基于飞思卡尔单片机自动循迹小车控制的设计.docx

1、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OV7620 CMOS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，OV7620 CMOS，软件二值化，PIDAbstract With the conti

2、nuous development of electronic technology, more and more automation equipment into the production life of the people, the rapid development of embedded intelligent study provides a broader platform.In this paper, the design of intelligent vehicle system MK60DN512VMD100 microcontroller as the core c

3、ontrol unit, the selection of OV7620 CMOSanalog cameras to detect the track information, to using TCL5510 high-speed AD converter chip, software binarization image, extract the white guide line for identification of the track information; optical encoder to detect the real-time speed of the model ca

4、r, using the PID control algorithm to adjust the speed of the drive motor and steering the angle of the steering gear, in order to achieve closed-loop control of velocity and direction of the model car.Keywords: MK60DN512VMD100，OV7620 CMOS，software binarization, PID1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

5、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

6、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Ki

7、netis系列，主要包括Kinetis E,EA,M，L等系列、32位的MPC56xx系列、32位的Kinetis(ARM CortexTM-M4），主要包括Kinetis W，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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、理器采用飞思卡尔MK60DN512VMD100芯片，以32位的ARM Crotex-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

14、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

15、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

16、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Kinetis ARM Cortex-M4 32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) ARM Cortex- 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