光。该信标灯的发射频率是10Hz，闪烁频率是40kHz，在该频率下，可以保证小车在赛道上能看到红外光。

4 软件设计

硬件二值化的红外摄像头的图像采集是通过DMA 和场中断进行采集图像。DMA 是直接存储器访问，该功能在图像采集中把一个数据地址传输到其他的地址，通过这个原理，最后采集到的数据分辨率是80*60（画面长*宽）的平面。经过二值化的摄像头采集的图像里有一个黑块，该黑块代表红外发射器发射出来的光经过了二值化的图像。黑块的数据在数组中显示数字0，白色区域显示数字1。摄像头采集到红外光之后，把看到的图像数据输入到MCU的flash 中。

实验进行图像优化时，首先利用嵌套for 循环找到每行或者每列的黑点个数，再使用冒泡法比较出每行每列黑点个数最大值。黑点个数最多的行列形成的交点即可近似看成信标灯的位置。具体流程图如图5 所示。

图5 软件设计程序流程图

5 寻迹思路

首先先设定一个灯亮的参数。如果摄像头识别到了红外光，并且利用算法把识别到的红外光优化成一个点，此时算法中设置灯亮参数为1，反之，设置为0。

采集的图像经过算法处理后，在方向环进行误差的处理时，error=Dy_Center-center_line[rowline]，即误差error 等于中心线Dy_Center 值减去黑点的列数center_line [rowline]，由计算出的error 值判定当前方向误差。根据方向误差值，经过PID 算法设定MCU 输出PWM 信号的占空比，从而可以控制小车电机转速，实现小车差速转弯的结果，具体流程图如图6 所示。