基于TC264的智能小车控制系统

王加安，戴鹏，蒋波文

（常州工学院，江苏常州，21300）

0 引言

在智能化飞速发展下，智能小车应用广泛，能包括自动驾驶汽车，盲人出行导航车，自动化物品运载车，电力运行故障检查车，车间内的自动运输车，除此之外在军事领域智能小车也有着广泛地应用，如作为练习训练时的移动标靶，自动排雷车，弹药输送车等。基于摄像头的智能小车系统充分利用了摄像头传感器替代人眼采集的信息完整，检测范围宽，并且成本低的优点。摄像头采集到的道路图像包含了行驶路线的边缘以及路径走向趋势等信息，能够通过单片机核心进行预处理。因此，这种获取道路信息并处理的方法使得智能小车自动行驶的效果更加显著。智能驾驶小车运用图像处理技术在未来小车实现智能化的过程中十分重要。小车获取道路信息是能够实现各种复杂操作的先决条件。智能小车的自动驾驶技术采用了自动控制原理、电子技术、图像处理技术、传感器技术等多种技术融合的方式[1]。

1 系统整体设计

智能小车控制系统选用Infineon SAK-TC264DA-40F200W作为控制器，以MT9V034[8]神眼摄像头作为智能小车的道路信息采集模块，将信息数据传送给主控芯片，采用图像二值化处理[9]后将图片转换为计算机可识别的黑白图片[10]并在黑白图片划取中心线作为小车行驶的道路标志的路径线，同时将处理后的路径图像信息数据实时显示在OLED[11]屏幕上，通过增量式PID[2]算法控制小车速度调节，位置式PID 算法控制小车转向，确保小车准确行驶[12-14]。小车系统整体结构图如图1 所示。

图1 系统整体结构图

2 硬件电路设计

■2.1 电源电路设计

采用7.2V的镍镉动力电池作为小车的供电源，驱动电机工作的电压是12V，主控芯片电路、摄像头图像传感器电路及显示模块电路的工作电压是+3.3V，由于各模块的工作电压不同，因此选用MC34063 升压芯片和LM2596 降压芯片，调节整体电路的不同电压值，以此实现对系统的整体供电。其电路原理如图2 所示。

图2 供电原理图

■2.2 驱动电路设计

采用MC34063 芯片来获得12V 电压，为MOS 管的稳定饱和提供高压。其电路原路图如图3 所示。

图3 驱动电路设计图

直流电机的驱动采用IR2104 芯片的高电压、高转速动力的性能特点提供了12V 电压的全桥双路驱动电路，此电路大大提高了电动机的工作转矩和转速，其电路原理图如图4 所示。

图4 双路式驱动原理图

■2.3 图像采集模块设计

该系统采用MT9V034 神眼摄像头，具有自动曝光功能，可自由设置对比度、曝光时间、帧率、分辨率、增益等；在光线暗、日光等极端环境下也可以发挥该摄像头的功能。

■2.4 OLED 显示模块

我们选用OLED 显示屏，具有对比度高、视角广、反应速度快，通过I2C 总线的0.96 寸OLED 屏幕显示二值化处理过的道路信息。

■2.5 编码器模块

我们选用mini512 线增量式测速编码器[15]，对电机的速度进行实时测量，把电机的角位移转换成周期性的电信号，更加便捷的实现了主控芯片对电机的控制。

■2.6 陀螺仪、蜂鸣器模块

我们给系统设置了九轴陀螺仪传感器可以让物体在运动过程中感知其水平、垂直、俯仰、航向和角速度等信息。利用该传感器的特性，我们可以在物体三维运动中提炼出相关的角度和角速度，当任意传感轴上发生超出阈值的事件时，便会生成一个中断，同时给蜂鸣器报警装置，进行警告。

3 系统软件流程设计

系统采用C 语言[16]编写，主程序首先进行初始化，通过初始化后的摄像头传感器采集道路信息，对图像进行大津法二值化处理，然后对图像进行去噪处理[17]，对处理完的图像划取中线，以获取准确的道路信息。通过分析采集的图像数据，对小车的转向以及速度进行控制，再由增量式PID 控制算法驱动电机运转，位置式PID 控制算法驱动舵机调整小车运行状态，从而达到自动行驶的功能。程序总体流程图如图5 所示。

图5 系统工作流程图

■3.1 速度控制处理

为了达到更好的速度控制效果，我们选用闭环控制的方式，通过闭环反馈使系统的精度提高，系统的响应时间缩短，稳定性提高。我们采用了增量式PID 作为速度闭环处理控制的算法。增量式PID 由于计算机输出增量，所以误动作的影响小，冲击小。该算法不需要累加，控制增量su(k)的确定仅与最近k 次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

增量式PID 如式1 所示：

■3.2 图像处理

数字摄像头可直接采集赛道灰度值，其中灰度值高的为白色，灰度低的为黑色，因此在图像中的白色和黑色的灰度值会有较大区别，通过大津法分割阈值，从中分离出目标物体，在根据设定的阈值图像中部向两边搜选黑白跳变点，从而确定左右边界位置，并根据左右两边界计算出中心作为中心点，推算完整幅图像的中心点后，将中心点进行处理，使其具有连续性。弯道的图像处理如图6 所示。

图6 弯道图像处理效果图

4 总结

该系统设计的基于TC264的智能小车，通过摄像头采集道路信息，增量式编码器检测当前的速度，将数据传送给核心控制器，分析智能小车当前行驶状态，实时控制。该系统采用模块化的设计，经过实际测试表明，智能小车能够实现自动驾驶功能，能够通过设定的弯道、直道、环岛等道路，本设计实现了一个具备速度控制、道路信息采集分析、自动驾驶功能的智能小车。