摄像头识别的智能车硬件系统设计

　　0 引言 

　　近年来，智能车辆和智能交通已成为汽车和智能控制领域的研究热点之一.智能车即轮式移动机器人，智能车的设计涉及模式识别.传感技术.电子.控制.计算机.机械和电源等多个学科.智能小车能在非特定环境下工作，在探测.救生等方面具有广阔的应用前景，对智能循迹系统的研制和改进，对上述领域产品的研发具有推动作用.
　　本文以第七届飞思卡尔智能车比赛为背景，讨论摄像头识别的智能车在复杂道路条件下的运行情况.该系统采用MC9S12XS128微控制器作为核心控制器并结合OV7620 图像传感器获取路况信息.微控制器输出三路PWM信号，其中两路用来控制车速，一路用来控制舵机的方向.三路信号均通过调节PWM 信号的占空比，来控制直流电机的正转.反转转速和舵机的转向.
　　实现对智能车的良好精确的控制，没有一套合理稳定的硬件电路是难以保证智能车的良好运行.本文主要对智能车的硬件系统进行相关设计. 

　　1 智能车硬件系统整体框架 

　　智能车硬件系统主要包括控制器.电源电路单元.输入设置.摄像头OV7620图像采集.车速检测.舵机和电机驱动，串口通信等模块.按照以上模块的功能，小车的硬件系统可以分成：电源部分.信息获取部分.信息处理部分.实时控制和输入/输出部分，构成一个闭环的控制系统.图1为智能车整体硬件组成系统.
　　智能车竞赛摄像头组的小车用摄像头采集道路信息，利用采集到两条黑色边界线和白色赛道的灰度值不同，识别道路状况，通过处理采集到的图像，对小车实施实时控制.本文利用单片机MC9S12XSl28处理采集到的数据，用舵机和驱动电路驱动电机，控制小车的运行.
　　智能车设计的完整方案是：用摄像头采集道路信息，摄像头内部集成了ADC 和图像的行场分离芯片LM1881.根据采集到的一场图像情况，计算出赛道的曲率半径，对于赛道不同弯曲程度，用不同的PWM信号控制舵机的转向和电机的转速，使得小车能够智能化的沿着赛道行驶. 

　　2 智能车硬件电路各部分的设计 

　　2.1 电源电路单元 

　　整个智能车的供电来自充电电池，正常情况下充电电池电压为7.2 V,电池容量为2 A·h.智能车各模块对电源的要求不同，特别是对电压的要求，以及对电压稳定性的要求，所以需要选择不同的稳压芯片.从电池中分离出不同的电压，给各部分模块供电.图2为智能车供电系统. 

　　以上电路的设计为防止电路之间产生干扰，采取了各模块分离电源供电.舵机比较特殊，需要的电源电压是6 V,这里采用LM2587-6 稳压块.具体电路如图3所示. 

　　电机驱动电路采用能够输出大电流的LM2596开关电压调节器，能够输出3 A的驱动电流.该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz,与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件.由于该器件只需4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计.具体电路如图4所示.

　　由于数字摄像头对电压要求比较高，一般采用线性稳压电源，不用开关电压调节，其输出有尖峰.这里采用LM2940 稳压块，数字摄像头.测速模块.串口通信.单片机分别采用单独的电源输出，避免之间发生干扰.
　　具体电路如图5所示. 

　　2.2 实时控制部分硬件设计
　　智能车实时控制部分主要包括车速和车的转型控制即舵机控制，车速部分主要是取决于电机驱动电路的中的PWM,下面分别对电机驱动电路进行设计和对舵机控制做介绍. 

　　2.2.1 电机驱动
　　智能车的动力部分使用小型永磁式直流电机，可用分离元件组成的驱动器来驱动，也可用一体化的集成驱动芯片来驱动.为了简化电路板，减轻小车的重量，本智能车采用一体化的专用集成驱动芯片BTS7970.用单片机的引脚PWM0 和PWM1 输出PWM 脉冲信号，通过两路驱动，可以实现加速，减速，停车的实现.由于两路驱动电路设计一个类型，这里给出其中一路外围电路，如图6所示. 

　　2.2.2 舵机控制
　　舵机又名伺服电机，本智能车采用舵机S3010,通过输出周期为20 ms 的PWM 信号来控舵机转动角度.
　　舵机有三条线一个地线，一个电源线接6 V,控制信号线通过单片机PWM5引入，通过单片机输出的PWM 信号的占空比来控制舵机转向角度. 

　　2.3 信息获取与输入/输出部分
　　信息获取部分包括摄像头采集的数字图像.编码器的测速获得的车速信息.输入通过拨码开关设计几个档位，实现不同的车速，以及完成智能车的调试.具体电路如图7所示. 

　　图7中的数字摄像有采用集成模块OV7620与单片机直接连接，8位数据线直接与单片机8位数据口连接，行场中断分别与单片机PT 口相连接，完成图像的采集.单片机的有两个串口，用其中一个通过MAX232电平转换和电脑实现通信.测速模块与单片的PT口当中一个端口连接，实现速度的采集.8位拨码开关与单片机的8位端口连接，将端口设置为输入口. 

　　3 结语 

　　智能车系统根据个人实现功能不同，硬件电路有所不同，与相关的软件程序有关.本文主要介绍了基于摄像头的智能车的硬件设计电路，详细的设计智能车的电源部分，电机驱动部分，由于篇幅有限，只给出信息获取和输入/输出与单片机连接框图，说明与单片机的连接情况.