基于图像处理技术的无人驾驶车辆控制系统

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摘要：目前，可实时根据当前情况做出动作的无人驾驶技术是国内外研究领域的热点。本项目的小车寻迹部分采用存储空间较大的AT89S52作为主控制芯片，电动车电机驱动则采用L298N芯片，结合GP2A25光电开关，能较有效的控制其在特定位置转弯角度及行驶出错处理。另外，我们通过摄像头识别简单路径，经过ARM芯片的处理分析，通过相应的算法，发信号给车载AT89S52控制芯片，最终实现小车的无人驾驶行驶。

关键词：89S52单片机；图像处理；循迹；智能小车

中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 19-0000-04

Unmanned Vehicle Control System Based on Image Processing Technology

Chen Yu,Wei Dakai,Deng Xuhua,Li Shuo

(Nankai University,Tianjin300071,China)

Abstract:At present,real-time action based on the current situation to make unmanned technology is a hot area of research at home and abroad.The project used car tracing part of the larger storage space as the main control chip AT89S52,electric vehicle motor drive is used L298N chip,combined with GP2A25 photoelectric switch,can more effectively control its turning point at a specific location and driving error handling.In addition,we identified a simple path through the camera,through the ARM chip processing and analysis,through the appropriate algorithm,the control signal to the vehicle AT89S52 chip,eventually unmanned car driving.

Keywords:89S52 MCU;Image processing;Tracking;Smart car

实验所用的部件：AT89S52主控制芯片，L298N电机驱动芯片，GP2A25光电开关，ARM芯片，摄像头，玩具小车

本项目在实施过程中，运用到图像处理分析和结合基于ARM芯片的嵌入式控制平台等多种技术，体现了该项目在技术上的良好的兼容性。加之最终成果的形式为一辆智能小车，又体现了该项目的趣味性。

该项目在应用方面，可以通过对小车可控模型的放大以及改造运用到各种领域。诸如，地震救灾（远程遥控小车勘探地震地区的灾情状况，例如运输救援物资，从而减小了人员在受灾地区驾驶车辆的危险），矿井勘探（在无人驾驶的状况下自动勘探矿井的矿藏情况，在工作人员无法到达的危险地区，例如充斥着有毒气体的空间勘测），管道排险（小车可以到达人员无法到达的狭窄管道，探测险情，工作人员根据分析后得到的危险警报，远程遥控进行排险）等人类没有办法近距离活动的场景。所以，该项目的实现在实用领域也是有着一定贡献。

一、运动控制

（一）硬件方面

1.车体设计。购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮。我们可以保留左右两轮转动轴，并使用直流电机进行驱动的方案。购买结构和性能相对成熟的玩具电动车具有如下好处：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。其次，玩具电动车是依靠电机与相关齿轮一起驱动，能适应项目中小车准确前进、转弯的要求，价格适中。

2.电机模块。由于直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。故而，本项目采用直流电机作为小车的驱动电机。

3.电机驱动模块。选用L298N作为电机的驱动芯片。L298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。

4.寻迹传感器模块。脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50～100mA），最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。此种测试方案反应速度大约在5us。

5.控制器模块。采用AT89S52作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本项目已经足够。并且，采用该芯片还可以比较灵活的选择各个模块控制芯片。

6.电源模块。小车系统采用双电源供电，将电机驱动电源与单片机及传感器电源完全隔离，在控制部分和电机驱动部分利用光电耦合器进行连接，以免影响控制部分电源的品质，从而彻底解决电机运行对系统稳定性的影响，提高了系统的可靠性。采用双电源供电尤其对大功率直流电机而言，效果会更为明显。

系统框架图如下：

（二）控制程序方面

传感器数据处理及寻迹程序总体流程：主程序主要起到一个导向和决策功能。其设计思路根据小车所处位置的不同，确定小车的任务。在黑线轨道上走直线时，对传感器的信号进行及时的判断，左边信号为零时控制电机左转，右边为零时控制电机右转。在弯道时，为了不冲出轨道，是左轮一直打偏，直到检测到右边信号为零时控制电机右转，当右信号为1时，继续使左轮一直偏。

二、图像处理

（一）对摄像头采集的BMP格式图片进行读取

然后通过对两个矩阵的对比得出前方出现一个静态的障碍。再通过控制程序在合适的时机给小车一个转弯的信号来避过障碍

（二）有时候采集出来的图像经过程序的处理。

此时，说明小车遇到了一个动态的，突然的障碍。通过控制程序给小车一个倒退的信号，从而避过这个动态的障碍，当障碍从车前彻底经过之后，再令小车启动。

（三）图像处理模块与运动控制模块的连接

我们通过将图像处理程序烧写到ARM芯片中。再将能够获取bmp图像的摄像头与ARM芯片连接，通过程序控制读取与处理图像的间隔时间。处理所得的图像矩阵，分析后对小车发出相应的控制信号。

三、总结

本文通过对黑线循迹小车的开发的详细描述，阐明了循迹智能小车的技术原理和路线。并通过开发图像处理算法，利用ARM9芯片，在循迹小车的基础上开发了一辆能够避开简单障碍的创新性智能小车。

参考文献：

[1]谢凤英,赵丹培.VisualC++数字图像处理[M].电子工业出版社

[2](美)维尔.设计中的视觉思维[M].机械工业出版社

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[5]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京航空航天大学出版社

[6]邱铁.ARM嵌入式系统结构与编程[M].清华大学出版社

[7]陆宗骐.C++数字图像处理[M].清华大学出版社