基于k60单片机的ccd传感器智能车设计.docx

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基于k60单片机的ccd传感器智能车设计

本科生毕业论文（设计）

题目：

基于K60单片机的CCD传感器智能车设计

学院电子信息工程学院

学科门类工学

专业电子信息工程

学号1108421118

姓名

指导教师

2015年05月06日

摘要

本篇文章主要介绍了基于线性CCD的飞思卡尔智能小车控制系统的软件和硬件设计要点。

智能车系统的简单工作原理是线性CCD传感器采集的光信号所反映的赛道信息经过MK60的相应的算法处理，主要先对数字的信号进行滤波以做到滤除杂波的效果，再通过黑线提取的算法，从而识别赛道。

接着软件判断赛道信息是否正确，结合控制的算法控制舵机给出合理的舵机转角值，然后单片机再给出相符的PWM波占空比用来控制电机的转速。

控制速度方面主要是采用一个500线增量式光电编码器来实时反馈脉冲，利用单片机的FTM功能采集速度的脉冲值。

最后通过蓝牙和OLED显示屏反映即时信息，用以调试具体参数。

经过场地的多次测试，小车的智能系统可以通过复杂的赛道，且运行的十分平稳。

关键词：

滤波；线性CCD；MK60DN512ZVLL10；蓝牙

Abstract

ThepapermainlyintroducedthesoftwareandhardwaredesignofFreescaleintelligentcarcontrolsystemwhichbasedonlinearCCD.ThesimpleworkingprincipleofintelligentvehiclesystemisthatthelightofthelinearCCDsensorsignalreflectsthetrackinformationthroughtMK60correspondingalgorithmprocessingwhichachievetheeffectoffilteringclutterbyfiltblacklineextractionalgorithm.ThenthesoftwarejudgeswhetherthetrackinformationiscorrectandincombinationwithcontrolalgorithmtocontrolthesteeringAngleofsteeringgearisgivenreasonablevalue,andthenMCUgivesconsistentwavePWMdutycyclewhichisusedtocontrolthespeedofthemachine.Controlspeedmainlyusesa500lineincrementalphotoelectricencodertoreal-timefeedbackpulse,andtheFTMfunctionofmicrocontrollerpulsevalueoftheacquisitionspeed.Finallyreflectingthereal-timeinformationthroughBluetoothandOLEDdisplayanddebuggingtheconcreteparameters.Afterfieldtestingformanytimes,theintelligentsystemofthecarcanpassthroughthecircuitofcomplexityandrunverysmoothly.

KeyWords:

wavefiltering;linearCCD;MK60DN512ZVLL10;Bluetooth

1.引言

1.1概述

当今智能交通系统中的一个重要构成成分就是智能车自动化系统，它已慢慢成为车辆领域的一个研究的重要方向。

智能车控制系统可以利用环境感知能力，通过电脑系统的决策规划达到可以自行驾驶和辅助司机驾驶的目的。

随着现代各种高科技技术的快速发展，计算机对信息和数据的处理能力的大大提高，所以在现实的生活中会非常广泛的应用到利用传感器采集信号，然后进行处理，最后进行识别的控制系统，尤其在交通领域和机械制造领域应用的非常多。

整个控制系统最核心的两部分其中一个就是怎么用“眼睛”即传感器清晰的看见道路的具体情况并传回计算机进行相应的识别和处理，另一个怎么控制“行走”即发动机的运行速度可以根据当前的道路的实际情况调整速度。

在实际中经常使用检测道路情况的传感器就是光电传感器和CCD图像传感器。

1.2智能车辆的发展与现状

智能交通系统的最不可或缺的技术就是智能车技术，没有智能车技术的交通系统也只是一个无用的空壳，根本无法为人类生活的快捷和舒服提供有利的条件，而智能车是各种高科技技术通过相互嵌套相互协作构成的一个整体，是这个智能车领域的通用语言，意思就是可以在智能车的驾驶过程中可以为行驶至少承担一项任务以上的技术。

想必我们在生活中已经渐渐接触到室内的机器人，那么用通俗的语言来说，智能车就是室外版的机器人而已，这样的比喻能使我们更加容易地理解智能车这个新颖的概念。

只要车辆可以自己探视和判断当前车辆前方的道路具体情况，可以相应的发出警告声提醒驾驶员或者可以自己控制方向和速度以达到避免危险的行为，便可认为该车辆具有智能性。

当今科技的发展，各个学科领域如果单独去研究开发已渐渐满足不了时代的需求，所以慢慢产生了交叉学科，而智能车辆技术正是这个领域的产物。

没有其他领域提供的新技术、新思想和新理论的支持，智能车也无法发展起来，这其中包括通信技术、汽车电子、图像识别和处理等一系列领域。

智能车辆（IntelligentVehicle,IV）技术的研究，自从1950初美国Electronics公司研究开发的一个相当于移动机器人的车辆—世界上首次开发的可以自动引导驾驶的车辆（AutomatedGuidedVehicle,AGV）[1]。

从第一辆智能汽车的出现之后，欧洲的德国和英国、美洲的美国以及亚洲的日东都开始投身于智能导航技术的研究和开发。

一直到今天，世界各国一直为智能车辆技术的研究付出巨大的人力、物力和财力，但也换成了巨大的收获，像JUTIV系列由吉林大学研究开发的、CITAVT系列由国防科技大学研究开发的。

1.3研究智能车辆的目的和意义

1950年以来，人类文明的不断发展也推动汽车行业的快速发展。

汽车是现代交通中非常重要的一个工具，它给现代人类出行提供了便利，从而使人类社会的发展越来越快，因为其不可磨灭的重大作用，国家和社会的高度关注，使其发展的速度达到令人叹为观止的地步。

不仅仅在产量和规模上的不断增加，汽车制造业已成为我国乃至世界经济的一个重要支柱，而且还不断提高了汽车技术，使之成为一个技术水平越来越高的技术密集型和资金密集型相结合的产业。

因为当前不管是发展中国家还是发达国家的汽车的行驶的数量都在不断增加，每年的交通事故一直居高不下，有无数的生命付出了献血的代价，所以为了减少人类操作失误或者反应迟钝导致的交通事故，社会乃至国家都大力发展汽车科技技术，以达到智能避免危险的目的。

现在高科技的快速发展已经成为时代发展的烙印了，特别在国家实力方面凸显的越来越重要的位置，它代表着科技文明的进步。

智能车辆作为一个新起的研究领域，它包含着各种关于模式识别、信息化发展、传感器检测和图像处理的技术和思想，对于人类社会的进步有着非常重要的研究价值，同样也代表着一个国家的先进的科研能力，这将对整个科技研究领域都有非常大的推动作用。

智能车现在还没有应用到实际生活中的技术储备和技术能力，但汽车作为国家的重要的国民经济来源，并与人类出行息息相关。

它不仅仅对科技研究具有良好的促进作用，而且对于国民经济的发展也有潜移默化的影响，甚至对其他行业的发展起到领导作用，没有汽车的行业的飞速发展就不会有整个经济社会的繁荣兴旺，所以其研究工作仍然显得十分必要和迫切。

其实各个国家很早就开始进行智能车的研究和开发，因为这是未来汽车的发展趋势。

智能家居的发展就是智能化应用到现实生活中的一个非常典型的例子。

“飞思卡尔”智能汽车的比赛就是为了实际的智能汽车的研发做好实际的经验和创新的思路，虽然可能“飞思卡尔”比赛的智能汽车循迹不符合实际情况中的循迹要求，但是这为实际生活中的3D视觉的智能汽车的控制提供了一些技术上的借鉴。

2.方案设计

选定合适的总体方案，拥有新颖的系统设计方案，这些对系统的研究方向起到绝对的领导作用，本部分就主要针对实际情况和功能需求考虑几种方案并在其中找到切实可行的方案，智能汽车系统的其余部分将在后面的章节进行具体介绍。

2.1选定合适的系统总体方案

本设计要满足“飞思卡尔”智能汽车大赛光电组比赛对传感器的严格规定，比赛时候必须只在线性CCD和LED光学传感器中选用一种，往届光电组使用的激光传感器是不允许使用的，这对本设计是一个全新的挑战。

接下来对这两种光学传感器的优缺点进行比较，LED光学传感器对近距离的赛道采集返回来的信号很稳定，这对提取黑线和赛道识别非常有利，但由于本届光电组的比赛采用的是四轮车的模型，这对车速的要求就会较高，而LED对远距离道路采集根本无法胜任。

线性CCD可以做到远距离采集赛道信息的功能，但也有其缺点，就是静电干扰比较严重，对赛道的识别处理起来会比较麻烦[2]。

线性CCD实物图如图2-1所示。

综上比较分析，为了提高车子的竞赛速度，选择采用信号较不稳定的线性CCD。

图2-1线性CCD实物图

2.2系统总体方案的设计

对于整个智能车系统，采用线性CCD作为赛道黑白信息的模块，线性CCD采集回来的AD电压值通过主控芯片32位的MK60DN512ZVLL10单片机进行黑线提取运算，然后将行驶的车身偏差的数据传给舵机。

而舵机采取PD控制算法，舵机PD控制算法是在图像采集稳定后又一重要的模块，好的PD控制直接影响着四轮光电车的速度，在PD控制中我们尝试了各种的方法比如分段PD，二次函数的PD控制，三次函数的PD控制和一次函数的PD控制。

根据以上系统方案的设计，赛车共包括六大模块：

主控单片机MK60DN512ZVLL10模块、线性CCD传感器模块、7.2V电源模块、驱动和转向电机模块、编码器速度检测模块和蓝牙、OLED显示屏辅助调试模块。

各模块的作用如下：

主控单片机MK60DN512ZVLL10模块，相当于计算机主板上的CPU，可以把线性CCD传感器采集的电信号和500线程光电编码器返回的信号按照事先写好的算法进行计算，然后将计算好的数据给舵机转向和电机驱动；

线性CCD传感器模块，是智能汽车的前方哨兵，通过线性CCD传感器可以提前探测前方赛道的黑白信息，这样主控单片机就可以根据赛道情况控制方向和速度并为后来的转向和速度控制做好准备；

7.2V电源模块，是整个智能汽车系统的动力来源；

驱动和转向电机模块，车尾部的驱动电机通过PID算法实现闭环的加减速和控制车头的伺服电机驱动的舵机通过PD算法实现方向控制；

编码器速度检测模块，利用光电传感器采集电机速度返回单片机为电机的PID速度闭环做准备；

蓝牙和OLED显示屏辅助调试模块，采用OLED液晶显示屏实时显示车速、舵机打角和赛道黑白情况。

用蓝牙发送数据到串口和上位机，一方面可以检查程序是否有问题，另一方面通过上位机查看赛道信息二值化的情况。

2.3小结

总体方案对这个系统的实施和运行都是非常重要，而本部分已经对整个智能车系统的六大模块都已经进行了简明的分析和介绍了，这样对于总体设计的方案有一个全面的认识和了解，接下来就是对每个