基于CCD自动巡线智能小车设计

司开波 黄 健 吕林涛

(西京学院信息工程学院，陕西西安 710123)

1 引 言

在智能车设计中，通常要实现自动循迹功能，因此人们研究了多种方法。文献[1]采用光电传感器TCRT5000，以STC12C5A60S2为控制核心，实现了对黑白线的自动循迹。文献[2]采用新型数字式电感传感器LDC1000实现了对细铁丝构成的跑道的自动循迹。

文献[1]采用的方法，也是常用的一种循迹方法。采用光电传感器，根据白线反射光强，黑线反射光弱的原理识别黑白线，达到自动巡线的功能。但该方法对黑线的宽度和当前光照强度有要求，如果当前自然光照强度大，很难识别黑白线；如果黑线宽度较细，也较难识别；如果是弯道，由于角度变化，识别也比较困难。而本文提出的CCD线阵传感器，包含128个光电二极管的线性阵列，构成128个像素，每个像素的光敏面积是3 524.3μm2，像素之间的间隔是8μm。每个像素点具有256(8bit)级灰度输出。相比于单个或多个光电传感器TCRT5000，输出精度更高，采集的信息点更多，采集范围更宽。因此，实现的自动循迹功能更强。

2 系统设计

2.1 线性CCD工作原理

该传感器是包含128个光电二极管的线阵，光电二极管在光的照射下产生光电流。如图1所示构成了光电二极管积分电路，二极管上累积的电荷量与光强度和光照时间成正比。当开关S1在1上时，积分电容上流过的电流和光电流相等，对光电流进行积分。当S1切换到2时，释放积分电容上累积的电荷。S2采样输出，当S2切换到1上时，使得采样电容电压等于运放输出电压，切换到3时，输出电压，在2时，其它光电二极管输出电压[3-5]。CCD内部有移位寄存器和逻辑控制器，可依次输出128个像素点的电压。

图1 光电二极管积分原理图Fig.1 Photodiode Integration Principle Diagram

2.2 系统设计框图

系统设计框图如图2所示，主控采用高性能微处理器STM32F103ZET6，主频72MHz，具有丰富的资源和I/O接口。采用3.3V供电，CCD线阵首先采集黑线的信息，通过A/D接口送给主控STM32，主控对数据进行处理，用中值算法寻找黑线中心位置，并与小车中心点位置比较。当车身偏左时，控制小车右转；当车身偏右时，控制小车左转；当正在黑线的正上方时，小车直行。电机驱动采用TB6612，用编码器测速，用速度PID控制PWM波输出，使得小车行进稳定、可靠。并增加蓝牙串口模块，可将小车行进的相关数据发送给上位机，便于调试。

图2 系统框图Fig.2 System block diagram

3 硬件电路设计

3.1 CCD硬件电路设计

CCD与STM32的连接图如图3所示。STM32的PA4引脚控制数据的起始位，PA2提供读写的时钟信号，PA3作为模拟A/D输入引脚，可连续读取128个像素点的输出电压，作为软件处理中的原始数据[4-7]。

图3 CCD与STM32连接图Fig.3 Connection Chart of CCD and STM32

3.2 TB6612电机驱动电路设计

TB6612电机驱动电路图如图4所示，TB6612适合驱动小型直流电机，可同时驱动2路直流电机，峰值电流可达到2A，相比于L298具有体积小、性能高等优点。图中PF13，PF14，PC6控制1路电机，PF13，PF14控制电机的转向，PC6输出PWM波，控制电机的转速。对应的输出为OUT1和OUT2。PF15，PG0，PC7控制另外1路电机，PF15，PG0控制电机的转向，PC7输出PWM波，控制电机的转速。对应的输出为OUT3和OUT4。VM为电机驱动所需电压，要高于6V，设计中采用7V[8]。VCC为芯片工作电压，是5V。

图4 TB6612电机驱动硬件原理图Fig.4 Hardware schematic diagram of TB6612 motor drive

对电机测速时，采用编码器，每旋转1圈，输出390个脉冲，将其接入STM32F103ZET6的定时器2，测量每秒钟脉冲的个数实现测速。

3.3 串口蓝牙电路设计

图5 蓝牙接口电路设计Fig.5 Bluetooth interface circuit design

串口蓝牙电路图如图5所示，图中蓝牙连接到STM32F103ZET6的串口2上，要实现蓝牙通信，必须是一对。上位机的连接方法与图5所示相同。通信之前，首先用串口调试助手对2个蓝牙模块进行设置，设置好后2个蓝牙模块会自动配对。通过串口2的PD5(RXD)和PD6(TXD)实现数据的收发。可将CCD数据，电机测速数据等发送给上位机，方便调试。

4 软件编程

4.1 软件流程图

在KEIL MDK5.0下用C语言编程，软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图Fig.6 Software flow chart

软件编程时，首先对定时器、串口等进行初始化，然后通过A/D循环采集128个像素点的数据。通过颜色识别找到黑线的2个边缘，记下此时像素点的位置I和J(I

K=I+(J-I)/2

(1)

PWM+=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki×e(k)

+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

式中：Kp——比例系数；Ki——积分系数；Kd——微分系数；e(k)——当前位置误差；e(k-1)——上一次位置误差；PWM——脉冲宽度。

4.2 关键代码

以下是找到黑线并计算中心代码,该段代码在定时器Timer1中每隔100ms调用一次。对小车的控制采用动态阈值智能控制方法，当到达阈值范围内，控制小车直行，否则控制小车左转或者右转，按流程图所示进行。这样可以避免小车左右摇摆，这样就能在几秒内将小车调整到中心位置。

void Find_CCD_Zhongzhi(void)

{static u8 i,j,Left,Right,Last_CCD_Zhongzhi;static u16 value1_max,value1_min;value1_max=ADV[0];//动态阈值算法，读取最大和最小值

for(i=5;i<123;i++)//两边各去掉5个点

{if(value1_max<=ADV[i])

value1_max=ADV[i];}

value1_min=ADV[0];//最小值

for(i=5;i<123;i++)

{if(value1_min>=ADV[i])

value1_min=ADV[i];}

CCD_Yuzhi=(value1_max+value1_min)/2;//计算出本次中线提取的阈值

for(i = 5;i<118; i++)//寻找左边跳变沿

{if(ADV[i]>CCD_Yuzhi&&ADV[i+1]>CCD_Yuzhi&&ADV[i+2]>CCD_Yuzhi&&ADV[i+3]

{Left=i;

break;}

}

for(j = 118;j>5; j--)//寻找右边跳变沿

{if(ADV[j]CCD_Yuzhi&&ADV[j+4]>CCD_Yuzhi&&ADV[j+5]>CCD_Yuzhi)

{Right=j;

break;}

}

CCD_Zhongzhi=(Right+Left)/2;//计算中线位置if(myabs1(CCD_Zhongzhi-Last_CCD_Zhongzhi)>70)//计算中线的偏差，如果太大

CCD_Zhongzhi=Last_CCD_Zhongzhi;//则取上一次的值

Last_CCD_Zhongzhi=CCD_Zhongzhi;//保存上一次的偏差

}

5 测试结果处理

设计并调试好硬件电路和软件程序后，就可以进行测试了。测试时，首先对镜头进行调焦，调焦如式(3)或式(4)所示

f=v×D/V

(3)

f=h×D/H

(4)

式中：f——镜头的焦距长度；v——拍摄对象成像后的纵向尺寸；V——拍摄对象实际的纵向尺寸；D——镜头和拍摄对象之间的距离；h——拍摄对象成像后的横向尺寸；H——拍摄对象实际的横向尺寸。

测试时，所选用的镜头的成像区域为8.128mm×0.063 5mm，焦距可调。

测试时跑道如图7所示。相距最远的2条黑线的外边沿间距是25cm，即横向尺寸H为25cm。镜头与目标距离D为80cm，镜头焦距f为6mm，经过式(4)计算，可得到成像后的横向尺寸h如式(5)所示

h=f×H/D=6mm×25cm/80cm=1.875mm

图7 测试用跑道示意图Fig.7 Test Runway

而镜头的成像区域为8.128mm×0.0635mm，横向长度为8.128mm，对应128个像素点，则1.875mm对应像素点是29.5，接近于30个。

通过蓝牙发送数据给上位机，可以得到如图8所示的测试数据。

图8 测试数据1Fig.8 Test data 1

图8显示了经过软件处理后的数据，最小值是18，最大值是86，中间值是52，并显示了灰度图和二值化图。

图9显示了当焦距为8mm时测量数据，镜头与目标距离D为30cm时测得的数据。从图中可得到最小值是20，最大值是127，中间值是73，并显示了灰度图和二值化图。

在实际测量中，由于环境亮度有所不同，测量值会有所不同.因为像素的亮度与曝光时间(积分时间)和环境亮度成正比，所以当光线比较暗时，增加曝光时间；当光线比较亮时，减少曝光时间。曝光时间可用软件调整。

图9 测试数据2Fig.9 Test data 2

对图9所示数据提高曝光时间，焦距保持8mm，镜头与目标距离D不变，仍为30cm。得到测试数据如图10所示。

图10 测试数据3Fig.10 Test data 3

从图中可以看到，增大曝光时间后，最大值、最小值、中间值明显增大，中间值变为135。因此，当光线较暗时，可增加曝光时间，增强识别能力。

6 结束语

文中仔细研究了CCD识别颜色的基本工作原理。设计了硬件电路，在MDK下编写了C程序，采用中值算法得到了黑线的中线位置，通过PID算法控制了小车的行驶，实现了用摄像头循迹，为智能小车的自动循迹提供了一种新方法。测试结果表明：该方法相比于普通光电传感器，具有性能可靠、稳定、速度快等优点。