摄像头循迹智能平衡小车
摄像头循迹智能平衡小车
付国栋，胡健军，王杰
（哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨黑龙江 150001）
摘要：摄像头循迹智能平衡小车是使用MK60DN512ZVLQ10微处理器和CCD摄像头配合来实现在跑道上的自动循迹，识别黑白线，直道和弯道的加减速行驶。小车是机械系统与硬件系统配合软件系统实现运行的复杂整体，硬件系统有电源管理模块，最小控制系统模块，图像采集识别处理模块，陀螺仪加速度计角度测量模块，电机驱动模块，编码器测速模块；软件系统包括小车的直立平衡控制，速度与方向的PID控制，角度测量的卡尔曼互补滤波算法，信息（赛道图像，车轮转速）采集程序；机械系统方面，各模块的安装，优化改进也是摄像头循迹智能平衡小车平稳运行的关键部分。
关键词：MK60DN512ZVLQ10微处理器，图像采集识别处理，PID控制，卡尔曼互补滤波
Smart balanced car of tracking by camera
FU Guodong, HU Jian jun, WANG Jie
（College of Automation, Harbin Engineering University , Harbin, Heilongjiang 150001）Abstract: Smart balanced car of tracking by camera realizes automatic track in runway, recognizes black and white line, acceleration and deceleration of speed by using microprocessor MK60DN512ZVLQ10 and CCD camera. Smart car is a complex system concluding mechanical system, hardware system and software system; the hardware system has power module, minimum control system, the module of gathering, recognizing and processing image, the module of measuring angle by gyroscope and accelerometer, the module of driving motor, the module of measuring speed by encoder; the software system is composed of upright and balanced control’s procedure, speed and direction’s PID control’s procedure, kalmen complementary filtering algorithms, and procedure of gathering information like the runway’s image and the wheel’s speed. And every module’s installation, optimizing and improvement in mechanical system is also a key part that makes smart car move stably.
Key words:Microprocessor MK60DN512ZVLQ10, gathering, Recognizing and processing of image, PID control, Kalmen complementary filtering
1.引言
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛活动赛。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不小于45cm的白色面板，赛道两侧边沿有宽为25mm的连续黑线作为引导线。参赛队员的目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。本文结合我们小组参与“飞思卡尔”智能车的竞赛经历，讲述了摄像头循迹的智能平衡小车系统整体设计，制作及实现的整个过程，旨在探索实现小车平稳运行的更加合理稳定的机械结构，硬件电路和算法程序。
2.总体设计
MK60DN256ZVLL10微处理器通过采集CCD摄像头的硬件二值化信号，获得小车赛道边缘信息；通过采集陀螺仪加速度计姿态传感器的信号，经过互补滤波后，实时获得小车的倾角；通过光电编码器脉冲计数后，获得小车速度数据。通过微处理器对赛道图像的处理，对小车速度和方向的PID控制，最后输出PWM波控制直流电机，实现小车的平衡，转向，速度控制和智能循迹。在调试过程中，通过无线传输模块和上位机，获得小车倾角等状态数据。
3.机械结构
智能小车的控制是在合理的机械结构基础上实现的，良好的机械结构才能保证小车系统的稳定性和适应性，对平衡小车，机械要求更高。因此在设计小车硬件，软件系统之前，应对小车的整体结构有清晰的认识，分析结构特点，结合数学模型改善小车的结构。
3.1车模的调整
1)车轮啮合调整。齿轮传动部分安装位置不恰当，会增大电机的驱动负载，影响小车的速度。调整原则：两传动齿轮的轴间保持平行，齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧则增大电机的阻力，因此合适的啮合度至关重要，实际测试在70%左右。
2）在赛道中设置有坡道，因此摄像头的安装位置不能过低，过低会造成信息采集的丢失。安装位置过高，在弯度比较大的赛道，会使小车受的离心力比较大，容易冲出赛道。调整方法：改变小车的倾角，在45度左右，降低小车的重心，增大小车过弯道时的稳定性。同时我们采用碳纤板固定在小车的底板上，增大了小车的刚性，使摄像头的安装位置在小车运动过程中不会与小车底板产生相对位移，增加了图像采集信息的准确性。
3.2陀螺仪加速度计的安装
陀螺仪使用ENC-01，加速度计使用MMA7361，它们是表贴的元件，固定在同一块电路板上。将这块带有陀螺仪加速度计的电路板固定在整个小车的质心位置，可以最大程度减小车模运行时前后振动对小车倾角测量的影响。安装角度传感器电路板上应保持陀螺仪水平安装。因为在小车在弯道运行时，同时存在转动和平动，陀螺仪安装位置不是水平，转动就会在陀螺仪的Z轴方向产生分量，影响小车的运行速度。
图1 陀螺仪加速度计的安装
3.3电池的安装
由于是两轮平衡小车，对小车的运行稳定性和转向的灵活性都提出了更高的要求，因此我们尽可能地降低小车的重心，将电池安装在小车的底部。
图2 电池的安装
3.4摄像头支架的安装
为了最大程度减小摄像头支架安装对小车整体平衡的影响，选用了质地坚硬且重量小的碳素杆作为支架，同时用两个小的碳素杆作为支撑，增加系统的稳定性，以减小车模震动对摄像头的影响。
图3 摄像头支架的安装
3.5编码器的安装
采用增量式编码器实现对驱动电机转速的检测，通过齿轮传动的方式使编码器测速齿轮与电机轴上的齿轮啮合，来获得小车的运行速度。
图4 编码器的安装
4.硬件电路
4.1 K60为核心的最小系统板
单片机系统板使用K60单片机为了减小空间，将单片机最小系统板直接接到主板电路上。
图5 K60芯片引脚分配
4.2.电源稳压电路
本系统中电源稳压电路有4路，由锂电池提供的7.2V电压，LM2576-5稳压电路为直流电机供电，另一路5V为测速电路和部分芯片供电，两路5V分开为防止电机驱动电路对图像信号处理电路的影响；3.3V稳压电路为最小系统板，陀螺仪加速度传感器电路供电；B0512 12V升压电路为CCD摄像头供电。
图6 电源稳压电路
4.3视频同步分离电路
我们的智能车使用黑白CCD摄像头对赛道信息进行采集。摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还有场同步信号、场消隐信号、行同步信号、行消隐信号等等。因为，要对频率信号进行处理，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。我们使用LM1881 芯片对视频信号进行同步分离，得到场同步信号与行同步信号。
图7 视频同步分离电路
4.4片外AD电路
K60 单片机自身具有A/D转换功能，但是受到时钟总线频率的限制，其转换速度很慢。因此，我们使用TLC5510芯片作为片外A/D，K60单片机通过IO口进行图像数据采集，它提供最大20Msps的采样频率。使用片外A/D后，受到IO口读取数据的限制，每行图像可以采集到120个有效点，使图像的行分辨率提高了一倍。
图8 片外AD电路
4.5电机驱动电路
对于电机驱动电路，可有多种选择，像专用电机驱动芯片MC33886、LM298、BTS7960、BTS7971等，在运动过程中需要用H桥的全桥电路才能及时刹车，减速入弯，我们采用芯片
BTS7971构成H桥来驱动电机。下图展示的是一路PWM波控制电机一个电机一个方向转动的驱动电路，通过改变PWM波的占空比和相位来分别控制两轮的正反方向转动。
图9 电机驱动电路
4.6陀螺仪加速度计传感器接口电路
陀螺仪ENC-03，加速度计MMA7361，均是集成在一块电路板上的，因此我们只需设计它们的接口电路。
图10 陀螺仪加速度计接口电路
4.7键盘拨码电路
由于不同赛道与车轮之间的摩擦力差别较大，因此需要根据实际情况调整参数。另外，不同速度下的参数也需要外部输入。因此我们专门设计了一个液晶调试模块，配合按键便可以对软件参数进行灵活修改.
图11 键盘拨码电路
4.8测速电路
图12 测速电路
4.9摄像头
我们对CCD摄像头和CMOS摄像头进行了对比。CMOS摄像头动态图像差，智能车在高速行驶时，图像模糊，不利于黑线的提取。CCD摄像头虽然工作电压为12V，且相对功率大，但图像对比度高，动态特性好，因此我们选取了CCD摄像头。
5.软件系统设计
5.1 图像处理
5.1.1图像采集
为了提高分辨率，采用片外采AD电路TLC5510电路采集数据，每行可采集230点，这样我们即使将摄像头前瞻提高到1.7m也能精确地提取到黑色引导线，在兼顾道路信息和处理时间的前提下，提取45行进行处理，将摄像头提取到的数据存于二维数组data[i][j]。
5.1.2黑线提取
黑线提取实际上是一种图像分割技术。图像分割指图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的过程，是一种基本的计算机视觉技术。只有在图像分割的基础上才能对目标进行特征提取和参数测量，使得更高层的图像分析和理解成为可能。由摄像头得到的图像实际上是一幅灰度图像，可以将图像分为几个区域，区域内部的灰度具有灰度相似性，而在区域边界上一般具有灰度不连续性，因此灰度图像分割一般可分为利用区域内灰度相似性的基于区域的方法和利用区域间灰度不连续性的基于边界的方法，分别称为阈值法和边界法。
阈值法是一种最常用的方法，基本思想是利用阈值来区分不同目标的灰度值，从而提取目标。对于摄像头而言，黑线部分灰度值小，白板灰度值大，设阈值为limit，若满足data[i][j] 边界法基于边界的分割方法是利用不同区域间象素灰度不连续的特点检测出区域间的边缘，从而实现图像分割。对于摄像头提取到的黑线而言，利用白板与黑线灰度值的差异来提取黑线，这一方法的优点是抗干扰性强，光线强度在一定范围内变化，对黑线提取基本上没有任何影响，但是算法相对较复杂。 结合上述两种方法的优点，我们采用动态阈值的方法来提取黑线。 图13 跑道黑线提取流程图 5.2控制算法 5.2.1直立控制 通过控制车轮转动，抵消小车在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡.由此可以知道车模的平衡需要一下两点: (1)能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度'θ的大小； (2)可以控制车轮的加速度 图14 小车直立控制示意图 因此我们采用陀螺仪加ENC-03,加速度计MMA7361两种传感器配合使用，分别测量小车的倾角和角加速度。陀螺仪测得值存在温漂，加速度计的动态值不可靠，因此我们采用互补滤波算法，使两者结合测量小车的倾角。但如果陀螺仪的采样值不好，或者AD转换参考电 压不稳导致陀螺仪静态参考值发生变化，互补滤波没有对其进行修正，最终使得实际速度与预定速度存在偏差，因此最终我们采用卡尔曼滤波先对陀螺仪的静态值进行修正，然后采用互补滤波测得小车倾角。 图15 陀螺仪角速度计测量角度框图 5.2.2速度与方向的PID控制 PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，通过Kp，K和Kd三个参数的设定来控制系统PID，控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 图16 PID控制框图 1）速度控制采用的PI。速度控制的效果不仅取决于PI参数，关键在于直立部分的的调整，如果直立方面PD都较大，即车调节的很“硬”，那么在速度调节时将会容易些，但是过硬会导致车的抗干扰能力变弱，小车容易失控。若直立方面PD调的较小，即车调节的很“软”，则小车的抗干扰能力很强，但速度控制时，响应速度变慢。其次，速度控制会影响直立，所以每次的输出可以经行限制幅度等处理，使车更平稳，同时速度环在积分项中，可以分离出来采取与限制削弱法，于此同时为了使车起跑超调量小些，预设速度方面采用了逐步加的形式。 2）方向控制。用偏差分别与车模速度控制信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得车模左右车轮运行角速度不一致进而控制车模方向。 图17 小车速度方向控制原理图 通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模距离道路中心的偏差。通过调整车模的方向，再加上车前行运动，可以逐步消除车模距离中心线的距离差。这个过程是一个积分过程，因此车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。但是由于车模本身安装有电池等比较重的物体，具有很大的转动惯量，在调整过程中会出现车模转向过冲现象，如果不加以抑制，会使得车模冲出赛道。根据前面角度和速度控制的经验，为了消除车模方向制中的过冲，需要增加微分控制。微分控制就是根据车模方向的变化率对电机差动控制量进行修正的控制方式，因此需要增加车模的转动速度检测传感器。 6.小车整体调试 6.1开发环境 程序开发通过IAR Embedded Workbench IDE进行，Embedded Workbench for ARM是IAR Systems公司为ARM微处理器开发的一个集成开发环境(下面简称IAR EWARM)。比较其他的ARM开发环境，IAR EWARM具有入门容易、用方便和代码紧凑等特点。EWARM 中包含一个全软件的模拟程序(simulator)。用户不需要任何硬件支持就可以模拟各种ARM 内核、外部设备甚至中断的软件运行环境。从中可以了解和评估IAR EWARM 的功能和使用方法。 6.2上位机调试 在调节小车平衡的过程中，我们通过Labview编写的上位机程序和串口调试助手来获得小车的状态参数。 7.结论 应用MK60DN256ZVLL10微处理器配合各模块最终实现了摄像头智能循迹平衡小车的运行，在实际调试的过程中，经过对机械结构的不断改进，最终得到一种合理的机械结构；在电源管理模块中，主控芯片和测量角度的传感器的分别供电，减少了外部因素对主控芯片的干扰；在软件程序方面，互补滤波结合卡尔曼滤波算法，修正了陀螺仪的静态值，减弱了温漂，AD 电压不稳对角度测量的影响，因此精度更高芯片的开发也是我们智能小车性能提高的关键因素；小车速度方向PID控制的灵活运用。摄像头循迹智能平衡小车设计实现的整个过程提高综合实践能力，使我们具有了一定的系统认识。 参考文献 [1] 楚现知，吴吉祥，李锦忠. 基于 LabVIEW 的监控界面设计与单片机的串行通信[J]. 工业控制计算机，2005 年 18 卷第 7 期 [2]卓晴，黄开胜，邵贝贝. 学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯北京：北京航空航天大学出版社，2007 [3]邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]．北京．清华大学出版社．2004 [4]汪艺宝，林峰，史俊祎. 浙江大学浙大七队技术报告. [5]林川，曹旭雷，曹存凯.郑州轻工业学院东方集成3队技术报告. [6]卓晴,王琎,王磊.基于面阵 CCD 的赛道参数检测方法. 电子产品世界,2006(4):141-143 基于摄像头的自主循迹小车系统设计 摘要 “飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀请赛属教育部主办的全国五大竞赛之一，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科。根据大赛的技术要求，设计制作了智能车控制系统。在整个智能车控制系统中，如何准确地识别道路及实时地对智能车的速度和方向进行控制是整个控制系统的关键。 本文首先对智能车的硬件进行设计，达到了低重心、大前瞻、高稳定性的目标。其次对系统的软件部分进行设计，利用动态阈值法分割处理采集到的图像，得到赛道信息，从而得到智能车的偏航角和偏航距离。综合偏航角和偏航距离两个控制量对舵机进行控制，实现了入弯走内道，S弯直线冲过的目标，大大提高了智能车的弯道运行速度。用光电编码盘检测智能车的运行速度，再根据赛道信息给定智能车的运行速度，运用增量式PID算法调节驱动电机转速，实现了电机的快速响应。 整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多个方面。经过大量测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。 关键字：智能车；图像传感器；阈值分割；路径识别； Abstract Freescale Cup National Undergraduate Smart Car Competition is sponsored by the National Ministry of Education, one of the five contests, their professional knowledge related to control, pattern recognition, sensor technology, automotive electronics, electrical, computer, machinery and many other disciplines. According to the technical requirements of the contest, we design the intelligent vehicle control system. In the entire control system of the smart car, how to accurately identify the road and real-time control the speed and direction of the Smart Car is the key to the whole control system. This paper first introduces the hardware of the smart car, to achieve a low center of gravity, forward-looking, and high-stability target. The second part of the system is software design, the use of dynamic threshold segmentation algorithm to process images, get track information, yaw and the yaw angle. The steering gear is controlled by the yaw and the yaw angle, when through the turn, the smart car goes inside the road, and when through S bend, the smart car crossed as a goal line, greatly improving speed of the smart car. From the detection with encoder disk we get the speed of the smart car, and then from the track information, we set the expected speed of the smart car, the use of incremental PID algorithm for adjusting drive motor speed to achieve the rapid response to the motor. The entire system is involved in mechanical models of structural adjustment, the sensor circuit design and signal processing, control algorithms and strategies for optimizing many aspects, such as. After extensive testing, and ultimately determine the structure of the system and various control parameters. Keywords：smart car; image sensor; threshold segmentation; road identification 基于单片机的智能寻迹小车毕业设计 系统主要由红外避障模块、声控模块、光电寻迹、电机驱动及语音播报模块组成。 采用P89V51单片机作为智能小车控制核心。系统能实现对线路进行寻迹，小 车可以 前进或后退，遇到障碍物可以自行停止并可以实现反向运行，系统可以利用声 音控 制小车的启停。整个系统小巧紧凑，控制准确，性价比高，人机互动性好。 P89V51单片机；红外避障；线路寻迹；直流减速电机 ABSTRACT System is mainly by infrared obstacle avoidance module, voice module, opto-electronics and motor drive tracing module. Used as a single- chip smart car P89V51 control core. System can realize the tracing lines, cars can go forward or backward, encountered obstacles can stop and reverse operation can be achieved, the system can use voice to control the start and stop car. Compact the entire system to control the accurate, cost-effective, good human-computer interaction. KEYWORD: P89V51MCU;Infrared obstacle avoidance；Tracing；DC motor speed 1 #include H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文） 课程名称：电子技术基础课程设计 设计题目：循迹竞速电动车设计 院系：电气学院 班级：1306152 设计者： 学号： 指导教师：张刚 设计时间：2015.12.18 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学课程设计任务书 循迹竞速电动车设计 一、设计目的 1.熟练掌握数字电路课程中常用芯片的使用方法； 2.掌握控制逻辑电路的设计和电路调试技能； 3.了解并掌握直流小电机的PWM控制思想。 二、设计要求 1.小车从出发点开始，必须预定沿轨迹运动。到达终点线时小车自行后退。完成 时间按小车从出发点到到达终点线所用时间计。每个小组的小车要按上述要求 跑完全程，小车跑动期间不能人为干预小车运动，直至小车到达终点线并一直 后退。 2.三人一组，协同工作。 三、设计方案 图1 设计方案模块组成部分图 1、轨道监测模块 轨道监测模块主要由两个一路循迹传感器组成，它们分别用来监测左右的白线和黑线，当检测到黑线时，输出为低电平，检测到白线时，输出为高电平， 当车向左偏离轨道时，右传感器监测到黑线，输出为低电平；当车向右偏离轨 道时，左传感器监测到黑线，输出为低电平； 图2一路循迹传感器 图3 一路循迹传感器功能图 图4 一路循迹传感器电路图 2、电机驱动模块 电机驱动采用PWM控制电机转速，输入信号控制正反转；用到的芯片为L293B。此驱动模块可同时驱动两个电机，其中2,7,10,15管脚为输入端，3,6,11,14管脚为输出端。当2管脚输入高电平时，7管脚输入低电平。此时3管脚输出高电平，6管脚输出低电平，3,6管脚所连接的电机正转，电机反转同理可得。 分类号编号 烟台大学 毕业论文（设计）基于STM32的智能小车 摄像头循迹系统 Intelligent Car Tracking System Based on STM 32 Camera 申请学位：工学学士 院系：光电信息科学技术学院 专业：电子信息工程 姓名：王坤 学号：200813503229 指导老师：尚明（教授） 2012年5 月21 日 大学EDA实验室 基于STM32的智能小车摄像头循迹系统 姓名：王坤 导师：尚明（教授） 2012年5 月21 日 大学EDA实验室 大学毕业论文（设计）任务书 院（系）：光电信息科学技术学院 [摘要]现在人们越来越喜欢安全、节能、环保、智能化和信息化的汽车了，在智能汽车新时代，无人驾驶技术，得到了飞越的发展，成为了智能车时代的新标志。智能小车不但逐步提高了车辆的控制水平和驾驶水平，而且也保障了车辆行驶的安全、畅通、高效特性。本文主要讨论了智能车系统的设计方案，并且对智能车自主行驶的决策以及控制，算法也进行了相应的研究。 本论文首先设计了智能车的硬件结构，硬件方面以Cortex-m3为控制核心，另外其他辅助模块包括：电源模块，图像传感模块，速度控制模块以及其他功能模块进行辅助，从而来完成智能车的硬件设计。由于智能车有一个比较复杂跑道，传统的控制算法在复杂跑道情况下已经无法解决智能车的控制参数的问题。因此本论文做了一些改进，本论文采用理论结合实际，我们采用了模糊PID控制算法来实现对智能车的控制，并进行了一定的实验。 在该系统中，由CMOS摄像头来实现路径识别，通过对小车的闭环控制，使小车能按照给定的黑色引导线平稳地循迹。该系统能够很好地满足智能车对路径识别性能和抗干扰能力的要求，稳定误差小，调节相应时间比较快，具有较好的动态性能和良好的稳定性。 实验证明，所设计的智能车具有速度快，适应性强的特点。 [关键词]智能车；图像处理；比例积分微分 （穿山乙工作室）三天三十元做出智能车 基本设计思路： 1.基本车架（两个电机一体轮子+一 个万向轮） 2.单片机主控模块 3.电机驱动模块（内置5V电源输出） 4.黑白线循迹模块 0.准备所需基本元器件 1）.基本二驱车体一台。（本课以穿山乙推出的基本车体为 例讲解） 2）.5x7cm洞洞板、单片机卡槽、51单片机、石英晶体、红 色LED、1K电阻、10K排阻各一个；2个瓷片电容、排针40 个。 3）.5x7cm洞洞板、7805稳压芯片、红色LED、1K电阻各一 个；双孔接线柱三个、10u电解电容2个、排针12个、9110 驱动芯片2个。 4）.5x7cm洞洞板、LM324比较器芯片各一个；红外对管三 对、4.7K电阻3个、330电阻三个、红色3mmLED三个。 一、组装车体 （图中显示的很清晰吧，照着上螺丝就行了） 二、制作单片机控制模块 材料：5x7cm洞洞板、单片机卡槽、51单片机、石英晶体、红色LED、1K电阻、10K排阻各一个；2个瓷片电容、排针40个。 电路图如下，主要目的是把单片机的各个引脚用排针引出来，便于使用。我们也有焊接好的实物图供你参考。（如果你选用的是STC98系列的单片机在这里可以省掉复位电路不焊，仍能正常工作。我实物图中就没焊复位） 三、制作电机驱动模块 材料：5x7cm洞洞板、7805稳压芯片、红色LED、1K电阻各一个；双孔接线柱三个、10u电解电容2个、排针12个、9110驱动芯片2个。 电路图如下，这里我们把电源模块与驱动模块含在了同一个电路板上。因为电机驱动模块所需的电压是+9V左右（6—15V 均可），而单片机主控和循迹模块所需电压均为+5V。 这里用了一个7805稳压芯片将+9V电压稳出+5V电压。 智能循迹小车设计 专业：自动化 班级：自动化132 姓名：罗植升莫柏源梁桂宾 指导老师： 2014年4月——2010年6月 摘要： 本课题是基于STC89C52单片机的智能小车的设计与实现，小车完成的主要功能是能够自主识别黑色引导线并根据黑线走向实现快速稳定的寻线行驶。小车系统以 STC89C52单片机为系统控制处理器；采用红外传感获取赛道的信息，来对小车的方向和速度进行控制。此外，对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序的调试，并最终完成软件和硬件的融合，实现小车的预期功能。 引言 当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，“智能”这个词也已经成为了热门词汇。现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田制作的机器人，其仿人双足行走已经做得十分逼真，而且具有一定的学习能力，还据说其智商已达到6岁儿童的水平。 作为机械行业的代表产品—汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车（特别是轿车）的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展，汽车电子产业也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点；二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。 无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以作为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。 为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立“智能循迹小车”一题作为尝试。 此项设计是在以杨老师提供的小车为基础上，采用AT89C52单片机作为控制核心，实现能够自主识别黑色引导线并根据黑线走向实现快速稳定的寻线行驶。 智能循迹小车总体设计方案 1.1 整体设计方案 本系统采用简单明了的设计方案。通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块黑线路经，然后由AT89S52通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。 1.2系统设计步骤 （1)根据设计要求，确定控制方案； （2)将各个模块进行组装并进行简单调试； （3)画出程序流程图，使用C语言进行编程； （4)将程序烧录到单片机内； （5)进行调试以实现控制功能。 1.2.1系统基本组成 智能循迹小车主要由AT89S52单片机电路、循迹模块、L298N驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。 (1)单片机电路：采用AT89S52芯片作为控制单元。AT89S52单片机具有低成本、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰，并且与传统的8051单片机程序兼容，无需改变硬件，支持在系统编程技术。使用ISP可不用编程器直接在PCB板上烧录程序，修改、调速都方便。 （2）循迹模块：采用脉冲调制反射红外发射接收器作为循迹传感器，调制信号带有交流分量，可减少外界的大量干扰。信号采集部分就相 当于智能循迹小车的眼睛，有它完成黑线识别并产生高、低平信号传送到控制单元，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。 （3）L298N驱动模块：采用L298N作为点击驱动芯片。L298N具有高电压、大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片L298N可以分别控制两个直流电机，并且带有控制使能端。该电机驱动芯片驱动能力强、操作方便、稳定性好，性能优良。L298N的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够的问题。 封面 作者：PanHongliang 仅供个人学习 目录 摘要………………………………………………………………………………………2 ABSTRACT……………………………………………………………………………… …2 第一章绪论 (3) 1.1智能小车的意义和作用 (3) 1.2智能小车的现状 (3) 第二章方案设计与论证 (4) 2.1 主控系统 (4) 2.2 电机驱动模块 (4) 2.3 循迹模块 (6) 2.4 避障模块 (7) 2.5 机械系统 (7) 2.6电源模块 (8) 第三章硬件设计 (8) 3.1总体设计 (8) 3.2驱动电路 (9) 3.3信号检测模块 (10) 3.4主控电路 (11) 第四章软件设计 (12) 4.1主程序模块 (12) 4.2电机驱动程序 (12) 4.3循迹模 块 (13) 4.4避障模块 (15) 第五章制作安装与调试 (18) 结束语 (18) 致谢……………………………………………………………………………………… 19 参考文献 (19) 智能循迹避障小车 摘要：利用红外对管检测黑线与障碍物，并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动由 L298N驱动电路完成，速度由单片机输出的PWM波控制。 关键词：智能小车；STC89C52单片机； L298N；红外对管 Intelligent tracking and obstacle-avoid car Abstract：Based infrared detection of black lines and theroad obstacles, and use a STC89C52 MCU as the controlling core for the speed and direction, A electronic drived, which can automatic track and avoid the obstacle, was designed and fabricated. In which, the car is drived by the L298N circuit, its speed is controlled by the output PWM signal from the STC89C52. Keywords: Smart Car。STC89C52 MCU。L298N。Infrared Emitting Diode 第一章绪论 1.1智能小车的意义和作用 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。 随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视 智能循迹小车总体设计方案 整体设计方案 本系统采用简单明了的设计方案。通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块黑线路经，然后由AT89S52通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。 系统设计步骤 （1)根据设计要求，确定控制方案； （2)将各个模块进行组装并进行简单调试； （3)画出程序流程图，使用C语言进行编程； （4)将程序烧录到单片机内； （5)进行调试以实现控制功能。 系统基本组成 智能循迹小车主要由AT89S52单片机电路、循迹模块、L298N驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。 (1)单片机电路：采用AT89S52芯片作为控制单元。AT89S52单片机具有低成本、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰，并且与传统的8051单片机程序兼容，无需改变硬件，支持在系统编程技术。使用ISP可不用编程器直接在PCB板上烧录程序，修改、调速都 方便。 （2）循迹模块：采用脉冲调制反射红外发射接收器作为循迹传感器，调制信号带有交流分量，可减少外界的大量干扰。信号采集部分就相当于智能循迹小车的眼睛，有它完成黑线识别并产生高、低平信号传送到控制单元，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。 （3）L298N驱动模块：采用L298N作为点击驱动芯片。L298N具有高电压、大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片L298N可以分别控制两个直流电机，并且带有控制使能端。该电机驱动芯片驱动能力强、操作方便、稳定性好，性能优良。L298N的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够的问题。 //T0产生双路PWM信号，L298N为直流电机调速，接L298N时相应的管脚上最好接上10K 的上拉电阻。 /* 晶振采用12M,产生的PWM的频率约为100Hz */ #include （穿山乙工作室） 三天三十元做出智能车 0.准备所需基本元器件 1）.基本二驱车体一台。（本课以穿山乙推出的基本车体为例讲解） 2）.5x7cm 洞洞板、单片机卡槽、51单片机、石英晶体、红色LED 、1K 电阻、10K 排阻各一个；2个瓷片电容、排针40个。 3）.5x7cm 洞洞板、7805稳压芯片、红色LED 、1K 电阻各一个；双孔接线柱三个、10u 电解电容2个、排针12个、9110驱动芯片2个。 4）.5x7cm 洞洞板、LM324比较器芯片各一个；红外对管三对、4.7K 电阻3个、330电阻三个、红色3mmLED 三个。 一、组装车体 基本设计思路： 1.基本车架（两个电机一体轮子+一个万向轮） 2.单片机主控模块 3.电机驱动模块（内置5V 电源输出） 4.黑白线循迹模块 （图中显示的很清晰吧，照着上螺丝就行了） 二、制作单片机控制模块 材料：5x7cm洞洞板、单片机卡槽、51单片机、石英晶体、红色LED、1K电阻、10K排阻各一个；2个瓷片电容、排针40个。 电路图如下，主要目的是把单片机的各个引脚用排针引出来，便于使用。我们也有焊接好的实物图供你参考。（如果你选用的是STC98系列的单片机在这里可以省掉复位电路不焊，仍能正常工作。我实物图中就没焊复位） 三、制作电机驱动模块 材料：5x7cm洞洞板、7805稳压芯片、红色LED、1K电阻各一个；双孔接线柱三个、10u电解电容2个、排针12个、9110驱动芯片2个。 电路图如下，这里我们把电源模块与驱动模块含在了同一个电路板上。因为电机驱动模块所需的电压是+9V左右（6—15V 均可），而单片机主控和循迹模块所需电压均为+5V。 这里用了一个7805稳压芯片将+9V电压稳出+5V电压。 +9V 智能循迹/避障小车研究 工作报告 一、智能循迹小车程序结构框图 二、Proteus仿真图 三、软件程序设计 一、智能循迹小车程序结构框图 经过几天在网上的查找，对智能循迹/避障小车有了大致的了 解， 一般有三个模块： 1、最基本的小车驱动模块，使用两个二相四线步进电机对小车的两个后轮分别进行驱动，前轮最好用万向轮，能使小车更好地转弯； 2、小车循迹模块，在小车底部有三个并排安装的红外对管，对黑色与白色的反射信号不同，经单片机处理后对小车进行相应处理； 3、避障模块，我写的程序中对于避障模块是用中断来处理的（即安装在小车车头的红外对管检测到有障碍物后，就会向单片机的P3_2口输出一个高电平或是低电平，这时中断程序将对小车进行预先设定好的避障处理），但是在程序结构框图中，我不太会表示中断处理方式，所以就用查询的方式画了。 N Y N Y 二、Proteus 仿真图 我用Proteus 大概地仿真了小车的运行状态。图中的两个二相四线步进电机就代表小车的左右轮（假定步进电机顺时针转动方向为小车前进方向），网上有很多种驱动芯片，在仿真时我只使用L298N 芯 片来驱动步进电机。用三个单刀双制开关模拟用于小车循迹的三个红外对管的输出信号，经一个与门与三极管开关连接到P3_3口，中断程序对P1_0, P1_1, P1_2三个口进行检测，并做出相应处理。同时因为避障模块的优先级高于循迹模块，所以将外部中断0用于避障，外部中断1用于循迹。P1_3口则用于检测小车是否到达终点。 1、小车驱动模块： 使用一片298芯片驱动一个二相四线步进电机，电机的电压为12V。 分类号编号 烟台大学毕业（设计） 基于STM32的智能小车摄像头循迹系统Intelligent Car Tracking System Based on STM 32 Camera 申请学位：工学学士 院系：光电信息科学技术学院 专业：电子信息工程 姓名：王坤 学号： 20XX13503229 指导老师：杨尚明（教授） 20XX年5 月21 日 烟台大学EDA实验室 基于STM32的智能小车摄像头循迹系统 姓名：王坤 导师：杨尚明（教授） 20XX年5 月21 日 烟台大学EDA实验室 烟台大学毕业（设计）任务书 院（系）：光电信息科学技术学院 [摘要]现在人们越来越喜欢安全、节能、环保、智能化和信息化的汽车了，在智能汽车新时代，无人驾驶技术，得到了飞越的发展，成为了智能车时代的新标志。智能小车不但逐步提高了车辆的控制水平和驾驶水平，而且也保障了车辆行驶的安全、畅通、高效特性。本文主要讨论了智能车系统的设计方案，并且对智能车自主行驶的决策以及控制，算法也进行了相应的研究。 本首先设计了智能车的硬件结构，硬件方面以Cortex-m3为控制核心，另外其他辅助模块包括：电源模块，图像传感模块，速度控制模块以及其他功能模块进行辅助，从而来完成智能车的硬件设计。由于智能车有一个比较复杂跑道，传统的控制算法在复杂跑道情况下已经无法解决智能车的控制参数的问题。因此本做了一些改进，本采用理论结合实际，我们采用了模糊PID控制算法来实现对智能车的控制，并进行了一定的实验。 在该系统中，由CMOS摄像头来实现路径识别，通过对小车的闭环控制，使小车能按照给定的黑色引导线平稳地循迹。该系统能够很好地满足智能车对路径识别性能和抗干扰能力的要求，稳定误差小，调节相应时间比较快，具有较好的动态性能和良好的稳定性。 实验证明，所设计的智能车具有速度快，适应性强的特点。 [关键词]智能车；图像处理；比例积分微分 [Abstract]Now more and more like safety, energy conservation, environmental protection, 摘要 本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用红外线传感器进行寻线，控制电动小汽车的自动循迹，并再通过光电开关探测障碍，从而控制电机转向，实现进行壁障功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高，实验测试结果满足要求。本文着重叙述了该系统的硬件设计方法、软件设计方法及测试结果分析。小车运行方案，在现有玩具电动车的基础上，加装红外线光电开关模块和红外寻线模块，实现对电动车位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 关键词：80C51单片机、红外线传感器、光电开关、电动小车 Abstract The system requirements of the design project for the purpose of the 80C51 microcontroller for the control of the core,the use of the hunt and infrared sensors,automatic obstacle acoidance control of electric cars,and the photoelectric switch to the barrier function.The electric circuit construction of whole system is simple, the function is dependable. Experiment test result satisfy the request, this text emphasizes introduced the hardware system designs and the result analyse. Car is running the program, under the existing toy electric car, based on the installation of super sonic sensor and infrared sensors, to achieve the location of electric vehicles,operational status of the real-time measurement, and measurement data sent to the microcontroller for processing, then SCM detected according to a variety of data to achieve intelligent control of electric vehicles. Key words: 80C51 single chip computer, infrared sensors, photoelectric switch, the electric car 智能循迹小车程序 Document number：BGCG-0857-BTDO-0089-2022 #include<> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int //D0-D7:f,b,a,e,d,h,c,g 共阴依次编码 //74LS04反相器驱动数码管 uchar code table[10] = {0x5F,0x42,0x9E,0xD6,0xC3,0xD5,0xDD,0x46,0xDF,0xD7}; uchar i = 0; //用于0-3数码管轮流显示uint j = 0; //计时的次数 uint time=0; //计时 uint pwm=16; //占空比 uint speed; //调制ＰＷＭ波的当前的值 sbit R=P3^2; //右边传感器 P3^2 sbit L=P3^3; //左边传感器 P3^3 //电机驱动口定义 sbit ENB=P1^0; //前轮电机停止控制使能 sbit ENA=P1^1; //后轮控制调速控制端口 sbit IN1=P1^2; //前轮 sbit IN2=P1^3; //前轮 sbit IN3=P1^4; //后轮 sbit IN4=P1^5; //后轮 void Init() { TMOD = 0x12; //定时器0用方式2,定时器1用方式1 TH0=(256-200)/256; //pwm TL0=(256-200)/256; TH1 = 0x0F8; //定时2ms TL1 = 0x30; EA = 1; ET0 = 1; ET1 = 1; TR0 = 1; TR1 = 1; } void tim0(void) interrupt 1 //产生PWM { speed ++; if(speed <= pwm) //pwm 就相当于占100的比例{ ENA = 1; } 摄像头循迹智能平衡小车 付国栋，胡健军，王杰 （哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨黑龙江 150001） 摘要：摄像头循迹智能平衡小车是使用MK60DN512ZVLQ10微处理器和CCD摄像头配合来实现在跑道上的自动循迹，识别黑白线，直道和弯道的加减速行驶。小车是机械系统与硬件系统配合软件系统实现运行的复杂整体，硬件系统有电源管理模块，最小控制系统模块，图像采集识别处理模块，陀螺仪加速度计角度测量模块，电机驱动模块，编码器测速模块；软件系统包括小车的直立平衡控制，速度与方向的PID控制，角度测量的卡尔曼互补滤波算法，信息（赛道图像，车轮转速）采集程序；机械系统方面，各模块的安装，优化改进也是摄像头循迹智能平衡小车平稳运行的关键部分。 关键词：MK60DN512ZVLQ10微处理器，图像采集识别处理，PID控制，卡尔曼互补滤波 Smart balanced car of tracking by camera FU Guodong, HU Jian jun, WANG Jie （College of Automation, Harbin Engineering University , Harbin, Heilongjiang 150001）Abstract: Smart balanced car of tracking by camera realizes automatic track in runway, recognizes black and white line, acceleration and deceleration of speed by using microprocessor MK60DN512ZVLQ10 and CCD camera. Smart car is a complex system concluding mechanical system, hardware system and software system; the hardware system has power module, minimum control system, the module of gathering, recognizing and processing image, the module of measuring angle by gyroscope and accelerometer, the module of driving motor, the module of measuring speed by encoder; the software system is composed of upright and balanced control’s procedure, speed and direction’s PID control’s procedure, kalmen complementary filtering algorithms, and procedure of gathering information like the runway’s image and the wheel’s speed. And every module’s installation, optimizing and improvement in mechanical system is also a key part that makes smart car move stably. Key words:Microprocessor MK60DN512ZVLQ10, gathering, Recognizing and processing of image, PID control, Kalmen complementary filtering 智能循迹小车设计方案智能循迹小车方案 自动化06--2班2009年6月5日自动寻迹小车摘要本寻迹小车是以PCB电路板为车架，AT89S51单片机为控制核心，加以直流电机、光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由AT89S51通过IO口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由RPR2… 各省主要风电塔架制造厂名单序号123456789101112131415161718192021222324 公司名称甘肃玉门锦辉长城甘肃科耀电力有限公司北车集团兰州金牛轨道交通装备有限公司河北强盛风电设备有限公司保定天威电气设备结构有限公司… 学习“七.一”讲话精神，深入剖析“四种危险” 胡锦涛在党庆90年大会上，总结了建党以来的“三件大事”和“两大成果”，提出了往后“两个宏伟目标”，指出中共面临“四种考验”和存在“四种危险”。整篇讲话与时俱进，有新意，有不少新提法，是一篇回顾历史、总结经… 自动化06--2班 2009年6月5日 自动寻迹小车 摘要 本寻迹小车是以PCB电路板为车架，AT89S51单片机为控制核心，加以直流电机、光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由AT89S51通过IO口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由RPR220型光电对管完成。 关键词：AT89S51 直流电机光电传感器自动寻迹电动车 Abstract The smart car is aluminum alloy for the chassis, AT89S51 MCU as its core, including motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmits information through DF module. The car’s status will be transmitted to the Remote Console. OCMJ4X8C LCD基于摄像头的自主循迹小车系统设计
基于单片机的智能寻迹小车毕业设计
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基于STM32的智能小车摄像头循迹系统
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