基于stm32的智能小车摄像头循迹系统_毕业设计论文

基于stm32的智能小车摄像头循迹系统_毕业设计论文内容摘要：

另外小车车体中加载 9V 可充电电池（环保且可持续利用），通过稳压模块稳定为 5V和 ，分别给小车驱动和 M3 处理器等模块供电。 车轮表面贴有码盘，可用红外实时感测车轮的运动状态，并输入单片机进行实时调整。 电机选择与驱动模块的介绍 方案一，使用直流电机。 直流电机机械特性的线性度好，速度快，反应灵敏，转动力矩大，体积小，重量轻，成本低，另外，直流电机带负载能力强，调速平滑， PWM 调整范围广。 缺点： 不易于精确调节和准确定位。 方案二，使用步进电机。 步进电机是将脉冲信号转化为角位移或线位移的器件，其精度高，效率高，可靠性高，另外，步进电机只有周期误差而无积累误差，可以精确的控制转动的角度和位移。 缺点：体积大，力矩小，速度慢，且力矩在高转速时急剧下降。 我们选择直流电机，利用 L298 集成芯片组成驱动电路可产生 PWM 脉冲。 利用 PWM脉冲驱动直流电机，可以提高直流电机的精确度，又不会影响其速度的优势。 用于提供小车行驶的动力，速度快，灵敏度高，使之满足题目要求。 烟台大学毕业论文（设计） 7 路径识别的方案设计与论证 方案一：基于光 电传感器阵列的智能控制 光电传感器的排列方法、个数、彼此之间的间隔都与控制方法密切相关。 但一般的认识是：在不受外部因素影响的情况下、能够感知前方的距离越远，行驶的效率越高。 由于光电传感器电路板的大小有限，其延伸的距离太短，因此大多制作者通过调整了光电传感器与地面信息的的方向，从而使光电传感器可以获得更远地方的路面的跑道情况。 [3] 下图 和 是两种典型的光电循迹的方案，图 中模型车采用了 8 对光电传感器分布得比较宽；图 中模型车只采用了 3 对光电传感器，放置在向外伸出的小电路板 上，探测的范围比较小。 具体在实际中将采用哪种方案更合适，这个与光电传感器扫描前方的距离和宽度以及所控制的策略是十分相关的。 下面的图 为 8 路红外发射管方案，图 为 3 路红外发射管方案。 图 8 路 红外发射管方案 图 3 路 摄像头方案 在光电循迹方案中，为了得到质量较高的接收信号，一般还附加一些电阻电容组成的RC高通滤波器。 这样就能够在一定程度上避免由外部光线引起的路线识别不正确的问题。 有的模型车设计的传感器离地面距离较远，为了能够接 收到更多的从发光传感器发射过来的光线，也有使用凸透镜的情况。 基于反射式红外传感器的光电传感器阵列的路径检测方法具有较高的可靠性与稳定性，信息更新速度快且易于单片机处理。 但是它易受环境光线的干扰，而且存在着检测距离近的的问题，硬件电路复杂。 为了获得远方的信息需要将传感器伸的尽可能远，从而增加了车体高速行驶时的转动惯量，限制了智能车的最高速度。 方案二：基于面阵 CCD 传感器的控制 基于面阵 CCD 传感器的路径检测方法具有探测距离远（后文将这种前方探测距离称烟台大学毕业论文（设计） 8 为“前瞻“）的优势，能够尽可能早地感知前方路径的信息并进 行预判断，实现提前减速过弯。 而且这样还可以提高转弯的最高速度。 同时还可以结合利用单片机内部的 A/D,在小车的前方虚拟出 24 个光电传感器，采用单一传感器，硬件结构简单且高速运行时转动惯量小，从而增加了小车的最高速度。 这样不仅能够克服传统光电传感器的缺点，又能够精确的感知黑色引导线的位置，为智能车的稳定运行提供保障。 但是，在调试过程中我们发现这样面阵摄像头在市场上很少，不易购买。 图 CMOS 摄像头小车 方案三：基于面阵 CMOS 传感器的控制 基于黑白面阵 CMOS 摄像头传感器的路径检测方法具有以上 两种方案的所有优点，同时面阵 CMOS 摄像头输出的复合视频信号，采集到的信息将是前方整个一副图像。 利用单片机内部的 A/D 转换器，并配合从视频信号分离出的同步信息，该单片机可以直接将图像信号采集到内部的 RAM 中，然后通过软件对图像信息进行处理。 这样不仅可以识别道路的中心位置，同时还可以得到跑道的方向，跑道的曲率等信息。 这样可以有效地对车模进行运动控制，提高车模路径跟踪速度和运行速度。 但是面阵 CMOS 摄像头的延时比较大（ 20ms），因此对信息的采集和处理有一定的约束。 图 为 CMOS 摄像头小车。 综合以上分 析，为了更好的获得路况信息和取得大的前瞻，本设计选择方案三，并对其进行可改进。 烟台大学毕业论文（设计） 9 3 智能车系统硬件设计 智能车系统硬件设计总体结构 本系统是利用了市面上很流行的处理器 STM32 作为本系统的主要控制模块，我们采用了 CMOS 摄像头作为识别路面信息的传感器，通过控制器 STM32 对摄像头采集过来的信息进行分析和判别，才实现对智能小车直流电机的控制从而达到实现自动循迹的目的。 众所周知，一个系统的硬件是一个系统能否稳定运行的关键，在设计智能车硬件的总体架构时，该系统充分考虑了这方面的因素，使该系统能够很好的运 行，使小车的行驶速度更快更稳定。 如图 ，并在此基础上选择了最佳的硬件电路和器件，后面将分成各个模块加以介绍。 图 为系统硬件整体框图。 [4] 电源管理M C U电 池舵机电 机C M O S传 感器转 速 测 量+ 5 V+ 3 . 3 V+ 3 . 3 V驱 动 芯 片+ 5 V+ 5 V 图 系统硬件整体框图 烟台大学毕业论文（设计） 10 STM32 最小系统的设计 方案总结 1 电机模块：直流电机 2 控制模块： Cortexm3 3 车体选择：四轮圆形车身 4 摄像头模块： OV7670 模块 方案框图 图 为方案框图。 电 源 模 块电 机 模 块C O R TE X —— M 3摄 像头 模速 度控 制 图 方案框图 电路设计与原理 直流电机应用 L298 为双全桥步进电机专用驱动芯片，内含 4 信道逻辑驱动电路，接收标准 TTL逻辑信号，可驱动 46V、 2A 以下的步进电机，且可直接通过电源来调节输出电压。 然而本电路将 M3 控制器与 L298 驱动结合，产生 PWM 脉冲，用于驱动直流电机，在不影响直流电机速度快、带负载能力强的同时，实现较精确调节，可达到很好的效果。 L298 作为小车电机驱动芯片，驱动能力很强，广泛被智能小车控制作用，硬件简单，操作性极强，而且价格也适合，非常适合初学者来 应用，在该课题中，小车的驱动主要依靠该模块来实现，摄像头采集的信息通过 CPU 的处理，从而调节小车的运行情况，是该课题的主要模块。 其电路原理图如 图。 L298 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。 该芯片采用 15 脚封装。 主要特点是：高的工作电压最大可达 46V；比较大的输出电流，具有 3A 瞬间峰值电流，实验报告检测其持续工作电流可达 2A，具有 25W 额定功率。 内涵两个 H 的高电压大电烟台大学毕业论文（设计） 11 流全桥式驱动器，能够实现对直流电动机和步进电机和步进电机的驱动，继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制：具有两 个智能控制端，在输入信号合理的情况下允许或者禁止期间工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分工作在低电压下模式下；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路，使用 L298 芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或者四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。 图 为电机驱动模块。 [6] 78109561211341413121615U1TLP5214Vss9Vs4OUT12OUT23OUT313OUT414IS EN A1IS EN B15IN15IN27IN310IN412EN A6EN B11GND8U2L2989VENAENBGNDD1 D2 D3 D4D5 D6 D7 D810ufC3104C4GND10ufC1104C21234OUT10KR510KR610KR710KR81KR1Res11KR2Res11KR3Res11KR4Res1VCCVCCGND129vVCCENAENB12345678910P1GNDVCCIN1IN2IN3IN4IN1IN2IN3IN4CON1CON2CON3CON4CON1CON2CON3CON4 图 电机驱动模块 电源分配电路设计 电源分配电路中，所用的电池是蓄电池，电池要通过一些电压的转化电路来实现对电机的驱动作用，由于 STM32 的最小系统的驱动电压时 的直流电压，摄像头的驱动是 到 5V 的直流电压，需要将蓄电池的电压转换过去，这部分，该系统利用了 的转换芯片，能够得到稳定性和波纹都很好的 3,3V 直流电压，可直接利用该直流电压给单片机和 CMOS 摄像头传感器供电。 图 为电源模块。 烟台大学毕业论文（设计） 12 图 电源模块 H 桥电机的驱动 本系统的直流电机的驱动电路采用 H 型 PWM 电路，用 STM32 处理器来控制驱动电路，使之工作在占空比可调的开关状态，从而实现对电动机的转速的精确调整。 其 实就是把波形作用于电机驱动的使用端， PWM 控制是一种在控制领域应用非常广泛的控制方式，通过对波形或者说是脉冲的占空比加以控制，从而实现对电机速度的控制，灵活应用合理分配是 PWM 波的一种很强的优势，因此对于电机运行的速度，我们可以通过对 PWM波的占空比来实现对脉冲频率的控制，来达到转速的合理控制。 图 为 L298 H 桥内部电路。 图 H 桥内部电路 烟台大学毕业论文（设计） 13 4 智能车系统软件设计 控制算法的简要介绍 智能小车的控制，实际上就是对智能车的运行车速和运行方向的控制，本课题通过对各种算法的 比较，最终采用了比较适合的算法 —— PID 控制， PID 控制是一种新型的算法，这种算法来源于模糊数学模型，模糊推理的控制就是利用了这种算法来实现对图像的合理处理的。 在对驱动电机和舵机控制之前，需要利用道路检测信息来制定各种路况下的控制策略，道路路况不外乎 4 种，如图 所示为跑道的 4 种情况。 图 跑道的 4种情况 要实现在最短的时间能实现对智能小车的控制，并完成所要达到的任务，那么这就要求我们在直道上要用全速的状态来行驶，同时在“ S”道转向不 大的情况下要尽量做到直道行驶的速度来行驶，最后在进入弯道时要合理的减速，既不能太大也不能过小，以使得在弯道上能够及时的转向，在弯道中和出弯的时候要及时的提高小车的速度，以使得在小车在进入直道时候就能够很快达到最高速度。 对于十字交叉道路，可以按是直道处理，避免横线的干扰。 [6] ① PID 控制介绍 PID 控制算法是根据偏差的值，按照一定的函数关系进行计算，用所得的运算结果对系统进行控制。 PID 控制有位置式控制和增量式控制，方程如下： 021i 2u uuZZeK ii  错误 !未找到引用源。 (41)    )2( 211 iiidiiii eeeTTeTTeeKu 错误 !未找到引用源。 (42) 利用 PID 控制器步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； 烟台大学毕业论文（设计） 14 (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果 修改。 ②模糊控制介绍 模糊控制实质上是一种人性化的控制策略，其要求用计算机去按照操作人员的思想来控制小车的运行，这样可以很好的避开了对复杂的数学模型的处理，而是着力于对操作员想要的控制问题进行研究，使控制问题能够跟好的实现，使成功的几率更方便，总结出知识，从中提炼出控制规则，实现复杂系统的控制。 模糊控制有以下的特点： 1. 尽管模糊控制的算法是运用模糊集理论来进行的的计算方法，但是最终得到的控制数据时确定的，定量的。 2. 对于一些实际系统，需要系统建立一些数学模型，而模糊控制算法则不需要根据机理与分析建立数学模型，从而简化了处理的复杂度。 更加具有使用性。 ，模糊控制系统是设计员利用自然语言表达出来的规则，更加的人性化，此算法更接近于人的的思维方法和推理习惯，因此，便于现场操作人员的理解和使用，便于人机对话，以得到更有效的控制规律。 速度控制算法 由上面对 PI。