技术摘要：
本发明属于汽车控制技术领域，公开了一种基于硬件二值化摄像头检测的智能小车控制装置及控制方法，智能小车控制装置进一步包括包括：核心处理器、传感器模块、人机交互模块、方向和驱动控制模块、电源管理模块、初始化模块、图像处理模块、OLED显示模块、加减速识别模  全部
背景技术：
随着传感器检测技术和自动控制技术的不断发展，目前各国在智能汽车领域的研 究更加深入。其具体体现在以下几个方面：1)现有的智能汽车能够自主泊车，而且在GPS等 技术的配合下，可以更精准和安全地泊车；2)无需人为的干预，自主的帮助驾驶员驾驶汽 车，并且能够主动躲避障碍物等；3)自主为驾驶员选择最佳行驶路线，避开车流高峰期，缓 解交通压力。 智能小车是轮式机器人的一种。它与机器人有许多共同点。具体包括：核心的处理 器、传感器测量和变送单元、执行机构和相关的控制算法等。目前市场上有基于人为遥控的 玩具小车，高校内部举办的基于红外光电管检测科普智能车大赛。前者只需要基本电路，以 及红外接收和发送装置等，通过手柄前进、后退、转弯和停车等按键就可以操纵小车。后者 则需要用到红外光电传感器，利用特定赛道上的黑和白的差别，结合软件编程算法的设计， 来完成比赛的任务。 遥控玩具人为操作方便，但是仍然摆脱不了在小车运行过程中人为的干预。基于 红外光电传感器的智能小车，虽然能够自主行驶，但是可能由于复杂的环境、传感器检测的 范围和精度有限等原因，导致小车未能按照预定的方案完成指定的任务。 通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传感器检测的范围和环境有限、适 用的场合比较单一、智能小车不能高效率的完成任务等。现有技术没有采用基于硬件二值 化摄像头作为控制系统的图像传感器，进行对目标图像的捕捉。没有采用mini512线编码器 完成对小车的精准测速。以及没有通过S3010舵机与RN380电机和相应的软件编程设计构成 一个串级控制系统。不能实现小车自主搜索目标，完成任务效率低。 解决以上问题及缺陷的难度为：如何根据需要来选取合适的传感器；如何选择控 制方法，使控制小车方向的舵机与控制小车速度的电机配合，高效率地完成任务。 解决以上问题及缺陷的意义为：根据需求来选取传感器，不仅能够降低成本，而且 更好地达到预期控制效果，进而实现小车制作价值最大化；合适地控制方法的选取，能够使 小车的环境适应性更强，高效率地完成相应的任务。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于硬件二值化摄像头检测的智能 小车控制装置及控制方法。 本发明是这样实现的，一种基于硬件二值化摄像头检测的智能小车控制装置包 括： 5 CN 111552303 A 说　明　书 2/13 页 传感器模块，与单片机连接，包括图像传感器和增量式光电编码器，用于采集目标 图像信息以及车模的实际转速信息。 单片机，与传感器模块连接，用于对传感器采集的信息进行处理；通过在IAR的编 程设计和相应的硬件电路，最后将信号传递给执行机构。 人机交互模块，与单片机连接，包括LED灯、OLED显示、按键、串口调试模块，用于将 道路信息和小车的运行参数反馈给调试人员；LED灯可以作为硬件电路的指示灯，可以初步 判断硬件电路的好坏；OLED屏可以用来显示摄像头扫描到的图像、PID控制的参数；按键可 以用来确定智能小车的舵机中值以及PID参数的调节；串口调试模块可以用来观察电机输 出的波形，对电机PID的参数进行初步调试。 方向和驱动控制模块，与单片机连接，包括舵机驱动和电机驱动，用于通过舵机驱 动模块控制小车方向，通过电机驱动模块控制小车速度；所述舵机驱动模块和电机驱动模 块分别控制小车的舵机和电机。 电源管理模块，与传感器模块、人机交互模块、舵机和电机驱动模块以及核心处理 器相连，用于给所述基于硬件二值化摄像头检测的智能小车控制装置各个模块提供能量。 进一步，传感器模块中，所述图像传感器利用硬件二值化摄像头OV7725来对远处 的目标进行识别，直接输出数字信号0和1。图像数据采集时利用场中断进行图像采集，该控 制装置采用了DMA对图像数据进行传输。该控制系统采用的摄像头的广角是140度；所述摄 像头所采用的分辨率80X60，也就是图像的高度是60，宽度是80。通过利用for循环的嵌套对 采集的数据处理，主要包括图像左右边界点的一个初始化。其次是否出现连续白点(图像按 行扫描时，同一行连续采集的两个数据均为1)的判断。最后利用求得的图像左右边界点可 以得出信标(目标图像)的宽度。光电编码器采用mini512线编码器，该编码器可以直接输出 旋转的方向。其转动轴旋转一周，可以输出512个脉冲，具有精度高，质量轻等优点。通过利 用10ms的中断定时，可以检测出在这段时间内小车的实际转速。最后，根据期望速度，可以 形成速度的闭环控制。 进一步，人机交互模块中，所述电机采用的是增量式的PI控制。通过先调节P，此时 积分系数I设置为0。当给定一个占空比，促使电机转动起来，利用编码器的测速来构成速度 的闭环。在增大P的同时，利用上位机观察电机实际输出的曲线。尽量使其超调量小，响应 快。在增加P的同时，电机后轮出现明显的抖动，此时应该适当减小P。在P适当调节好后，将 积分系数I逐渐增大，使系统没有余差并且调节时间尽量短。在进行初调后，可以让小车在 直道上行驶，随后进一步通过上位机配合调整。最后，电机的比例系数P的值为2.5，积分系 数I为0.4。 进一步，所述舵机驱动模块用来驱动Futaba  S3010舵机，所述控制舵机模块的硬 件电路包含由LM2596芯片和其它电子元器件构成的可调输出的舵机电源，以及用于保护舵 机进行隔离的光电耦合器P521；控制舵机的PWM模块的精度设置的是100000。 所述电机驱动模块用来驱动RN380电机，所述控制电机模块的硬件电路采用的是 由BTN7971B和其它的电子元器件构成的全桥驱动，通过改变电机输出的占空比来达到调速 的目的；控制电机PWM模块的精度设置的是250。 所述Futaba  S3010舵机使用电压范围为4～6V；所述RN380电机工作在7.2V电压 下，空载转速为15000 500rpm，最大输出功率为20W； 6 CN 111552303 A 说　明　书 3/13 页 所述Futaba  S3010舵机安装在车模前面，在小车两个前轮之间呈水平对称分布。 进一步，所述舵机和电机均采用PID控制。舵机是采用位置式的PD控制。舵机控制 中不适用带有积分作用的PID控制。因为这很容易造成舵机打角的迟钝。舵机控制中需要利 用按键和相应程序对舵机的中值进行标定。控制舵机的FTM模块的精度越高，那么舵机转动 一定角度的精度就越高。此次设计采用的FTM模块的精度为100000，经过标定，舵机的中值 是13600。 进一步，所述舵机中值的标定方法包括： (1)将舵机安装于两个前轮的中间位置，并保证舵机处于直立的状态； (2)在程序中，将控制该舵机的PWM通道口的精度设置为100000； (3)在程序中设定一个全局变量，此外利用两个按键的每按下一次分别来控制该 变量加1000或者是减1000； (4)待到通过调试，舵机的两个前轮基本是没有出现明显的偏离任何一侧时，修改 之前的变量每次的变化值。由原来的1000修改为100用来细调，确定更准确的舵机中值。 进一步，所述智能小车控制装置各元件所需的供电电压包括： 3.3V直流电压：微处理器(MK60DN512VLQ10)、硬件二值化摄像头(OV7725)、液晶显 示(OLED)、光耦(P521)、按键； 5V直流电压：增量式光电编码器(mini512线编码器)； 5.5V直流电压：舵机(Futaba  S3010)； 7.2V直流电压：电机(RN380)。 进一步，所述的硬件二值化摄像头OV7725利用摄像头底座，将其固定在车模的中 间位置。摄像头通过碳素杆安装在距离地面大约40cm处。此时的摄像头俯角大约是45度。 mini512线光电编码器安装在车后轮处。小车后轮上的齿轮作为媒介，分别与电机轴上的齿 轮以及编码器上的齿轮连接起来，形成机械上的齿轮传动装置。 进一步，所述镍铬电池利用轧带固定在车模的中间位置处，并且靠近摄像头底座 位置。 进一步，所述基于硬件二值化摄像头检测的智能小车控制装置包括：初始化模块、 图像处理模块、OLED显示模块、加减速识别模块、舵机控制模块、增大半径模块、障碍处理模 块、差速控制模块、电机控制模块；所述小车控制系统的控制算法利用IAR  Embedded  Workbench  IDER软件开发平台，进行控制算法的模块化设计，配合硬件电路，实现智能控制 的功能。 初始化模块，包括单片机时钟初始化、摄像头初始化、OLED初始化、接口引脚初始 化等。 OLED显示模块，用于显示摄像头扫描的图像、PID参数的调试以及程序中某些重要 参数的记录和调试。 加减速识别模块，通过图像处理算法得到图像在OLED上的宽度，根据图像宽度的 大小，作为小车加减速控制的标志。小车减速是通过让电机反转实现的。 舵机控制模块，通过使用位置式的PD实现的。该控制的偏差来自于设置的定中点 和通过图像处理算法得到的动态中点构成偏差，进而实现舵机的控制。 增大半径模块，利用摄像头没有扫描到图像并且编码器测得的转速不为0作为判 7 CN 111552303 A 说　明　书 4/13 页 断条件。通过一定的时间内，舵机转动的角度是一个固定值，实现增大小车旋转的半径，进 而达到继续搜索目标的目的。 障碍处理模块，以小车的编码器测得的转速为0作为该控制程序的条件。经过电机 的反转、延时、舵机反向转动一定的角度、电机正转等指令的密切配合，进而实现对障碍的 处理。 差速控制模块，根据舵机控制输出的PWM对差速进行调节，采用纯P控制，将差速的 输出作为电机控制的输入。采用差速控制可以使小车转弯更灵敏。 电机控制模块，采用增量式的PI进行控制。将差速控制的输出作为电机控制的一 个输入，结合编码器测得的实际转速，构成速度的闭环控制。 本发明的另一目的在于提供一种基于硬件二值化摄像头检测的智能小车控制方 法中，微处理器MK60DN512VLQ10的主要作用是对信号进行分析和处理，最后输出相应的执 行信号给相应的模块。具体包括： (1)获取外部按键输入的电平，实现变量的加或者是减，改变舵机和电机的控制参 数； (2)获取摄像头采集的数据，并通过对数据的暂存，然后通过I2C实现与OLED屏幕 的通信，将采集的黑白图像在OLED屏幕上进行显示； (3)获取编码器测得的速度，通过增量式的PI控制，获得控制器输出，最终通过PWM 模块的通道口，输出给电机； (4)利用USB转TTL，通过串口通信，波特率设置为9600，将编码器器采集的数据传 递给上位机，输出电机输出的曲线。 本发明的另一目的在于提供一种搭载所述基于硬件二值化摄像头检测的智能小 车控制装置的智能汽车。 结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基 于硬件二值化摄像头检测的智能小车控制装置，以MK60DN512VLQ10(32位)为核心处理器， 该处理器含有5组I/O口，具有3个FTM模块和多个定时器，并且可以实现超频。图像传感器采 用硬件二值化摄像头OV7725，由于硬件二值化，采集图像的数据被处理成了0和1(其实是灰 度值0和255、结合图像阀值的选择以及当前灰度值与阀值的比较，最后变成0和255。为了数 据在程序中处理的方便，就变为0(黑)和1(白))，而并不是灰度图像中的介于0-255中的任 意整数。二值化图像与灰度图像相比，其优点是占用空间少，更容易识别出目标图像的特征 (此处的信标是会发出红光和红外线，因此该信标和其周围有比较大的亮度差。本发明只需 获取信标在OLED上的大概位置，无需获取其具体的轮廓形状)。彩色图像同样是会占用大量 的数据空间，由于图像的区分度不高，导致获取图像在OLED上的点宽等信息的难度要更大。 所以无论是从成本，还是从CPU的处理效率、程序的编写等方面来看，硬件二值化能过快速 并准确地获得有用的信息。 此外，图像数据采集时利用场中断进行图像采集，该控制装置采用了DMA对图像数 据进行传输，提高了CPU的效率，并且比中断方式的传送数据的速度更快。最后在小车的测 速方面，采用的是触发端口中断，对跳变沿脉冲计数。对10ms内采集的跳变沿脉冲数进行处 理，用处理所得的数据与控制电机PWM模块的精度之比，就可以得到小车是以多大的占空比 在运行。 8 CN 111552303 A 说　明　书 5/13 页 Mini512线编码器精度高，质量轻。利用它测得车后轮实际的转速，形成速度的闭 环控制，保证小车运行的稳定性以及车模加减速切换的顺利进行。在一定的电压范围内，舵 机转动角度的灵敏性与电压呈正相关的关系。于是采用可调电压去作为舵机的电源。此外， 我们在对舵机进行控制时，采用了光电耦合器(P521)。其主要作用是为了防止由于舵机齿 轮的卡死而导致产生较大的电流倒灌流入控制器的引脚，导致引脚损坏的问题。 对比的技术效果或者实验效果。在编码器的选择方案中，有欧姆龙编码器(500线) 可供选择。但是，它的体积大，会增加小车的负重，进而会导致小车的惯性大。在小车速度快 速切换或者是转弯时，小车的惯性带来的影响会比较大。相反，Mini512线编码器在上述方 面对小车的影响比较小。此外，在编码器的测速方面，可以不采用跳变沿触发端口中断来进 行脉冲的计数，依据核心处理器上面的FTM模块中特定的IO口来进行脉冲的计数。本方案采 用端口中断方式来对脉冲进行计数，可以避免由于特地的FTM模块端口被占用，而导致重新 制作电路板，最后增加制作成本。 附图说明 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使 用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的 附图。 图1是本发明实施例提供的基于硬件二值化摄像头检测的智能小车控制装置结构 框图。 图2是本发明实施例提供的各模块的电源结构图。 图3是本发明实施例提供的小车各模块的程序设计图。 图4是本发明实施例提供的智能小车制作的流程图。 图5是本发明实施例提供的小车的求图像左边界最小点的程序流程图。 图6是本发明实施例提供的利用二维数组进行存储图像数据的二维平面示意图。 图7是本发明实施例提供的理想情况下，将采集到的图像显示到OLED屏幕上的效 果示意图。 图8是本发明实施例提供的小车的总体程序流程框图。 图9是本发明实施例提供的障碍处理流程图。 图10是本发明实施例提供的增大半径处理流程图。