无人驾驶怎么识别红绿灯 [能识别红绿灯的无人驾驶系统]
第八届重庆市大学生“合泰杯” 单片机应用设计竞赛作品创意书
能识别红绿灯的无人驾驶系统
重庆师范大学涉外商贸学院
电子科学与技术
（新能源与汽车电子）
指导老师：吴笔迅
参赛学生：贺 银
王 宇
付 舒
李 玉
团队编号：20150092
作品创意书
一． 摘要
随着科技的飞速发展，智能时代已如约而至了。在此契机下汽车的智能化将成为未来汽车行业发展的必然趋势。这对智能小车既是机遇又是挑战，我们将基于盛群HT66F50单片机设计一款红绿灯自检智能小车，该车利用传感器原理, 红外线发射技术与超声波检测技术对智能小车的运行状态进行检测，并进行反馈。再由单片机对驾驶系统的运行状态实时做出反应，控制小车按原设想行驶。本设计将以智能识别红绿灯为主，自动循迹、灯光自检和全程语音提醒为辅，从而达到智能行驶的效果。
二、作品介绍：
本作品在以往智能小车的基础上，增加了自己独特的功能——自动检测红绿灯系统、车灯自启技术和全程语音提醒。达到了“人无我有，人有我优”的效果，最终以“智能识别红绿灯为主体，自动循迹、灯光自启和巧妙避开障碍物为辅助”成功实现了智能行驶。该技术主要以单片机作为核心，来控制小车的智能行驶。 首先模拟生活中的红绿交通灯系统，利用颜色传感器能识别颜色原理来检测红绿灯。单片机通过控制颜色传感器，让小车自动检测红绿灯并把识别出的数据反馈给核心单片机，再由单片机发出控制指令，使之遵守“红灯停、绿灯行”的交通规则，从而实现智能行驶，达到无人操纵轻松通过十字路口的状态。 其次，为了保证智能小车不偏离轨迹，本作品附带了自动循迹功能。该功能通过单片机控制红外发射接收对管，再利用红外发射接收对管检测路面上的轨迹。从而控制驱动轮子，来实现智能小车的自动循迹。
此外本作品还模拟智能小车进入隧道，通过检测光线强度来判断是否适合开启照明灯！利用超声波碰到杂质等障碍物时会产生显著反射回波的原理巧妙的避开障碍物，最终实现安全、智能行驶。
本作品未曾发表，全部由学生自行讨论创作。
三、装置硬件框图及主要功能的方案设计
本红绿灯识别无人驾驶系统采用盛群HT66F50作为主控制CPU ，它内部集成了4MHZ 、8MHZ 和12MHZ 时钟，可提供PWM 产生功能。它是一款具有8位高性能
精简指令集的flash 单片机。它可以在不同的工作模式之间动态切换，从而优化了单片机操作，同时也降低了功耗，并且HT6F50提供了Pin Remapping功能，允许一个引脚可以选择不同的功能，对于我们这个多功能的智能红绿灯识别无人驾驶系统意义重大。除此之外，这款单片机包含一个多通道12位A/D转换器和双比较器功能。
本作品硬件框图如图1所示：
图1 本作品硬件框图
根据设计要求，该红绿灯识别系统可分为十大模块：
1) 单片机控制模块；
2) 红绿灯模块；
3) 循迹模块；
4) 灯光模块；
5) 语音模块；
6) 障碍模块；
7) 电源模块；
8) 驱动模块；
9) 转向模块；
10) 跑道模块；
（一） 红绿灯识别方案设计
方案一：利用摄像头采集图片，送入到单片机系统中，利用图像识别算法，分析R 、G 、B 3个颜色通道独立的光强和灰度光强，最终通过标定计算出颜色二维直方图，并通过查表确定颜色值。该方案测量结果准确，信息量大，抗干扰能力强，但是图像处理困难，计算量大，占用大量MCU 时间，对于单片机很难实现。
方案二：利用TCS3200D 芯片，传感器TCS3200D 是TAOS 公司推出的可编程彩色传感器，TCS3200D 采用8引脚的SOIC 表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管，这些二极管分为四种类型，其16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。TCS3200D 工作时，可以分别得到蓝色、绿色、红色光强和灰度值。该方案成本低，测量方便，计算量小，非常适合运算能力不高的单片机设计。
经过综合考虑，本作品选用方案二。
四、作品主要功能与特色
1、 智能检测红绿灯，遵守“红灯停，绿灯行”的交通规则。我们采用TCS3200D 芯片，TCS3200D 是TAOS 公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微处理器连接。通过单片机接收颜色传感器的输出信号，实时监测路边红绿灯的变化，从而实现正确的判断。
2、 自动循迹，巧妙避开障碍物。小车通过单片机控制红外信号接收器，感应路面上的颜色轨迹，从而沿着设定的线路进行自动导航，并利用超声波进行检测前方障碍物，智能的做出判断，实现安全驾驶。
3、 光线自检并智能判断是否适合开启车灯，利用光敏电阻对环境的光照强弱进行采样，把采集来的信号转换光线参数，再通过单片机判断是否开灯，并输出PWM 信号控制灯光的光照强度，从而来轻松实现自动开关灯。
4、全程语音提醒，我们选用有60秒录时间的语音芯片ISD1760，它可实现语音分段录音与随机组合放音。首先我们会把常见的状态及出现的情况记录下来，在行驶过程中，通过单片机控制各种设备，在出现预定的情况时，准确的播报提醒，实现轻松的问候，友好的提醒，真诚的祝福。
五．作品结构
5.1、单片机控制模块设计
电路如图2所示：
图2 主控单片机模块
由于HT66F50单片机的内部集成了4MHZ 、8MHZ 和12MHZ 时钟，所以它的外围时钟电路就不需要考虑，只需要一个 0.1μF 的电解电容和一个 100k 的电阻组成复位电路，接至单片机的PB0管脚。
5.2、障碍检测模块电路设计
电路如图3，图4所示：
图3 超声波发射电路
图4 超声波接收电路
图3为超声波发射电路，利用单片机作用于发射电路，通过LM386芯片放大信号，从而产生一定频率的超声波。图4是超声波接收电路，当在小车前面有障碍物时，US_R1可以接收到约定频率的超声波信号，然后将信号整合并发送到单片机内，并通过驱动芯片作用于驱动轮。
5.3、车灯模块
电路如图5所示：
图5 车灯模块
图中的D1为光敏二极管，把检测到的光信号转变成电信号，通过PA1和PA2输入到单片机以内，把模拟车灯D2接到单片机PA3上，再通过单片机做判断是否开启模拟车灯D2。
5.4 自动循迹模块电路设计
电路如图6所示：
图6 自动循迹模块
我们采用3路循迹检测，利用红外采集模块中的红外发射接收对管检测路面上的轨迹，将轨迹信息通过放大器放大，发送到单片机，单片机采用模糊推理求出转向的角度和行走速度，然后去控制行走部分，最终使智能小车可以按照路面上的轨迹运行。
5.5 红绿灯识别模块电路设计
电路如图7所示：
图7 红绿灯自动识别模块
TCS3200D 是TAOS 公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微处理器连接。我们把S0和S1接+5V电源，使其置于高电平，OE 反是频率输出使能引脚，通过S3和S2的电平组合来逻辑判断被测灯光的颜色。
5.6、驱动模块电路设计
电路如图8所示：
图8 电机驱动模块
采用PWM （Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制）驱动方法，占空比越大，电机的速度越快，因此我们的电机驱动芯片采用L298N ，使用两路pwm 信号分别驱动左右轮，以实现前进、后退、减速、以及转向等控制。
5.7、跑道模块设计
图9 模拟跑道设计
整个跑道采用KT 板制作，在跑道上加白色的边界色，以便于小车自动循迹，并在跑道上装上模拟的红绿黄交通灯，用定时芯片实现对红绿灯的变换控制。在跑道上模拟道路里加上隧道，弯道等各种复杂的行驶条件。
5.8、电源模块
本作品选用两个3.7V 锂电池，其特点是体积小，重量轻。更重要的是，锂材料无任何有毒有害物质，被世界认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中均无污染。
六．软件部分
本作品采用HT66F50单片机作为主控CPU ，通过采集各个模块反馈的环境参数做出相应的控制，具体流程如下：
图10 程序流程图之一
图11 程序流程图之二
七．作品市场前景：
现在市场上有类似的智能小车，但诸如此类小车的功能较为单一，大体上只能定点定向行驶，并没有检测红绿灯的技术，因此技术还不够完善，“智能”程度还不够高，并且选材较昂贵，导致产品市场价格较高。而该款小车突破原有技术，添加了智能检测红绿灯系统和自动导航技术，从而实现了小车的智能行驶，达到了“人有我忧，人无我有”的效果，并且选材更优，较之有更高的性价比。
近年来随着机动车数量不断增加，交通事故也越来越多，闯红灯的更是不胜枚举，这不仅造成了无数的人生悲剧，而且给国民经济造成了不可估量的损失。根据我们的调查得出这样的结论：造成交通事故的一个重要原因就是驾驶员不遵守交通规则，不正确遵守交通灯。因此本红绿灯自动识别系统的设计对减少交通事故有很大的现实意义和实用价值。
不仅如此，该款小汽车将结合未来汽车发展趋势，将智能化、人性化、安全稳定等优点集于一体，实现真正意义上的智能，为人们的出行提供更大的方便，并且让更多无驾驶能力的人们实现驾车梦。
参考文献：
[ 1 ]张齐，杜群贵 单片机应用系统设计技术 北京 清华大学出版社 2006.8
[ 2 ]严薇敏，吴伟民 数据结构（C 语言版） 北京 清华大学出版社 2013.4 .
[ 3 ]龚华生 实用电路创意制作自学通 北京 电子工业出版社 2006.12
[ 4 ]余孟尝 数字电子技术基础简明教程 北京 高等教育出版社 2006:5.
[ 5 ]吕勇军 传感器技术实用教程 北京 机械工业出版社 2011：9.
[ 6 ]李朝青 单片机原理与接口技术 北京 北京航空航天大学出版社 2005:5.