基于飞思卡尔单片机自动循迹小车控制的设计.docx

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基于飞思卡尔单片机自动循迹小车控制的设计

摘要

随着我国的电子科技的不断发展，我们生活中的自动化设备越来越多，也为嵌入式在智能化上的研究提供了一个广阔的平台。

本系统以MK60DN512VMD100微控制器为核心控制单元，选用OV7620CMOS模拟摄像头检测赛道信息，高速AD转换芯片选用TCL5510，将提取后的灰度图像进行软件二值化，进而提取赛道信息；用光电编码器实时检测小车的实时速度，采用PID控制算法调节电机的速度以及舵机转向，从而实现速度和方向的闭环控制。

关键字：

MK60DN512VMD100，OV7620CMOS，软件二值化，PID

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofelectronictechnology,moreandmoreautomationequipmentintotheproductionlifeofthepeople,therapiddevelopmentofembeddedintelligentstudyprovidesabroaderplatform.

Inthispaper,thedesignofintelligentvehiclesystemMK60DN512VMD100microcontrollerasthecorecontrolunit,theselectionofOV7620CMOSanalogcamerastodetectthetrackinformation,tousingTCL5510high-speedADconverterchip,softwarebinarizationimage,extractthewhiteguidelineforidentificationofthetrackinformation;opticalencodertodetectthereal-timespeedofthemodelcar,usingthePIDcontrolalgorithmtoadjustthespeedofthedrivemotorandsteeringtheangleofthesteeringgear,inordertoachieveclosed-loopcontrolofvelocityanddirectionofthemodelcar.

Keywords:

MK60DN512VMD100，OV7620CMOS，softwarebinarization,PID

1前言

1.1设计的背景以及意义

在现代社会，汽车逐渐走进每个平民的家庭生活中，汽车行业发展迅速，同时交通事故也大大增多，每一分钟都有人死于车祸。

近几年智能系统的发展迅速，智能车的研究成为了当下的研究热点。

智能汽车研究涉及了很多领域，最直接的表现是要实现汽车的自动驾驶。

要实现自动驾驶就离不开智能化系统的设计，同时要求智能车能感知周围的环境。

一旦智能车投入使用，就会降低当前社会交通事故的发生率，同时能够大大提高现有交通道路的使用效率，并且能在一定程度上缓解能源危机的到来，降低广大人民的劳动强度，给人们一个更好的未来。

1.2智能小车国内外概况

1.2.1国内研究的概况

我国在智能车的研究中投入了大量的资金和精力，为了能够培养出自己的研究骨干，在教育部的牵头下，我国组织了智能小车的高校比赛，以此来培养最基本的研究人才，这也符合我国的人才强国战略。

这项比赛用的是飞思卡尔公司产的芯片，第一届比赛在清华大学举办，得到了各大高校的积极响应，取得了良好的效果。

该项比赛，韩国有丰富的经验，他们已举办多届此类比赛。

因为此项比赛涉及到了很多专业知识，尤其是必须要掌握自动控制、电子、计算机等多个领域的知识，所以能够提高大学生的知识水平。

另外，比赛还可以提高学生的动手能力，弥补现在教育的弊端。

前两届比赛中组委会统一规定了赛车的模型，微型控制器选用当时最流行的16位微型控制器MC9S12DG128，该控制器为飞思卡尔公司生产，性能优良，功能可靠。

现在比赛最常用的是32位的Kinetis系列，主要包括KinetisE,EA,M，L等系列、32位的MPC56xx系列、32位的Kinetis（ARM®CortexTM-M4），主要包括KinetisW，K等系列、16位的9S12系列、32位的DSC系列、ColdFire系列和8位的单片机系列（可使用两片）。

飞思卡尔赛车比赛规定各队在符合条件规定的情况下，赛车跑完全程时间最短者获胜，我国在2007年的比赛中首次打败了韩国队，终止了其七连冠的记录。

我国已经成功的举办了10次该项比赛，参加比赛的学校大概已经有300所，它们来自全国各地，分布在30个省市、自治区。

飞思卡尔比赛在我国已经办了多年，参赛队伍逐年增加，技术也相当成熟，学生们发挥自己的想象力，在原有技术上进行了大胆创新，取得了不错的效果。

现在一些早期的学生已经投入到实际的智能汽车的研究之中。

1.2.2国外研究概况

在飞思卡尔半导体公司的资助下，韩国在全球第一次举办了全国性质的高校智能小车比赛，并且取得了非常好的效果。

第一届比赛要求参赛队选用大赛方指定的HCS12单片机、车模以及电动机。

大赛规定，跑完全程用时最短的队伍获胜。

参赛队伍需要自己学习并且应用嵌入式软件开发工具Codewarrior和在线开发发技术，自主开发识别最佳的行进路线，自行设计电机的驱动电路、检测电路、舵机电路，以及相应的程序编写。

此项比赛举办以来，已经得到了广大企业的认可，他们认为这项比赛提高了学生们的创新能力。

这也是参赛队员在设计小车时不断积累经验，不断推陈出新，敢于创新的得结果。

韩国于2000年举办了第一届该类比赛的，由汉阳大学承办。

在韩国每年的参赛队达到100多支，很多学校都会派出自己的队伍。

韩国的企业也非常重视这项比赛，每年企业都会拿出非常丰厚的奖品，比如特等奖就奖给队员一辆现代汽车。

甚至获奖选手可以有机会到德国宝马的总部研究学习。

这些奖励不仅体现了企业对人才的重视，而且促进了学生的积极性。

如今的比赛不仅仅限于一国之内，高校的参赛队伍已经走出了国门，形成国际比赛机制。

2013年举办的国际赛当中，中国队以绝对的优势击败了美国队、日本队、巴西队、印度队、中国台湾队、墨西哥队、马来西亚队以及捷克与斯洛伐克队。

国际赛的举办增进了各国的技术交流，对智能车的比赛以及技术的创新起到了积极的作用。

1.3智能小车的发展前景

在智能车的研发方面，我国与欧洲、美国、日本等国家还有一些差距。

智能车的开发需要很多领域的结合，如信息技术、计算机技术、电子技术等多个领域[1]，在这些领域我国也有了很高的发展。

面对这个集汽车制造行业、信息与通信产业和交通系统复合的全新领域，我国有能力抢占这个高新技术的制高点，在未来的国际竞争中取得有利位置。

我国必须把握这次机遇，制定好相应的计划、战略方针以及落实到实处的措施，统筹管理，逐渐缩小与发达国家在智能车领域的差距并且超过他们。

2飞思卡尔单片机自动循迹小车系统设计总方案

本设计的核心是基于K60的主控模块，车速由电机驱动模块控制、转向问题由舵机模块来控制、小车速度的检测交由测速传感器模块的检测，预判行进的路线由路径识别模块来决定。

本设计实现的功能是在特定的跑道上小车自动行驶，完成在转弯处减速、在直道上加速行驶。

本系统由两部分组成即硬件部分和软件部分。

2.1系统硬件部分

本毕业设计选用飞思卡尔公司推出的32位K60微控器作为小车的核心控制单元。

路径识别模块采用摄像头检测技术，将采集到的图像信息转化成电平信号送给微控单元K60。

同时速度检测模块收集到的信息同样转换成电平信号送给微控单元K60。

微控单元经过内部的处理，输出PWM信号，控制电机转速以及舵机转向，达到控制速度和自动行驶的目的。

要使智能小车又快又稳的行驶，不仅要控制好舵机的转向还要控制好车速。

这样才能使小车在转弯的时候不会因为速度太快而偏离跑道，因此我们需要检测小车的速度，并且采取闭环的反馈机制。

同时要求我们要将路径检测、车速控制以及控制转向的各个单元精密结合起来。

如果传感器采集到了错误的信息，或者伺服电动机的控制出现偏差，就可能使小车出现严重的抖动，常出现的问题是小车偏离跑道；如果直流电动机的控制效果不理想，还会造成小车速度过慢等问题。

本部小车的系统总体结构如图2.1所示：

图2.1系统总体结构图

由图可知，小车的系统是由以下几个模块组成的:

（1）中央处理器单元

中央处理器采用飞思卡尔MK60DN512VMD100芯片，以32位的ARMCrotex-M为内核，运算速度快，内核提供了1.25DMIPS/MHz的DSP指令。

具有8位PWM输出8路和16位增强型定时器8路。

CPU的主频频率为100MHz。

内部Flash高至512KB，模数转换（A/D）共8路各2组，单片机功能强大，可以有效地控制小车的运行以及检测。

（2）电源管理模块

电源模块的作用是给各个模块提供稳定的电压，保证系统的正常运行，也是系统运行最基本的要成。

电源模块要有稳压电路，因为各个模块所需要的电压不同，我们还需要将电源的电压转换成所各模块所需要的电压。

（3）舵机模块

对模型车上的舵机进行驱动，快速并准确控制赛车的行驶方向。

（4）电机驱动模块

电机模块的作用是控制小车的速度，它是通过控制电机的电压来达到控制车速的目的，当然也可以通过电机实行制动。

（5）速度检测模块

速度检测模块主要是用于小车速度的采集，将采集到的速度反馈给系统，系统做出反应，来调节速度,使小车以最快的平均速度平稳的跑完全程。

（6）路径识别摄像头检测模块

该模块的作用是采集图像信息，并将其转换为数字信息传送给控制器，经过处理后控制舵机对小车的行进方向进行导航，同时控制车速。

2.2系统软件部分

软件部分由这几个部分组成：

小车的主程序、寻迹程序、PWM程序、PID控制程序等组成[2]。

采用动态阈值和边沿检测法提取黑线，保证提取黑线的稳定可靠；采用闭环PID和前瞻相结合的控制策略，并且基本上不对路型作判断，来提高赛车对赛道适应性。

我们可以通过程序来处理无法检测起跑线的问题，所以不用安装红外传感器。

3智能车硬件系统

3.1单片机最小系统

MC9S12XS128型开发板是一个16位的微控芯片，而MK60DN512型开发板是一个32位的微控芯片，这两款芯片都是专门用于智能小车的控制，选用这两款芯片可以缩短我们的设计时间，同时在二次开发方面也有很大的空间。

MK60DN512与MC9S12XS128的比较：

用MK60DN512替代传统的MC9S12XS128，会大大提高计算性能；增加了RAM空间，适合更加复杂的算法；外部IO中断使用起来比S12更加的自由；提高了PWM和脉冲计数功能，使用上更加方便、更加好用；提供了更多的SPI（串行外设接口）、UART（通用异步收发传输器）、IIC通信接口（集成电路总线），增加了外设的挂载数量，调试更加方便；因此本设计最终选定了MK60DN512型开发板。

最小系统板如图3.1所示。

单片机是整个智能车系统的核心部分。

我们所采用的单片机为飞思卡尔公司的KinetisARMCortex-M432位系列的单片机K60DN512,共计有144个引脚封装。

K60DN512芯片是Kinetis系列K60子系列的典型芯片，是Kineits系列中集成度最高的芯片。

K60DN512的特性如下：

（1）ARMCortex-M4内核的频率为100MHz；

（2）32路DMA,供存储器以及外设使用，CPU的利用率得到了提高