飛思卡爾競賽攝像頭組睿思二隊

1、第八屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽技 術(shù) 報 告 關(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第八屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名：方根在 鐘旭輝 李峰帶隊教師簽名：黎福海日 期：2013-08-3摘要本文以第八屆全國大學(xué)生智能車競賽為背景，利用freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位單片機mk60dn512zvlq10和攝像頭的配合來

2、實現(xiàn)自動識別道路，讓賽車可以在特定的跑道上行駛。通過攝像頭的成像原理，把它采集的數(shù)據(jù)通過電子線路傳送到單片機，在單片機內(nèi)計算出賽車面對的道路，選擇最優(yōu)行進路線，并采用優(yōu)化后的模糊控制策略使賽車能夠快速安全的行駛。此系統(tǒng)是一個軟硬件與機械相結(jié)合的復(fù)雜整體，其中硬件主要包括電源管理模塊、電機驅(qū)動模塊，速度測量模塊、輔助調(diào)試模塊、圖像采集處理模塊、舵機控制模塊和單片機模塊等；軟件需要解決單片機初始化程序、速度測量程序、速度設(shè)定程序、速度控制程序、舵機控制程序、圖像識別程序等方面的內(nèi)容，另外，本屆比賽對機械的改進和創(chuàng)新也成為提高速度必不可少的組成部分。關(guān)鍵詞：freescale、單片機、攝像頭、機械設(shè)

3、計abstractin the background of the 8th national intelligent car contest for college students, using the 32-bit mcu mk60dn512zvlq10 produced by freescale semiconductor company and the camera to identify the road automatically, so that cars can run fast safely on the specific runway through the cameras

4、 imaging principle, we have the collected data transmitted to the mcu through the electronic circuit in the mcu, the car can know the road in front of it through the program that we design. and then it can choose its own path, decide the speed and ensure safe driving the system is a complicated comb

5、ination of hardware, software and the mechanism structure adjustment， the hardware circuit include the problem about the power management module, motor driver module, the speed of measurement module, auxiliary debugging module, image acquisition and processing module, steering control modules and si

6、ngle-chip module and about the software side, we need to address the single-chip initialization programs, the speed of measurement programs, the speed set-up programs, speed control programs, steering control programs, recognition of image and so on, besides improving and innovating of the mechanism

7、 structure adjustment will be one of the most important thing to improve speed in this contest. key words: mk60dn512zvlq10, freescale, mcu, camera, machine design目 錄第一章 引言11.1背景介紹11.2賽車總體介紹1 1.2.1智能車技術(shù)參數(shù)1 1.2.2智能車硬件電路2 1.2.3智能車軟件設(shè)計31.3本章小結(jié)5第二章 賽車機械結(jié)構(gòu)介紹和改進62.1驅(qū)動選擇62.2轉(zhuǎn)向輪調(diào)整72.2.1轉(zhuǎn)向輪調(diào)整72.2.2舵機安裝92.3驅(qū)動輪

8、調(diào)整92.4其他調(diào)整102.4.1重心調(diào)整102.4.2其他調(diào)整102.5本章小結(jié)10第三章 硬件設(shè)計113.1電源設(shè)計113.2傳感器選型123.2.1傳感器的供電電路123.2.2電機驅(qū)動電路133.3電路設(shè)計143.3.1電源電路143.3.2傳感器的信號處理153.4系統(tǒng)電路板的固定163.5速度測量模塊173.6本章小結(jié)17第四章 軟件設(shè)計184.1圖像信號處理184.1.1圖像信號采集184.1.2圖像信號處理194.2轉(zhuǎn)向控制策略234.3速度控制策略234.4軟件流程圖244.4.1主函數(shù)流程圖244.4.2行中斷流程圖254.4.3場中斷流程圖264.5本章小結(jié)26第五章 開

9、發(fā)與調(diào)試275.1軟件開發(fā)平臺275.2手動設(shè)置單元285.3狀態(tài)指示單元28第六章 總結(jié)與展望29參考文獻30附錄一：電路原理圖31 1核心控制電路312電機驅(qū)動電路33附錄二：程序源代碼34第一章 引言第一章 引言1.1背景介紹現(xiàn)在半導(dǎo)體在汽車中的應(yīng)用原來越普及，汽車的電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 號文)，高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽，他以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。參賽選手須使用競賽秘書處統(tǒng)一指定并負責(zé)采購競

10、賽車模，自行采用32位微控制器作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機控制等，完成智能汽車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點參加場地比賽。參賽隊伍之名次（成績）由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間為主，技術(shù)方案及制作工程質(zhì)量評分為輔來決定。我校在歷屆“飛思卡爾”杯智能汽車比賽都取得了一定的成績。在總結(jié)了往屆的經(jīng)驗和不足后，我們在此基礎(chǔ)上重新備戰(zhàn)第八屆大賽。往界的經(jīng)驗是以穩(wěn)為主，我們在此基礎(chǔ)上，大膽嘗試，穩(wěn)中求快，在電路設(shè)計上務(wù)求穩(wěn)定，問題早發(fā)現(xiàn)早解決。在已經(jīng)成熟的技術(shù)上做的更加完善和穩(wěn)定，并對車模的機械結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的改進與創(chuàng)新，使賽車

11、在穩(wěn)定的前提下能夠更快的完成比賽。1.2賽車總體介紹1.2.1 智能車技術(shù)參數(shù)此次比賽選用的b型賽車車模，采用反向行駛方式，即驅(qū)動輪在車身前側(cè)而轉(zhuǎn)向輪在車身后側(cè)，因此重心位置以及機械性能與往屆有所不同，具體車模數(shù)據(jù)如表1.1：表1.1 賽車主要技術(shù)參數(shù)項目參數(shù)路徑檢測方法（賽題組）攝像頭組車模幾何尺寸（長、寬、高）（毫米）28.75cm/16.6cm/7cm前后輪軸離地間隙0.75cm/1.65cm 電機型號 rs-540電機轉(zhuǎn)速20000r/min電路電容總量（微法）1824f傳感器種類及個數(shù)攝像頭/1 速度傳感器 /1 陀螺儀/1伺服器型號（舵機） s-d5電池 7.2v/2000mah賽

12、道信息檢測頻率（次/秒）60車模重量1.5kg賽道檢測精度3mm（近端）、120mm(遠端)1.2.2智能車硬件電路我們團隊采用攝像頭進行道路識別，賽車的硬件電路主要有七個部分組成：mk60dn512zvlq10單片機，陀螺儀檢測模塊，速度檢測模塊，電機驅(qū)動模塊，舵機驅(qū)動模塊，電源管理模塊，輔助調(diào)試模塊。(1) mk60dn512zvlq10單片機是系統(tǒng)的核心部分，負責(zé)接收賽道圖像數(shù)據(jù)，賽車速度等反饋信息，并對這些信息進行恰當?shù)奶幚?，形成合適的控制量來對舵機與驅(qū)動電機進行控制。 (2) 陀螺儀檢測模塊，是用來檢測賽道中出現(xiàn)的坡道和障礙物； (3)速度檢測模塊，通過編碼器讀取轉(zhuǎn)速值，實現(xiàn)道路的閉

13、環(huán)控制。(4)電機驅(qū)動模塊，可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。(5)舵機驅(qū)動模塊控制舵機的轉(zhuǎn)向。(6)電源管理模塊給整個系統(tǒng)供電，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。(7)輔助調(diào)試模塊有jlink、串口通信等，主要用于賽車系統(tǒng)的程序燒寫，功能調(diào)試和測試，賽車狀態(tài)監(jiān)控，賽車系統(tǒng)參數(shù)和運行策略設(shè)置等方面。本賽車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖1.2mcu賽道信息速度信息電機控制舵機控制輔助調(diào)試圖1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖1.2.1 智能車軟件設(shè)計系統(tǒng)硬件對于賽車來說是最基礎(chǔ)的部分，軟件算法則是賽車的核心部分。如果把一輛車和一個人做個類比的話，我們可以說，賽車的硬件結(jié)構(gòu)相當于人的身體;賽車的軟件算法相當于人的思想。只有“身體健康，思想進步”，

14、才會取得好成績。所以軟件系統(tǒng)對于賽車來說至關(guān)重要。首先，賽車系統(tǒng)通過圖像采樣處理模塊獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，同時通過速度傳感器模塊實時獲取賽車的速度。然后k60 利用邊緣檢測方法從圖像數(shù)據(jù)中提取賽道黑線，求得賽車于黑線位置的偏差，接著采用pid 方法對舵機進行反饋控制，并在pid算法的基礎(chǔ)上，整合加入模糊控制算法，有利于對小車系統(tǒng)的非線性特性因素的控制。最終賽車根據(jù)檢測到的速度，結(jié)合我們的速度控制策略，對賽車速度不斷進行恰當?shù)目刂普{(diào)整，使賽車在符合比賽規(guī)則情況下沿賽道快速前進。設(shè)計賽車系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。圖1.3 系統(tǒng)的軟件方框圖1.3 本章小結(jié)本章主要介紹了大賽的背景和賽車整體結(jié)構(gòu)

15、設(shè)計的概述，硬件，軟件和機械部分的有效融合是賽車能否跑出好成績的關(guān)鍵因素。賽車采用組委會統(tǒng)一提供的車模，由控制處理芯片mk60dn512zvlq10，陀螺儀模塊，速度傳感模塊，舵機驅(qū)動模塊，電機驅(qū)動模塊和輔助調(diào)試模塊組成，通過圖像采集、黑線提取、速度控制等環(huán)節(jié)使賽車在規(guī)則下沿賽道快速前進。- 28 -第三章 硬件設(shè)計 第二章 賽車機械結(jié)構(gòu)介紹和改進本屆比賽使用的是b型車模，并且采用反向行駛的方式，因此在原有車?；菊{(diào)整(如前后輪調(diào)整，重心調(diào)整，傳動調(diào)整等)的基礎(chǔ)上，要想使車能夠更快的行駛就必須對其本身的各種結(jié)構(gòu)進行必要的改進和優(yōu)化，尤其是各部分的差速的調(diào)整，更成為車模機械好壞的重要部分。2.1

16、 驅(qū)動選擇 2.2 轉(zhuǎn)向輪調(diào)整2.2.1 轉(zhuǎn)向輪調(diào)整輪定位包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束四個內(nèi)容。車輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛和轉(zhuǎn)向輕便，并減少汽車在行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機件的磨損。如圖2.3圖2.3前輪定位原理圖（1）從車前后方向看輪胎時，主銷軸向車身內(nèi)側(cè)傾斜，該角度稱為主銷內(nèi)傾角。當車輪以主銷為中心回轉(zhuǎn)時，車輪的最低點將陷入路面以下，但實際上車輪下邊緣不可能陷入路面以下，而是將轉(zhuǎn)向車輪連同整個汽車前部向上抬起一個相應(yīng)的高度，這樣汽車本身的重力有使轉(zhuǎn)向車輪回復(fù)到原來中間位置的因而舵機復(fù)位容易。此外，主銷內(nèi)傾角還使得主銷軸線與路面交點到車輪中心平面與地面交線的距離減小

17、，從而減小轉(zhuǎn)向時舵機的拉力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時也可減少從轉(zhuǎn)向輪傳到舵機上的沖擊力。但主銷內(nèi)傾角也不宜過大，否則加速了輪胎的磨損。 （2）從側(cè)面看車輪，轉(zhuǎn)向主銷(車輪轉(zhuǎn)向時的旋轉(zhuǎn)中心)向后傾倒，稱為主銷后傾角。設(shè)置主銷后傾角后，主銷中心線的接地點與車輪中心的地面投影點之間產(chǎn)生距離(稱作主銷縱傾移距，與自行車的前輪叉梁向后傾斜的原理相同)，使車輪的接地點位于轉(zhuǎn)向主銷延長線的后端，車輪就靠行駛中的滾動阻力被向后拉，使車輪的方向自然朝向行駛方向。設(shè)定很大的主銷后傾角可提高直線行駛性能，同時主銷縱傾移距也增大。主銷縱傾移距過大，會使舵機沉重，而且由于路面干擾而加劇車輪的前后顛簸。（3）從前后方向看車輪

18、時，輪胎并非垂直安裝，而是稍微傾倒呈現(xiàn)“八”字形張開，稱為負外傾，而朝反方向張開時稱正外傾。前輪外傾角對汽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱“外八字”，如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這個角度約在1左右。（4）腳尖向內(nèi)，所謂“內(nèi)八字腳”的意思，指的是左右前輪分別向內(nèi)。采用這種結(jié)構(gòu)目的是修正上述前輪外傾角引起的車輪向外側(cè)轉(zhuǎn)動。如前所述，由于有外傾，舵機轉(zhuǎn)向變得容易。另一方面，由于車輪傾斜，左右前輪分別向外側(cè)轉(zhuǎn)動，為了修正這個問題，如果左右兩輪帶有向內(nèi)的角度，

19、則正負為零，左右兩輪可保持直線行進，減少輪胎磨損。見圖2.3圖2.3前輪約束示意圖2.2.2 舵機安裝舵機轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改變舵機的安裝位置，而并非改變舵機本身結(jié)構(gòu)的方法可以提高舵機的響應(yīng)速度。分析舵機控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵機轉(zhuǎn)向條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這相當于增大力臂長度，提高線速度。針對上述特性，我們采用“長連桿”方式將舵機放在前面，大大的增加了舵機的力臂，如圖2.4 圖2.3舵機安裝方式(1) 改變了舵機的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏； (2) 舵機安裝在了正中央，使左右轉(zhuǎn)向基本一致

20、； (3) 增加前輪下壓力，從而提高了前輪的抓地力，當然這樣也加重了舵機負載易。 2.3 驅(qū)動輪調(diào)整差速機構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。當車輛在正常的過彎行進中 (假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，此時4 個輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序為：外側(cè)前輪外側(cè)后輪內(nèi)側(cè)前輪內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。后輪差

21、速的調(diào)整主要是調(diào)整差速器中差速齒輪的咬合程度，差速的松緊與自己所要求的速度相匹配，已達到自己想要的狀態(tài)。2.4 其他調(diào)整2.4.1車體重心調(diào)整車體重心位置對賽車加減速性能、轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性都有較大影響。重心調(diào)整主要包括重心高度和前后位置的調(diào)整。理論上，賽車重心越低穩(wěn)定性越好。因此除了攝像頭裝得稍高以外，其他各個部件的安裝高度都很低。除此之外，車輛重心前后方向的調(diào)整，對賽車行駛性能也有很大的影響。根據(jù)車輛運動學(xué)理論，車身重心前移，會增加轉(zhuǎn)向，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度（因為大部分重量壓在前輪，轉(zhuǎn)向負載增大），同時降低后輪的抓地力，影響加減速性能；重心后移，會減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會增加

22、，提高加減速性能。因此，確定合適的車體重心，讓車模更加適應(yīng)比賽賽道是很關(guān)鍵的。今年我們賽車在車體中心位置上有了很大改革，將攝像頭安裝在車體靠后位置，這樣使得賽車的重心后移，極大地增加了賽車的轉(zhuǎn)向靈活度。2.4.2其他調(diào)整除以上主要機械調(diào)整外，還包括攝像頭的安裝、電池的的安裝、系統(tǒng)板的安裝以及一些機械結(jié)構(gòu)的微調(diào)。這主要跟所用的電路大小等有關(guān)，其中驅(qū)動電機的螺絲一定要上緊，并要經(jīng)常檢查，一旦在行駛中松動就會造成零件的損壞。盡量使車輛的重心放低，減少小車行駛過程中的震蕩。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了賽車各個部分的機械結(jié)構(gòu)。機械機構(gòu)對于整車的性能至關(guān)重要，只有在較好的機械結(jié)構(gòu)的前提下，控制算法才能發(fā)

23、揮出其應(yīng)有的效果?？偠灾?，調(diào)整舵機安裝時以最大相應(yīng)速度、較低負載為目標，至于放置位置則根據(jù)整車的重心調(diào)整決定，前輪和后輪差速則需在轉(zhuǎn)彎性能和加減速性能之間權(quán)衡，齒輪傳動機構(gòu)和速度傳感器安裝則以較低的電機負載和適當?shù)凝X輪嚙合度為目標，除了以上部分的調(diào)整外，還可對主懸架彈簧松緊和底盤高度進行適當調(diào)整，通過增加避震彈簧的剛性、降低底盤高度、調(diào)整齒輪間隙，改善了賽車的行駛表現(xiàn)。 對各個部件的調(diào)整需從整車的角度考慮，不能各個擊破，需要相互協(xié)調(diào)、取舍。第三章 硬件設(shè)計3.1電源設(shè)計小車電源系統(tǒng)如下圖所示。7.2v電池電機舵機電平轉(zhuǎn)換mcu3.3v穩(wěn)壓5v穩(wěn)壓5v穩(wěn)壓 圖3.1 電源框圖 3.2傳感器選型

24、市場上容易買到的攝像頭有 pc 用的 usb 攝像頭，安防系統(tǒng)上使用的模擬輸 出的單板攝像頭，以及數(shù)字輸出的攝像頭模塊和感光芯片。若使用 usb 攝像頭，雖然價格低廉，但是需要增加 usb 接口芯片，并需要 充分了解其內(nèi)部協(xié)議，增加了實現(xiàn)的復(fù)雜度。因而不考慮使用 usb 攝像頭。若使用模擬輸出的攝像頭，可采用專用的視頻處理芯片對信號進行數(shù)字化。 例如，可以使用 lm1881m 對 pal 制模擬信號實現(xiàn)行、場同步信號分離?？梢允?用專用的視頻 a/d 轉(zhuǎn)換器，如 xrd4460a，對模擬信號進行采集。因為多用于安 防系統(tǒng)，模擬攝像頭的成像質(zhì)量好，邊沿銳利，對比度高。使用模擬攝像頭帶 來的問題是

25、需要增加額外的硬件電路，容易受外界的干擾，因而對電路設(shè)計的 要求也相對高一些若使用數(shù)轉(zhuǎn)換，直接輸出量化的圖像信號，不需要再增加額外的硬件設(shè)備，簡化了字輸出的攝像頭，則可以由感光芯片中的處理器預(yù)先進行 a/d硬件設(shè) 計，減輕了重量，提高了設(shè)計的可靠性。和模擬攝像頭相比，數(shù)字攝像頭的重 量相差不大，而與 dsc 的接口更簡單，使用起來更為方便。綜合上面的分析，市場上的攝像頭不能滿足我們的需求，因此我們自行研發(fā)一款攝像頭，如下圖所示。圖 3.2數(shù)字攝像頭3.2.1傳感器的供電電路我們選用的圖像傳感器需要使用3.3v供電，故需要通過線性穩(wěn)壓芯片為其 提供一個3.3v的電源。如圖2.2 所示。圖 3.3

26、 攝像頭電源模塊3.2.2傳感器的信號處理數(shù)字攝像頭輸出信號包括圖像信號、幀同步信號、行同步信號。dsp 利用幀 同步信號和行同步信號進行同步，然后對圖像信號進行采集。圖3.4 數(shù)字攝像頭采集的圖像由圖中可以看出，由于安裝角度等原因，采集到的圖像產(chǎn)生了梯形失真， 即離小車較近的地方賽道寬，距離遠的地方賽道窄。因而隨著距離的增加，賽 道分析結(jié)果的可靠性也會逐漸降低。3.3電路設(shè)計3.3.1電源電路在電源上加一個大電容濾波。通過示波器觀察，由于電機啟動時瞬間流過 大電流，會導(dǎo)致電池電壓瞬間被拉低，穩(wěn)壓模塊可能不能輸出穩(wěn)定的電壓，所 以穩(wěn)壓芯片采用低壓差的穩(wěn)壓芯片 tps7350，將 tps7350

27、 配置成不同的輸出即可 得到穩(wěn)定的輸出電壓。圖 2.5 為電源電路，led 用來指示電源狀態(tài)。圖 3.5 電源圖3.6 所示為 7.2v 轉(zhuǎn) 6v 的線性穩(wěn)壓模塊，用來給舵機供電。圖 3.66v 穩(wěn)壓模塊圖 3.7 為 7.2v 轉(zhuǎn) 3v 的線性穩(wěn)壓模塊。圖 3.73.3v 穩(wěn)壓模塊3.3.2電機驅(qū)動電路為了保證驅(qū)動電路的性能，提高設(shè)計的可靠性，我們選用了在比賽中使用 較多的 bts7960 電機驅(qū)動芯片。bts7960 是英飛凌公司制造的大電流電機驅(qū)動芯片，其最大電流為 43a，導(dǎo) 通電阻為 16 毫歐。使用 2 片 bts7960 可以組成一個 h 橋。我們共使用了 4 個 i/o 端口控

28、制 4 片 bts7960 來驅(qū)動 c 車的兩個電機，可以實現(xiàn)電機的正、反轉(zhuǎn)控制。圖 3.8bts7960 芯片框圖電機驅(qū)動電路如下圖所示。圖 3.10bts7960 電機驅(qū)動電路3.4系統(tǒng)電路板的固定及連接利用車模自身的減震支撐，將電路板固定在小車前端。電源使用較粗的導(dǎo)第五章 開發(fā)與調(diào)試 線連接 t 形插頭引入，因此可以有效防止電源接反。傳感器使用排線引入，接插件使用了防反插設(shè)計，保證了連接的可靠性。3.5 速度測量模塊為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運行，需要控制車速，使賽車在急轉(zhuǎn)彎時速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動電機上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機轉(zhuǎn)速，會受很多因素影響

29、，例如電池電壓、電機傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成賽車運行不穩(wěn)定。通過速度檢測，對車模速度進行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運行得更穩(wěn)定。 車速檢測的方式有很多種，例如用測速發(fā)電機、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測、透射式光電檢測和霍爾傳感器檢測。經(jīng)過對去年測速方案和其它學(xué)校方案的比較，本次設(shè)計中速度傳感器采用的是omron公司生產(chǎn)的e6a2-cs100型光電編碼器。它由5-12v的直流供電，速度傳感器用螺釘固定在塑料片上，塑料片固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。速度傳感器通過后輪軸上的齒輪與電機相連，車輪每轉(zhuǎn)一圈，速度傳感器轉(zhuǎn)過2.7

30、5圈。這樣能夠很好的穩(wěn)定工作，且能很準確的得到電機的轉(zhuǎn)速，比較可靠。3.6本章小結(jié)本章主要介紹了整輛車的硬件電路部分，如果說機械結(jié)構(gòu)是賽車的手足的話，那么硬件電路就是它的感官和大腦，所有的反饋都是由它獲得，所有的圖像處理和控制也經(jīng)由它處理。硬件設(shè)計以穩(wěn)定為主，特別是核心控制板，因為為了要提高指令執(zhí)行速度，單片機是通過鎖相環(huán)超頻使用，所以時鐘模塊的電路設(shè)計應(yīng)盡量避免電磁干擾。驅(qū)動電路板設(shè)計則應(yīng)以小內(nèi)阻、大電流為目標，以盡可能提高整車的加減速性能第四章 軟件設(shè)計4.1圖像信號處理4.1.1圖像信號采集圖 4.1 為數(shù)字攝像頭的信號輸出格式。其中 frame_valid 為幀同步信號， line_v

31、alid 為行同步信號，dout(9:0)為圖像信號。圖4.1 視頻信號圖 4.2 同步信號處理cpu利用幀同步和行同步信號對采集過程進行同步。 具體采集過程主要如下。（1）利用外部中斷口irqa和irqb響應(yīng)幀同步信號和行同步信號。（2）當行同步信號來臨時，產(chǎn)生中斷，進入中斷子程進行圖像信號的采集。（3）在行中斷子程中讀取圖像，并對讀取的圖像進行二值化處理，得到賽 道圖像信息。（4）當幀同步信號到來時，進入幀中斷子程序，幀中斷子程序完成圖像采 集的初始化，準備進入下一幅圖像的采集。4.1.2圖像信號處理在采集出圖像信號后需要對其進行處理以提取賽道信息，同時，由于雜點、 交叉線、起跑線、光線、

32、賽道連接處、賽道上的雜物，以及賽道以外圖像的干擾，得到的圖像有很多干擾，軟件上需要排除干擾因素，對有效賽道進行識別， 并提供盡可能多的信息供決策使用。圖像信號處理中提取的賽道信息主要包括：（1） 每一行的賽道中心位置（2） 每一行的賽道寬度（3） 賽道的曲率（4） 賽道的變化幅度由于攝像頭傾斜放置導(dǎo)致的梯形畸變，這使得同一段賽道位于攝像頭視域的不同區(qū)域時(近端、遠端，邊緣、中間)的表征會有所差別。為了還原出真實的賽道信息，我們根據(jù)攝像頭的放置位置、角度等參數(shù)，對圖像進行了梯形失真校正，使得圖像的處理更接近真實空間。圖像信號處理中實現(xiàn)容錯性的算法主要包括以下有效性的驗證:（1） 圖像連續(xù)性判斷（

33、2） 賽道一階、二階連續(xù)性判斷（3） 賽道寬度有效性驗證 圖4.3為小車攝像頭實際拍到的圖像。圖3.4及圖4.5為處理后的圖像和信息。圖 3.3 攝像頭拍到的實際圖像圖 4.4 二值化的結(jié)果visual studio 上位機效果圖4.5 原圖像（573*480）圖4.6 標定并放大后圖像圖4.7 賽道獲取后圖像（包括檢測范圍和檢測到的道路）4.2轉(zhuǎn)向控制策略為了使舵機能更好的對給定的轉(zhuǎn)角值做出響應(yīng)，采用pid調(diào)節(jié)，通過不斷改 變p、i、d三個參數(shù)進行實驗，得到最理想的轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度的一組參數(shù)。選擇合 適的參數(shù)，可以使得在高速時車保持很高的穩(wěn)定性，從而大大消除由于傳感器 帶來的誤差。具體的調(diào)整方式

34、大致為：（1）p環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)向的準確性和快速性相關(guān)；（2）i環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)向的準確性相關(guān)；（3）d環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)向的快速性相關(guān)。另外，由于智能車系統(tǒng)較為復(fù)雜，為非線性系統(tǒng)，因此單一的pid參數(shù)很可能難以滿足實際控制效果需要，因此也可以考慮采用多pid參數(shù)或分段pid參數(shù)的方式來改善控制效果。4.3速度控制策略目前使用采集有效行數(shù)與速度的線性關(guān)系進行速度調(diào)節(jié)，等方向控制調(diào)整好后再加上pid控制模塊，使用編碼器與pid結(jié)合進行速度的控制與穩(wěn)定調(diào)節(jié)。4.4軟件流程圖4.4.1主函數(shù)流程圖如圖 4.9 所示，主函數(shù)完成的功能為等待視頻信號輸入，之后調(diào)用信號處 理函數(shù)對視頻信號進行處理，提取賽道信息并進行分析計算。 圖

35、4.9主函數(shù)流程圖4.4.2行中斷流程圖如圖4.10 所示，行中斷流程圖完成的主要功能是讀入單行的視頻信號。圖4.10 行中斷流程圖4.4.3場中斷流程圖如圖4.11 所示，場中斷完成的主要功能是執(zhí)行輸出，以及變量清零，為下 一場圖像的接收做準備。圖4.11場中斷流程圖第五章 開發(fā)與調(diào)試5.1軟件開發(fā)平臺軟件開發(fā)平臺為code warrior10.2軟件。其使用界面如圖5.1所示。圖 5.1 開發(fā)界面圖5.1所示為codewarrior開發(fā)界面。codewarrior的功能非常強大，可用于絕大部分單片機、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。用戶可在新建工程時將芯片的類庫添加到集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中，工程文件一旦生成

36、就是一個最小系統(tǒng)，用戶無需再進行繁瑣的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代 第五章 開發(fā)與調(diào)試5.2手動設(shè)置單元通過按鍵可以設(shè)定當前工作模式，這樣就可以根據(jù)現(xiàn)場情況決定采用不同 的控制策略。圖 5.2 手動控制按鍵5.3狀態(tài)指示單元為了在調(diào)試過程中指示小車的狀態(tài)，本設(shè)計采用了led 指示燈（如圖4.3所 示）、數(shù)碼管和蜂鳴器。圖 5.3 狀態(tài)指示單元第六章 總結(jié)和展望本文詳細介紹了為第四屆全國智能車大賽而準備的智能車系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)以freescale 32位單片機mk60dn512z作為系統(tǒng)控制處理器，采用基于的攝像頭的圖像采樣獲取賽道圖像信息，通過邊緣檢測方法提取賽道黑線，求出小車

37、與黑線間的位置偏差，采用pid方式對舵機轉(zhuǎn)向進行反饋控制。通過速度傳感器對小車形成速度閉環(huán)控制。 文中介紹了賽車機械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方法，賽車各個主要模塊的工作原理和設(shè)計思路，并敘述了系統(tǒng)開發(fā)過程中所用到的開發(fā)工具、軟件以及各種調(diào)試、測試。 綜合來看，智能賽車分硬件和軟件兩部分。硬件部分主要是賽車的安裝和調(diào)整，以及電路板的設(shè)計。軟件部分是本文的重點，除了基礎(chǔ)工作外，主要分為兩部分：(1)圖像處理 在圖像處理部分，我們只是把黑線的位置提取出來了，并沒有進一步判斷出它的實際意義，也就是說，單片機下一步根據(jù)黑線決定方向和速度的過程和人的思考過程還是有很大差別的。這種模糊的判斷可以保證系統(tǒng)正常工作，是由于我

38、們的跑道比較簡單，一旦面對復(fù)雜的道路信息就不行了。所以在軟件方面可以嘗試向智能化發(fā)展，模擬人的思維，讓系統(tǒng)可以應(yīng)付更加復(fù)雜的道路。(2)車體控制 車體控制主要分為速度控制和舵角控制。速度控制相比去年有了很大進步，更短的控制周期使加減速更及時，也是速度更加平滑。更好的加減速性能使小車在不同賽道跑出響應(yīng)的極限速度。舵機控制關(guān)系到方向的選擇，好的舵機控制不僅要準確循線，還要能夠沿最優(yōu)路線前進。 總結(jié)整個設(shè)計過程，我們學(xué)到了很多，也克服了種種困難，不僅使我們得到了對已有知識進行實踐的機會，更培養(yǎng)了一定的科研能力，拓寬了知識面，尤其是在硬件電路方案的確定過程中，經(jīng)過不斷的反復(fù)試驗，最總確定了現(xiàn)在這套成熟

39、穩(wěn)定的方案。展望未來，智能車技術(shù)必將在更廣闊的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。參考文獻1 王錦標，方崇智.過程計算機控制.北京：清華大學(xué)出版社出版，2003.2 邵貝貝編，單片機嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法.北京：清華大學(xué)出版社，2004.3 卓晴，黃開勝，邵貝貝編著.學(xué)做智能車.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4 national semiconductor .lm1881 video sync separator.national semiconductor， inc，2003.5 freescale semiconductor mc33886，technical data freescale se

40、miconductor，inc，2005.6 motorola mc34063a dc-dc converter control circuits national semiconductor，inc，2003.7 俞斯樂等.電視原理（第五版）.北京：國防工業(yè)出版社，2000.8 孫景琪等.視頻技術(shù)與應(yīng)用.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004.9 孫忠獻.電機技術(shù)與應(yīng)用.福建：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2003.10 王益全.電動機原理與實用技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2005.11 陶永樂編著.新型pid控制及其應(yīng)用（第二版）.北京：機械工業(yè)出版社，2002.12 邁克普瑞德科.機器人控制器與程序設(shè)計.

41、北京：科學(xué)出版社，2004.13 崔屹編著.圖像處理與分析數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法及應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2000.14 阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué).北京：電子工業(yè)出版社，2001.15 章毓晉.圖像處理和分析.北京：清華大學(xué)出版社，1999.16 羅飛.運動控制系統(tǒng).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.17 todd d morton. 嵌入式微控制器.嚴雋永譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.18 (日) 船倉一郎.機器人控制電子學(xué).北京：科學(xué)出版社，2004.19 李世華，田玉平.移動小車的軌跡跟蹤控制.控制與決策，2000,15(5):：626628- 38 - 附錄一：電路原理圖1.核心控制電路圖

42、2.電機驅(qū)動電路附錄二：主要程序源代碼/* #* filename : processorexpert.c* project : processorexpert* processor : mk60dn512zvlq10* version : driver 01.00* compiler : codewarrior arm c compiler* date/time : 2013-03-12, 20:54, # codegen: 0* abstract :* main module.* this module contains users application code.* settings :* contents :* no public methods* #*/* module processorexpert */* including needed modules to compile this module/procedure */#include cpu.h#include events.h#i