摄像头识别的智能车硬件系统设计

摘要：智能车在探测、救生等方面具有广阔的应用前景，针对图像识别智能车缺乏稳定的运行状况，提出一套完整的硬件设计思路。该系统以飞思卡尔公司的MC9S12XSl28单片机为核心控制器，设计智能车整体硬件系统框架，并详细给出了智能车电源单元电路、电机驱动模块、舵机控制的电路图。通过分析路径信息采集、速度信息采集、以及对输入／输出模块与单片机连接，说明如何构成一个闭环反馈系统。以上硬件系统应用在智能车中得到了稳定的运行。
关键词：NC9S12XC128；摄像头；智能车；速度控制

0 引言
    近年来，智能车辆和智能交通已成为汽车和智能控制领域的研究热点之一。智能车即轮式移动机器人，智能车的设计涉及模式识别、传感技术、电子、控制、计算机、机械和电源等多个学科。智能小车能在非特定环境下工作，在探测、救生等方面具有广阔的应用前景，对智能循迹系统的研制和改进，对上述领域产品的研发具有推动作用。
    本文以第七届飞思卡尔智能车比赛为背景，讨论摄像头识别的智能车在复杂道路条件下的运行情况。该系统采用MC9S12XS128微控制器作为核心控制器并结合OV7620图像传感器获取路况信息。微控制器输出三路PWM信号，其中两路用来控制车速，一路用来控制舵机的方向。三路信号均通过调节PWM信号的占空比，来控制直流电机的正转、反转转速和舵机的转向。实现对智能车的良好精确的控制，没有一套合理稳定的硬件电路是难以保证智能车的良好运行。本文主要对智能车的硬件系统进行相关设计。

1 智能车硬件系统整体框架
    智能车硬件系统主要包括控制器、电源电路单元、输人设置、摄像头OV7620图像采集、车速检测、舵机和电机驱动，串口通信等模块。按照以上模块的功能，小车的硬件系统可以分成：电源部分、信息获取部分、信息处理部分、实时控制和输入／输出部分，构成一个闭环的
控制系统。图1为智能车整体硬件组成系统。

    智能车竞赛摄像头组的小车用摄像头采集道路信息，利用采集到两条黑色边界线和白色赛道的灰度值不同，识别道路状况，通过处理采集到的图像，对小车实施实时控制。本文利用单片机MC9S12XS128处理采集到的数据，用舵机和驱动电路驱动电机，控制小车的运行。
    智能车设计的完整方案是：用摄像头采集道路信息，摄像头内部集成了ADC和图像的行场分离芯片LM1881。根据采集到的一场图像情况，计算出赛道的曲率半径，对于赛道不同弯曲程度，用不同的PWM信号控制舵机的转向和电机的转速，使得小车能够智能化的沿着赛道行驶。

2 智能车硬件电路各部分的设计
2．1 电源电路单元
    整个智能车的供电来自充电电池，正常情况下充电电池电压为7．2 V，电池容量为2 A·h。智能车各模块对电源的要求不同，特别是对电压的要求，以及对电压稳定性的要求，所以需要选择不同的稳压芯片。从电池中分离出不同的电压，给各部分模块供电。图2为智能车供电系统。

    以上电路的设计为防止电路之间产生干扰，采取了各模块分离电源供电。舵机比较特殊，需要的电源电压是6 V，这里采用LM2587-6稳压块。具体电路如图3所示。

    电机驱动电路采用能够输出大电流的LM2596开关电压调节器，能够输出3 A的驱动电流。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LN2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计，。具体电路如图4所示。

    由于数字摄像头对电压要求比较高，一般采用线性稳压电源，不用开关电压调节，其输出有尖峰。这里采用LM2940稳压块，数字摄像头、测速模块、串口通信、单片机分别采用单独的电源输出，避免之间发生干扰。具体电路如图5所示。

2．2 实时控制部分硬件设计
    智能车实时控制部分主要包括车速和车的转型控制即舵机控制，车速部分主要是取决于电机驱动电路的中的PWM，下面分别对电机驱动电路进行设计和对舵机控制做介绍。
2．2．1 电机驱动
    智能车的动力部分使用小型永磁式直流电机，可用分离元件组成的驱动器来驱动，也可用一体化的集成驱动芯片来驱动。为了简化电路板，减轻小车的重量，本智能车采用一体化的专用集成驱动芯片BTS7970。用单片机的引脚PWM0和PWM1输出PWM脉冲信号，通过两路驱动，可以实现加速，减速，停车的实现。由于两路驱动电路设计一个类型，这里给出其中一路外围电路，如图6所示。

2．2．2 舵机控制
    舵机又名伺服电机，本智能车采用舵机S3010，通过输出周期为20 ms的PWM信号来控舵机转动角度。舵机有三条线一个地线，一个电源线接6 V，控制信号线通过单片机PWM5引入，通过单片机输出的PWM信号的占空比来控制舵机转向角度。
2．3 信息获取与输入／输出部分
    信息获取部分包括摄像头采集的数字图像、编码器的测速获得的车速信息。输入通过拨码开关设计几个档位，实现不同的车速，以及完成智能车的调试。具体电路如图7所示。

    图7中的数字摄像有采用集成模块OV7620与单片机直接连接，8位数据线直接与单片机8位数据口连接，行场中断分别与单片机PT口相连接，完成图像的采集。单片机的有两个串口，用其中一个通过MAX232电平转换和电脑实现通信。测速模块与单片的PT口当中一个端口连接，实现速度的采集。8位拨码开关与单片机的8位端口连接，将端口设置为输入口。

3 结语
    智能车系统根据个人实现功能不同，硬件电路有所不同，与相关的软件程序有关。本文主要介绍了基于摄像头的智能车的硬件设计电路，详细的设计智能车的电源部分，电机驱动部分，由于篇幅有限，只给出信息获取和输入／输出与单片机连接框图，说明与单片机的连接情况。