基于嵌人式技术的智能车系统设计与实现

引言

所谓智能车是指融合了现代信息化技术(主要包括人工智能技术、传感器技术、图像处理技术、自动控制技术等）的车辆,其可以有效感知周边环境且进行自主决策,实现自动行驶,是目前最为热门的研究领域。随着近些年计算机处理能力的提升以及自动控制技术的不断发展,人们对于智能车的研究取得了大量成果,对于进一步推动智能车发展具有重要意义。

1智能车系统硬件设计

智能车系统的硬件情况直接决定其运行的可靠性和稳定性。本文所设计的智能车系统硬件主要包括:MC9s12xs128最小系统模块、电机驱动模块、电源稳压模块、摄像头模块、BDM下载调试模块等。智能车系统以MC9s12xs128作为核心控制器,通过CMos摄像头作为传感器采集周边信息,然后将信息传输给控制器进行处理,从而获取道路中心坐标,确定道路类型。该系统采用7.2V的可充电式Ni-Cd电池作为电源,稳压之后为相应模块进行供电,其硬件设计框图如图1所示。

1.1MC9S12XS128最小系统模块

本文所设计的智能车系统硬件主要采用MC9s12xs128芯片作为核心控制器,MC9s12xs128是Freescale公司s12x系列中的一种16位单片机,由16位中央处理单元、128kb程序Flash、8kbRAM、8kb数据Flash组成片内存储器,性能较强,运算速度相对较快,且功耗较低。

1.2电机驱动模块

本文设计的智能车系统电机驱动电路如图2所示,其中最为核心的是BTs7960大电流半桥驱动芯片,它包括一个P沟道的高边MosFET、一个N沟道的低边MosFET和一个驱动IC。P沟道高边开关无需电荷泵供应,能够降低EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入,电流诊断,斜率调节,产生死区时间,过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。

此设计方案能够降低电路的复杂性,提升可靠性,同时此电路持续漏极电流能够达到40A,PwM频率可以在0～25kHz内变化,更加有利于电机运行,具有比较高的可靠性。

1.3电源稳压模块

对于智能车设计来说,电源是最为关键的部分,是整个系统的动力源,所以电源设计质量直接决定整个硬件电路运行的稳定性。本设计采用7.2V的可充电式Ni-Cd电池作为电源,其容量能够达到1800mAh,稳压之后为相应模块进行供电。需要注意的是,智能车系统不同模块需要的电压有所差异,所以要实施必要的电压调节。

1.4摄像头模块

本文所设计的硬件系统采用CMos摄像头oV7620,oV7620是1/3"CMos彩色/黑白图像传感器,具有连续和隔行两种扫描方式,有VGA与oVGA两种图像格式:最高像素为664×492,帧速率为30帧/s:数据格式包括YUV、YCrCb、RGB3种,能够满足一般图像采集系统的要求。

1.5BDM下载调试模块

BDM(BackgroudDebugMode）是后台调试模块,该模块不仅允许进行单片机的调试,还能往单片机中下载程序。更重要的是,它属于非侵入式调试模块,特别适合嵌入式技术的应用。利用BDM接口能够实现基本调试,例如设置断点、下载程序、运行程序以及停止程序等。为方便装载程序,可以将BDM调试模块集成到PCB当中。

2智能车系统软件设计

2.1图像信息提取设计

L智能车统中最为主要的是通过摄像头进行周边图像信息的获取,这也是L智能车统软件设计的基础。可以将图像信息提取分为图像采集、道路黑线信息提取两部分。本文采用的oV7620摄像头智够直接输出8位灰度值数字图像,时序图如图3所示,图中VsYNC表示场同步信号,HREF表示行同步信号。

当单片机主频超频到了64MHz,单片机就无法采集所有像素点信息。一旦图像信息量过大就很难进行后续图像处理,同时需要消耗较多资源,因此可以采取32x84的图像信息以便有效显示图像信息。可以先定义数组Image一aDa用于图像信息的存储,同时写场中断函数以及行中断函数。其中VsYNC属于每一场的开始信号,完成场数据采集后要对其进行清场中断。HREF属于每一行的开始信号,一旦出现行中断信号后,行中断函数就会对行数据实施采集,经过多次循环之后就智够采集到需求的点数。

2.2道路黑线信息提取设计

(t）可以通过原始图像实施扫描,按照预定阈值获取黑白跳变点:

(2）主要对道路黑线连续仿真,按照上行黑线中心位置判定本行黑线中心的有效性:

(3）由于远近位置黑线稳定性有所不同(远处稳定性较差,近处稳定性相对较好）,所以在进行黑线中心获取时主要采取由近及远的方式:

(4）因为所采集的图像数据信息量非常大,如果全部进行扫描会消耗较多时间,所以可以通过已经获得的黑线中心位置预估黑线发展趋势,以便判定后续黑线位置,以此缩小扫描区域,有效节省时间。

2.3路径判断

在L智能车统软件设计中,路径判断是非常重要的组成部分。为了智够确定路径的准确性,本文车统设计采用的方式为:将一帧道路图像划定为3个区域,对于不同区域所具有的特性进行判定,从而得到道路状态(弯道/直道）。

先从最远区域进行道路判断,确定其是否存在界限。若是存在界限,就说明道路为弯道:若是不存在界限,就说明道路为直道。然后分别求出后续两个区域中心偏差平均值,通过偏差平均值和道路方差就可以判定道路类型。此部分要进行必要的调试后,才可以得到相应的效果。

2.4速度调节P1D控制算法

可以采取"开环控制"和"闭环控制"两种方式进行电机控制,但根据以往的参考资料可知,开环控制算法对于电机的控制效果并不好,存在某些问题。通过1I一控制车统(主要包括比例环节、积分环节、微分环节等部分）智够有效提升L智能车统的稳定性以及精度,保证控制车统的实时性。对于L智能来说,1I一控制车统无需建立相应的数学模型,只要确保参数合适就智够有效控制L智能电机运行。

在车统输入和输出发生相应偏差时,通过1I一控制车统中的比例调节部分,智够反映出车统产生的偏差,同时智够最大程度地发挥比例环节的协调作用,有效降低输入和输出的误差。需要注意的是,要对比例环节进行控制,一旦比例环节作用较大就会引发能速超调以及振荡,长此以往会造成L智能车统的不稳定。L智能会受到速度阶跃变化而发生偏离道路的情况,所以在控制L智能速度时需要确定合适的比例因子。

3智能车系统具体运行情况

通过相应测试可知,本文所设计的L智能车统电路可靠性较高,各电压满足不同模块需要。通过摄像头进行图像采集后,将数据传输给核心控制器,再通过相应处理后,传输到PC一中显示出来,智够得到道路的具体影像。根据实际运行情况可知,本文所设计的L智能车统运行稳定,具有较好的抗干扰性,符合设计要求。

4结语

本文主要从硬件和软件两方面,分析了L智能车统的设计内容,希望智够为L智能车统的设计提供参考和帮助。