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這是關(guān)于飛思卡爾循跡智能車入門的基礎(chǔ)資料，寫得非常通俗易懂，及其詳細(xì)，因此分享給大家.
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一、 基于飛思卡爾芯片的智能循跡車
1、智能循跡車簡(jiǎn)介
運(yùn)用 Freescale S12單片機(jī)控制模型車自動(dòng)沿著黑白 （電磁組是檢測(cè)賽道通有交流信號(hào)的導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)尋跡）賽道完成比賽。主要包括智能車的組裝、機(jī)械機(jī)構(gòu)的調(diào)整、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和程序控制策略的選定、硬件電路和軟件控制的設(shè)計(jì)等幾部分。
傳感器類型簡(jiǎn)介：用攝像頭，光電傳感器（如紅外、激光） 、電磁傳感器采集跑道信號(hào)，把信號(hào)傳送到MC9S12XS128主芯片進(jìn)行處理，通過程序處理，分辨出賽道的黑線變化情況， 控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向， 使小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡， 在此基礎(chǔ)上，再提高小車速度，對(duì)小車行駛路徑進(jìn)行優(yōu)化。本比賽涵蓋了電工與電子技術(shù)、編控制程、傳感技術(shù)（如速度傳感、光傳感等） 、信號(hào)處理、模式識(shí)別、制圖、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子通訊等多門學(xué)科。
2、攝像頭組方案
圖像傳感器根據(jù)感光原理可以分為CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。根據(jù)信號(hào)輸出形式又可以分為模擬信號(hào)輸出與數(shù)字信號(hào)輸出。 下面分別就圖像傳感器的兩種類型進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論。
方案一：CCD攝像頭
CCD攝像頭尋跡方案的優(yōu)點(diǎn)是圖像質(zhì)量高，動(dòng)態(tài)性能好，可以更遠(yuǎn)更早地感知賽道的變化，分辨率高，識(shí)別路徑參數(shù)多；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，需要較大的存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)處理時(shí)間比較長(zhǎng)，信號(hào)處理比較復(fù)雜，另外CCD工作電壓為12V，需用斬波升壓電路或DC-DC升壓得到12V電源。且體積大，能耗高無法和外圍信號(hào)處理電路集成。但是因其成像質(zhì)量較CMOS好的原因，攝像頭豐富的信息量為小車的最佳控制提供了保證。
方案二：CMOS攝像頭
CMOS的缺點(diǎn)是圖像質(zhì)量較CCD差， 動(dòng)態(tài)性能不如CCD。 但CMOS的優(yōu)點(diǎn)是體積小，像素陣列可以和信號(hào)處理器集成在一起，由于集成了內(nèi)部信號(hào)處理器，所以可以設(shè)置參數(shù)，故CMOS芯片一般可以直接同步輸出數(shù)字信號(hào)和時(shí)序信號(hào)。
CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量雖然較CCD的差，像素較低，但是對(duì)于智能車控制已經(jīng)完全足夠了。CMOS傳感器相較于CCD有著以下的優(yōu)點(diǎn)：
1、CMOS圖像傳感器功耗小，一般只需5V電壓即可工作，甚至有3.3V型號(hào)，同時(shí)，CMOS傳感器的電源與系統(tǒng)大多數(shù)芯片和控制電路相兼容，相較與CCD需要12V的電壓需求相比，無需額外升壓電路，簡(jiǎn)化了電路，提高了可靠性。
2、CMOS數(shù)字圖像傳感器由于體積小，所以可以將感光陣列與信號(hào)處理電路集成在一起。比如AD，時(shí)序信號(hào)分離電路等。這樣最大的優(yōu)點(diǎn)就是CMOS攝像頭可以直接輸出并行數(shù)字信號(hào)與時(shí)序信號(hào)，無需額外AD轉(zhuǎn)換和專門的時(shí)序分離電路。由于集成了信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，CMOS攝像頭還可以通過I2C/SCCB總線進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如調(diào)整亮度，對(duì)比度等等。且集成后的攝像頭相比于CCD對(duì)整車的重心影響較小。
（1）CMOS 模擬攝像頭
模擬攝像頭以型號(hào)OV5116為例，攝像頭具體資料如下所述：
1) 需要穩(wěn)定的5V電壓供電，和系統(tǒng)板上的供電電源兼容。
2) NTSC制式60Hz，每秒30幀，一幀兩場(chǎng)，最高像素為320×240，有240行，一行有320個(gè)點(diǎn)。
3) 視野和可視距離：根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，f=3.6MM時(shí)視野應(yīng)該有90度左右，f越大視場(chǎng)越小�？梢暰嚯x需要調(diào)節(jié)安裝角度和高度。
4) 集成 LM1881，直接輸出 VS 場(chǎng)同步信號(hào)、HS 行同步信號(hào)，省去了外加同步信號(hào)分離電路，方便實(shí)用。
如果用 S12 單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換， 數(shù)據(jù)量大， 而且需要大大提高 MC9S12XS128單片機(jī)的 A/D 采樣頻率，這樣會(huì)就需要 MC9S12XS128 超頻使用，造單片機(jī)負(fù)荷嚴(yán)重和系統(tǒng)不穩(wěn)定。
因此可以選擇不進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，而是采用直接的圖像數(shù)據(jù)硬件二值化，這樣做，一是可以大大減輕單片機(jī)負(fù)荷，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；二是采用 S12 的輸入捕捉功能，捕捉行中斷信號(hào)，再用 I/0 口采集已經(jīng)二值化的圖像數(shù)據(jù)，這樣可以使采集到的有用信息更多更精確。并且適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)攝像頭的安裝角度，可以做到提高
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使用紅外傳感器的缺點(diǎn)：由于紅外接收管接受的光線是 940nm 的紅外光，而周圍環(huán)境中也存在著同樣波長(zhǎng)的光線，因此，紅外傳感器比較容易受周圍環(huán)境的干擾，另外紅外傳感器發(fā)出的光線為不可見光，需要借助手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或者專門的眼鏡才能看到光線，這也給調(diào)試帶來了一定的麻煩，而且紅外傳感器前瞻不遠(yuǎn)，一般在 20-45cm 之間，這也是越來越多高校學(xué)生淘汰紅外傳感器而使用激光傳感器的重要原因之一，但是無論如何，紅外傳感器作為一種入門的傳感器，其容易操作，價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)是無可比擬的。
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發(fā)射部分，經(jīng)過調(diào)制管，便輸出 180khz 的頻率，經(jīng)過三極管 8050 放大之后驅(qū)動(dòng)發(fā)射管， 使發(fā)射管以 180KHZ 的頻率， 20%-30%的占空比發(fā)射出 650nm 的光線，照射到賽道后，黑線和白板反射回來的信號(hào)有區(qū)別，接收管接收到不同的反射信號(hào)，輸出高和低電平，由單片機(jī)識(shí)別，從而達(dá)到識(shí)別路徑的功能。 （常態(tài)低電平的接收管，黑線對(duì)應(yīng)輸出的是高電平 0.1v，白板輸出的是高電平 4.9v）
調(diào)制管的作用是制出 180khz 的頻率， 我們同樣可以使用單片機(jī)代替， 用 PWM調(diào)制同樣頻率，同樣占空比的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)發(fā)射管。另外使用三極管驅(qū)動(dòng)的信號(hào)一般情況下能夠驅(qū)動(dòng) 1-2 個(gè)發(fā)射管，發(fā)射管的額定電壓一般是在 3v，額定電流是20mA左右。 使用三極管放大后發(fā)射管兩端的電壓正常范圍是在1.1-1.4v左右 （這里是因?yàn)榻?jīng)過了調(diào)制，所以用數(shù)字電表測(cè)出來的電壓也就在這個(gè)范圍內(nèi)，如果用示波器測(cè)波形，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，最高電平已經(jīng)到達(dá) 3v 左右了） 。 接下來我們看看電路中的接收部分，在這里要提醒大家注意的是，接收管為什么要上拉 4.7k 左右的電阻呢？這是因?yàn)椋绻唤由侠娮�，�?huì)引起邏輯混亂。就是說如果不接這個(gè)上拉電阻，會(huì)出現(xiàn)無論照到黑的還是白的，接收管內(nèi)部沒有上拉功能，所以總是輸出一個(gè)電平。上拉電阻旁邊的指示燈，起指示作用，讓我們比較直觀看到接收管接收回來的信號(hào)明顯的變化；另外，接收管的電源兩端必須接瓷片電容 104，學(xué)過高頻電路的同學(xué)都應(yīng)該知道，這個(gè)電容是必須的，陶瓷小電容在高頻電路中也是經(jīng)常使用到的。
看完了三極管放大， 下面我們來看看另外一種激光接法， 接收管的接法相同，在發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)上，采用的是使用反相器 74LS04 來驅(qū)動(dòng)放大調(diào)制管調(diào)制后的信號(hào)，下面是電路圖：
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2018-6-3 02:41 上傳
圖3.12 反相器放大的激光線路圖
原理是差不多的，然而這種電路的接法有一個(gè)好處，就是可以使用一個(gè)調(diào)制管來驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)射管。只要把調(diào)制管的信號(hào)輸入到反相器的六個(gè)輸入端即可，而且驅(qū)動(dòng)力超強(qiáng)，光點(diǎn)亮度比三極管驅(qū)動(dòng)的要強(qiáng)很多，這是提高大前瞻的保障。一個(gè)反相器可以接多個(gè)發(fā)射管， 而一個(gè)調(diào)制管可以接到多個(gè)反相器， 其他原理相同，這里就不多說了。
看到這里相信大家對(duì)激光基本上就有了一個(gè)認(rèn)識(shí)了，在這個(gè)基礎(chǔ)上，再多多嘗試就能夠駕馭激光了。
掌握了激光之后，有些同學(xué)可能會(huì)想將一個(gè)激光接收管當(dāng)多個(gè)接收管使用，這該怎么做呢，可以使用分時(shí)發(fā)射，一個(gè)接收管對(duì)應(yīng)多個(gè)發(fā)射管，不同時(shí)間段接收到不同發(fā)射管發(fā)出的光線，就可以將一個(gè)接收管當(dāng)做多個(gè)接收管使用，說到分時(shí)發(fā)射，可以使用三極管做開關(guān)作用，或者使用場(chǎng)效應(yīng)管起開關(guān)作用，也可以使用譯碼器（比如 74LS138） ，至于使用哪種比較好，是見仁見智，只要你自己用的習(xí)慣就可以了。
4、電磁組方案
（1）工型電感傳感器
工字型電感能夠較好、較靈敏地反應(yīng)當(dāng)前的各種交流信息，另外它還能通過不同的傾角獲得較好的前瞻。缺點(diǎn)是：質(zhì)量較大，影響小車的轉(zhuǎn)彎性能。
（2）色環(huán)電感傳感器
色環(huán)電感的體積較小，適合做多排傳感器方案。缺點(diǎn)是：相同的條件下感應(yīng)回來的電流較小。
（3）硬件設(shè)計(jì)
1)放大電路。如果你想要自己的傳感器在你想要的高度上，水平平移時(shí)能有著較好的線性變化，那么你必須選擇一個(gè)適合自己傳感器的放大電路，即調(diào)整放大倍數(shù)，使傳感器在相應(yīng)高度上水平移動(dòng)時(shí)的反饋信號(hào)是線性變化的。根據(jù)官方網(wǎng)上提供的放大電路，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下的電路：
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有人選用運(yùn)放芯片做自己的放大電路的， LM386 是一種不錯(cuò)的選擇，具體的電路可根據(jù)自己的需求進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。
2）傳感器排布。要想自己的傳感器有著更多的道路信息，就要在傳感器排布上下一定的功夫，個(gè)人覺得兩排傳感器采集的道路信息是足夠控制整部車的。 第一排為 5 個(gè)電感，伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為 40cm,其中水平電感為色環(huán)，主要用于反饋道路水平信息，豎直的為工字型電感，主要用于直道進(jìn)入彎道和檢測(cè)十字交叉，如圖所示：
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而第二排只需要兩個(gè)水平擺放的工字型電感就已經(jīng)足夠： 當(dāng)?shù)谝慌艁G失信號(hào)時(shí)采用第二排就行小車的控制。 （此方案僅供參考） 另外說明：如果智能車第一排電感有前瞻的話，那么車的支架長(zhǎng)度就不必加到 80cm甚至更大。其實(shí)，電磁想做前瞻的話，不能單單靠加長(zhǎng)支架的長(zhǎng)度，還得采用工字型電感及45度的電感擺放， 這樣40cm的車就可以做到60cm的前瞻，同時(shí)加上第二三排的電感的應(yīng)用及運(yùn)用攝像頭多行多列的思想， 就可以進(jìn)行舵機(jī)轉(zhuǎn)角的微調(diào)，并且能完全做到小 S 直沖，大 S 當(dāng)做小 S 處理，速度就可以達(dá)到光電組甚至攝像頭組的速度。
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