攝像頭智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)開題報(bào)告

1、學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告學(xué)生 姓名所在 院系機(jī)電與控制工 程學(xué)院在級 所班指導(dǎo) 教師生號(hào) 學(xué)學(xué)電氣工程及其 自動(dòng)化開題 時(shí)間導(dǎo)師 職稱%論文 題目攝像頭智能車硬矜二系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)綜述:智能汽車是一種正在研制但尚未應(yīng)用到社會(huì)生活中的新型高科技汽車，這種汽車 集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，集中的應(yīng)用到制動(dòng)控制、 模糊識(shí)別、傳感器技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科，具有重要的軍用 和民用價(jià)值。智能汽車是一種高新技術(shù)密集的新型汽車，研究人員從智能汽車的信息系統(tǒng)、控 制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及智能結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。智能汽車由導(dǎo)航信息資料，GPS定 位系統(tǒng)，緊急報(bào)警

2、系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、探測雷達(dá)、信息處理系統(tǒng)、 駕駛控制系統(tǒng)等組成，智能汽車通過GPS實(shí)時(shí)分析車所在位置、行駛方向、速度等實(shí) 時(shí)信息通過與導(dǎo)航信息資料對比得出車所在道路的狀況，并把信息實(shí)時(shí)傳輸給指揮中 心。由指揮中心綜合分析后發(fā)出指令信息，根據(jù)指揮中心發(fā)回的指令信息自動(dòng)駕駛， 高效、快速、安全地完成駕駛?cè)蝿?wù)，實(shí)現(xiàn)輛的智能控制。智能車有極為廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)合傳感器技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的 自適應(yīng)巡航并把車開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時(shí)，如果裝上紅外攝像頭, 就能實(shí)現(xiàn)夜晚汽車的安全輔助駕駛；它也可以工作在倉庫、碼頭、工廠或危險(xiǎn)、有毒、 有害的工作環(huán)境里，此外它還能擔(dān)當(dāng)

3、起無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運(yùn)輸、消防滅火 等任務(wù)。在普通家庭轎車消費(fèi)中，智能車的研發(fā)也是很有價(jià)值的，比如霧天能見度差, 人工駕駛由于人的反應(yīng)速度及信息獲取受到能見度的影響經(jīng)常發(fā)生碰撞，如果用上這 種設(shè)備，激光雷達(dá)會(huì)自動(dòng)探測前方的障礙物，電腦會(huì)控制車輛自動(dòng)停下來，撞車就不 會(huì)發(fā)生?？梢?，智能汽車的發(fā)展將在很大程度上解決現(xiàn)在交通中遇見的部分問題。智能汽車與一般所說的自動(dòng)駕駛有所不同，它指的是利用多種傳感器和智能公路 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的汽車自動(dòng)駕駛。智能汽車首先有一套導(dǎo)航信息資料庫，存有全國高速公路、 普通公路、城市道路以及各種服務(wù)設(shè)施的信息資料；其次是GPS定位系統(tǒng)，利用這個(gè) 系統(tǒng)精確定位車輛所在的位置

4、，與道路資料庫中的數(shù)據(jù)相比較，確定以后的行駛方向; 道路狀況信息系統(tǒng)，由交通管理中心提供實(shí)時(shí)的前方道路狀況信息，如堵車、事故等, 必要時(shí)及時(shí)改變行駛路線；車輛防碰系統(tǒng)，包括探測雷達(dá)、信息處理系統(tǒng)、駕駛控制 系統(tǒng)，控制與其他車輛的距離，在探測到障礙物時(shí)及時(shí)減速或剎車，并把信息傳給指 揮中心和其他車輛；緊急報(bào)警系統(tǒng)，如果出了事故，自動(dòng)報(bào)告指揮中心進(jìn)行救援；無 線通信系統(tǒng)，用于汽車與指揮中心的聯(lián)絡(luò)；自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，用于控制汽車的點(diǎn)火、改 變速度和轉(zhuǎn)向等。智能車輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系 統(tǒng)，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù),

5、是典型的高新技術(shù)綜合體。目前對智能車輛的研究主要致力于提高汽車的安全性、舒 適性，以及提供優(yōu)良的人車交互界面。近年來，智能車輛己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域 研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長的新動(dòng)力，很多發(fā)達(dá)國家都將其納入到各自重點(diǎn)發(fā)展的智 能交通領(lǐng)域當(dāng)中。通常對車輛的操作實(shí)質(zhì)上可視為對一個(gè)多輸入、多輸出、輸入輸出關(guān)系復(fù)雜多變、 不確定多干擾源的復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制過程。駕駛員既要接受環(huán)境如道路、擁擠、 方向、行人等的信息，還要感受汽車如車速、側(cè)向偏移、橫擺角速度等的信息，然后 經(jīng)過判斷、分析和決策，并與自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)相比較，確定出應(yīng)該做的操縱動(dòng)作，最 后由身體、手、腳等來完成操縱車輛的動(dòng)作。因此在整個(gè)駕駛

6、過程中，駕駛員的人為 因素占了很大的比重。一旦出現(xiàn)駕駛員長時(shí)問駕車、疲勞駕車、判斷失誤的情況，很 容易造成交通事故。通過對車輛智能化技術(shù)的研究和開發(fā)，可以提高車輛的控制與駕駛水平，保障車 輛行駛的安全暢通、高效。對智能化的車輛控制系統(tǒng)的不斷研究完善，相當(dāng)于延伸擴(kuò) 展了駕駛員的控制、視覺和感官功能，能極大地促進(jìn)道路交通的安全性。智能車輛的 主要特點(diǎn)是以技術(shù)彌補(bǔ)人為因素的缺陷，使得即便在很復(fù)雜的道路情況下，也能自動(dòng) 地操縱和駕駛車輛繞開障礙物，沿著預(yù)定的道路軌跡行駛。"飛思卡爾杯”智能車大賽起源于韓國，是韓國漢陽大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思 卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12單片機(jī)為核心

7、的大學(xué)生課外科技競賽。教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，在己舉辦全國數(shù)學(xué)建 模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等4大專業(yè)競賽的基礎(chǔ)上，經(jīng)研究決定，委托髙 等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)主辦自2006年每年一度的全國大學(xué)生智能汽車競 賽。高等學(xué)校自動(dòng)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)決定飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦單位，賽事冠 名為“飛思卡爾”杯。競賽要求參賽者在提供的模型車體及主微控制器芯片基礎(chǔ)上設(shè) 計(jì)制作具有自主道路識(shí)別能力并滿足比賽規(guī)則的智能汽車，在賽道上以最快速度完成 賽程者為優(yōu)勝。與以往的專業(yè)競賽不同，智能車大賽是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控 制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)

8、算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比 賽，已經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，同時(shí)也為社會(huì)選拔優(yōu) 秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺(tái)。智能車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型賽車，它由大賽組委 會(huì)統(tǒng)一提供。比賽要求參賽隊(duì)伍研究并設(shè)計(jì)一款能夠自主辨識(shí)路線并能夠自主行駛的 智能車，在專門設(shè)計(jì)的封閉跑道上行駛，跑完整個(gè)賽程用時(shí)越短的參賽隊(duì)伍成績越好。 智能車的設(shè)計(jì)要求參賽隊(duì)伍首先對汽車動(dòng)力學(xué)有一定的研究和了解，從而設(shè)計(jì)合理的 機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)要求參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)控制器系統(tǒng)電路、圖像采集模塊電路、電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電路、電源模塊電路等多個(gè)部分的電路。在硬件平臺(tái)搭建完成后，參賽隊(duì)伍要對智 能車

9、系統(tǒng)的路線辨識(shí)以及控制算法進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試，為了后期的調(diào)試方便，可以開發(fā) 用于調(diào)試的上位機(jī)監(jiān)控程序開題報(bào)告（正文）：一、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目攝像頭智能車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)二、研究目的及意義移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人學(xué)科中的重要分支之一，近年來，諸多具有創(chuàng)新和挑戰(zhàn) 性的課題不斷在這一領(lǐng)域提出。智能車輛，是一種移動(dòng)輪式機(jī)器人，它集中運(yùn)用了現(xiàn) 代傳感、信息融合、計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)控制及人工智能等多種技術(shù)，是一個(gè)集環(huán)境 感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。目前，作為智能交通系 統(tǒng)（ITS）中的重要組成部分，智能車輛技術(shù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。"飛思卡爾”杯智能汽車競賽是在模型汽車平臺(tái)

10、上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、 16位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫相應(yīng) 軟件，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車。第六屆“飛思卡爾”杯智能車競賽提 供A、B、C三種車模。其中電磁組選用B型車模，光電組用A型車模，攝像頭組選用 C型車模。A、B、C車模都由組委會(huì)統(tǒng)一提供。在第六屆中首次在跑道上加上虛線， 增加尋線的難度性。各參賽隊(duì)伍在指定的車?；A(chǔ)上通過設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的自動(dòng)控制 器控制模型車在封閉的跑道上自主循線運(yùn)行。在保證模型車運(yùn)行穩(wěn)定即不沖出跑道的 前提下，跑完一圈的時(shí)間越短成績越好。智能車技術(shù)以汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感、電子、電氣

11、、計(jì)算 機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，這對進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生從 事科學(xué)、技術(shù)研究能力有著重要意義。三、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向我國從上世紀(jì)80年代開始著手無人駕駛汽車的研制開發(fā)，雖與國外相比還有一些距 離，但目前也取得了階段性成果。國內(nèi)清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西 安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等都有過無人駕駛汽車的研究項(xiàng)目。1992年，國防科技大學(xué)研制成功了我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。由計(jì) 算機(jī)及其配套的檢測傳感器和液壓控制系統(tǒng)組成的汽車計(jì)算機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，被安裝 在一輛國產(chǎn)的中型面包車上，使該車既保持了原有的人工駕駛性能，又能夠用計(jì)算機(jī)

12、控制進(jìn)行自動(dòng)駕駛行車。2000年6月，國防科技大學(xué)研制的第4代無人駕駛汽車試驗(yàn) 成功，最髙時(shí)速達(dá)76km,創(chuàng)下國內(nèi)最高紀(jì)錄。2003年7月，國防科技大學(xué)和中國一汽 聯(lián)合研發(fā)的紅旗無人駕駛轎車高速公路試驗(yàn)成功，自主駕駛最髙穩(wěn)定時(shí)速130km,其總 體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。智能車輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系 統(tǒng)，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù), 是典型的高新技術(shù)綜合體。四、注意研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路本課題的研究目標(biāo)是攝像頭智能車的硬件電路的設(shè)計(jì)與選型。通過對比論證信號(hào) 調(diào)理電路方案，優(yōu)化模擬

13、電路對信號(hào)的處理。設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)軟件處理方案和相應(yīng)的 自動(dòng)路徑識(shí)別控制算法。對系統(tǒng)整體調(diào)試分析，比較分析各種硬件電路方案優(yōu)缺點(diǎn)，選出合理的硬件電路 并制作出正確的PCB板?；谝曨l采集技術(shù)的智能車的路徑識(shí)別系統(tǒng)需要建立完整的智能控制系統(tǒng)的硬件 平臺(tái)，即采集處理圖像信號(hào)、系統(tǒng)電源、控制、驅(qū)動(dòng)等電路。同時(shí)在數(shù)字?jǐn)z像頭的選 擇上也是非常關(guān)鍵的一環(huán)。由于視頻采集技術(shù)的智能導(dǎo)航系統(tǒng)中的采集了大量的圖像 數(shù)據(jù)，并且?guī)в性朦c(diǎn)，如何盡可能多的濾去噪點(diǎn)有不影響路徑的識(shí)別是難點(diǎn)，如何從 大量的數(shù)據(jù)中尋找到小愛哦車行徑的軌跡是重點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：圖1硬件方案系統(tǒng)框圖基于攝像頭的智能車的路徑識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)

14、計(jì)部分根據(jù)功能可分為七個(gè)部分： 以Freescale公司的MC9S12XS128為主控制器的最小系統(tǒng)模塊、數(shù)字?jǐn)z像頭模塊、電 源管理模塊、速度測量反饋模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、輔助調(diào)試模塊。此智能車輛定位系統(tǒng)用攝像頭拍攝車輛前方的賽道，通過MC9S 12xs 128采樣視頻 信號(hào)，獲得圖像數(shù)據(jù)。然后用合適的算法，如跟蹤邊緣檢測算法，分析圖像數(shù)據(jù)，提 取目標(biāo)指引線。然后，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)指引線的位置信息，對舵機(jī)和電機(jī)施以合適的控 制。因?yàn)橄到y(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，所以任何一部分的改進(jìn)都能提高小車的性能。雖然 輪胎、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)和電池等車模主要結(jié)構(gòu)不能作改動(dòng)，但是一些機(jī)械結(jié)構(gòu)上的細(xì) 節(jié)仍然會(huì)對小

15、車性能產(chǎn)生影響，為此我們對這些細(xì)節(jié)進(jìn)行了一定的調(diào)整。系統(tǒng)所用的 傳感器包括編碼器和攝像頭，它們可以完成賽道信息的采集和小車行駛參數(shù)的獲取， 算法部分主要涉及到PID控制算法和預(yù)判算法等，這部分將在后面詳述。驅(qū)動(dòng)電路板中的電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源。設(shè)計(jì)中，除了 需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防 止干擾和電路簡單等方面進(jìn)行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的 基礎(chǔ)。全部硬件電路的電源由、2A/h的可充電鎮(zhèn)鎘電池提供。由于電路中的不同電路 模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包括多個(gè)穩(wěn)壓電路， 將充電電池電壓

16、轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。主要包括如下不同的電壓：1 5V電壓。主要為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路以及部分接口電路（如速度傳感器） 提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500mAo2 6V電壓。主要是為舵機(jī)提供工作電壓。實(shí)際工作時(shí)，舵機(jī)所需要的工作電流 一般在幾十毫安左右，電壓無需十分穩(wěn)定。還要為攝像頭進(jìn)行道路檢測時(shí)提供6V工作 電源。3 電壓。這部分直接取自電池兩端電壓，主要為后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供電 源。整個(gè)電源模塊的電路結(jié)構(gòu)為：圖2電源模塊電路結(jié)構(gòu)基于攝像頭技術(shù)的智能車路徑識(shí)別系統(tǒng)的整個(gè)軟件部分分為5個(gè)部分，分別是攝 像頭圖像數(shù)據(jù)的采集；傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)處理，該部分軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的二值化和去

17、噪； 路徑識(shí)別控制算法部分，該部分軟件程序利用數(shù)字濾波得到的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)路徑識(shí)別算法; 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分均采用PWM脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)，通過相應(yīng)的控制算法控制舵機(jī)的 轉(zhuǎn)向和智能車速度的控制。最終實(shí)現(xiàn)智能車的路徑識(shí)別循跡前進(jìn)。電機(jī)速度控制反饋控制圖3信息控制流程系統(tǒng)初始化算法模塊舵機(jī)轉(zhuǎn)介五. 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所必須具備的工作條件（如工具書.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、實(shí) 驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件等），解決的辦法和預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)。機(jī)電與控制工程學(xué)院現(xiàn)擁有相關(guān)實(shí)驗(yàn)室2個(gè)，設(shè)計(jì)所需設(shè)備齊全，外加1個(gè)自動(dòng) 化研究所，可以為該設(shè)計(jì)提供可靠的模擬實(shí)驗(yàn)保證，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。我系優(yōu)秀的 師資隊(duì)伍也為該設(shè)計(jì)提供了更為廣闊的知識(shí)

18、來源，對該設(shè)計(jì)的質(zhì)量有一定的監(jiān)替和質(zhì) 檢作用，為本設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本設(shè)計(jì)的過程實(shí)驗(yàn)室提供了校園 網(wǎng)、PC機(jī)、示波器、電源、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等一套完整的設(shè)備，可以為該設(shè)計(jì)提供可 靠的模擬實(shí)驗(yàn)保證，提髙設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。六、工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排一序號(hào)工作任務(wù)起止日期序號(hào)工作任務(wù)起止日期1接受任務(wù)電路板制作與測試芯片資料翻譯電路板的焊接(查閱文獻(xiàn)撰寫論文S學(xué)習(xí) MC9S12XS128 及 0V6620的相關(guān)知識(shí)修改第三稿和定稿對硬件電路比較設(shè)計(jì)完成論文簡介、答辯 提綱及定稿打印文度排 論進(jìn)安七、參考文獻(xiàn)：1王慶有圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)M北京：電子工業(yè)出版社.2003年9月2 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車一一挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2007年3月3 Rafael CG, Richard E W,阮秋琦(譯).數(shù)字圖像處理(第二版)M.北京 電子工