華南理工大學(xué)疾風(fēng)隊(duì)技術(shù)報(bào)告

1、學(xué)校：華南理工大學(xué)隊(duì)伍名稱：疾風(fēng)隊(duì)參賽隊(duì)員：馮培聰何銀強(qiáng)張國(guó)澤帶隊(duì)教師：陳安關(guān)于技術(shù)報(bào)告使用授權(quán)的說明本人完全了解第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)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(huì)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(jì)方案、技術(shù)報(bào)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(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：帶隊(duì)教師簽名：日期：第1章緒論11.1 前言11.2 競(jìng)賽背景11.3 論文概述2第2章智能車設(shè)計(jì)方案概述32.1 車模硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.2 車模軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.3 車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)定42.3.1

2、前輪懸掛的調(diào)節(jié)52.3.2 舵機(jī)的安裝62.3.3 差速器的調(diào)節(jié)62.3.4 電路板的安裝和重心分配62.4 車模技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)8第3章車模硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.1 圖像采集硬件的設(shè)計(jì)93.1.1 OV7620面陣數(shù)字式CMOS傳感器93.1.2 先入先出FIFO緩沖器SN74V293103.2 MC9S12DG128單片機(jī)最小系統(tǒng)123.3 大電流直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器133.4 速度傳感器13第4章車模軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)154.1 圖像處理算法154.1.2 圖像的二值化164.1.3 跑道黑線的提取174.1.4 圖像透視變形的矯正184.1.5 跑道特征計(jì)算194.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)204.2.2 模糊

3、控制器的特點(diǎn)204.2.3 模糊控制器自適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)204.2.4 雙輸入雙輸出模糊控制器在智能車上的應(yīng)用214.3 車速PID控制的實(shí)現(xiàn)22第5章智能車調(diào)試和開發(fā)平臺(tái)2.35.1 HCS12開發(fā)工具235.2 智能車在線監(jiān)控調(diào)試系統(tǒng)245.3 智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)25第6章總結(jié)與展望2.7.插圖索引I.參考文獻(xiàn)I.I.I.附錄A單擊此處鍵入標(biāo)題V.#第1章緒論1.1 前言在半導(dǎo)體技術(shù)日漸發(fā)展的今天，電子技術(shù)在汽車中的應(yīng)用越來廣泛，汽車電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命，汽車電子化的程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，是用來開發(fā)新車型，改進(jìn)汽車

4、性能最重要的技術(shù)措施。汽車制造商認(rèn)為增加汽車電子設(shè)備的數(shù)量、促進(jìn)汽車電子化是奪取未來汽車市場(chǎng)的重要的有效手段。汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。車體汽車電子控制裝置，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)（車身電子ECU）。汽車電子最顯著特征是向控制系統(tǒng)化推進(jìn)，用傳感器、微處理器MPU、執(zhí)行器、數(shù)十甚至上百個(gè)電子元器件及其零部件組成的電控系統(tǒng)，正獲得極其廣泛的市場(chǎng)。作為全球最大的汽車電子半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，飛思卡爾一直致力于汽車電子半導(dǎo)體器件的開發(fā)與推廣。飛思卡爾在不同的半導(dǎo)體器件市場(chǎng)擁有領(lǐng)先的地位。其中8位和32位微控制器市場(chǎng)占有率第一，傳感器市場(chǎng)占第三位

5、，其豐富的半導(dǎo)體器件可用于所有汽車電子控制單元中。9s12微控制器是基于16位HCS12CPU及0.25微米、高速、高性能5.0VFLASH存儲(chǔ)器技術(shù)的中檔芯片，其較高的性能價(jià)格比使其非常適合應(yīng)用于中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。1.2 競(jìng)賽背景“飛思卡爾杯”全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是由教育部批準(zhǔn)并委托自動(dòng)化分教指委主辦，飛思卡爾公司協(xié)辦，面向全國(guó)大學(xué)生的重要賽事。它是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。根據(jù)比賽章程，全第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是在統(tǒng)一汽車模型平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的

6、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、設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編寫相應(yīng)軟件以及裝配模型車，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車。改裝后的模型汽車按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。競(jìng)賽集科學(xué)性、趣味性和觀賞性于一體，吸引了大批同學(xué)參與其中，受到了廣泛的歡迎。1.3 論文概述本文將以飛思卡爾MC9s12DG128

7、單片機(jī)作為核心控制器，以面陣CMOS傳感器OV7620作為圖像傳感器，獲取跑道圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像的分割和賽道特征的提取，最后通過自適應(yīng)模糊控制器控制模型車轉(zhuǎn)向，使車模能按照比賽規(guī)定的跑道和規(guī)則最快地完成任務(wù)。智能車系統(tǒng)包括圖像采集硬件、跑道圖像預(yù)處理和跑道特征提取算法、自適應(yīng)模糊控制器、大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和智能車調(diào)試監(jiān)控幾個(gè)子系統(tǒng)組成。#第2章智能車設(shè)計(jì)方案概述車模按照在上兩屆比賽中常見的攝像頭設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分為圖像采集硬件、圖像處理算法、轉(zhuǎn)向模糊控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電機(jī)PID轉(zhuǎn)速控制、車速采集和大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)七個(gè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1 車模硬件系統(tǒng)設(shè)

8、計(jì)車模的硬件電路主要由MC9s12DG128核心模塊、圖像采集與緩存模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和輔助調(diào)試模塊構(gòu)成。其中MC9s12DG128核心模塊以單片機(jī)最小系統(tǒng)板的形式安裝在電路主板上，以便于安裝和更換。S12單片機(jī)負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)接收、處理里、信息提取，最后形成合適的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。圖像采集模塊由面陣CMOS圖像傳感器OV7620、FIFO數(shù)據(jù)緩沖器和與之配合的分頻電路構(gòu)成。鑒于單片MC33886有限的驅(qū)動(dòng)能力和多片MC33886并聯(lián)導(dǎo)致的電路體積龐大和多個(gè)芯片之間難于同步和配合的缺點(diǎn)，我們另行設(shè)計(jì)了大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。第2章智能車設(shè)計(jì)方案概述我們?cè)谲嚹Ｉ显O(shè)置了多個(gè)開關(guān)

9、和指示燈，便于參數(shù)切換，同時(shí)預(yù)留了TFT液晶模塊接口和無線收發(fā)模塊的接口，便于車模運(yùn)行信息的紀(jì)錄和算法優(yōu)化。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：2.2 車模軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于同一組別的車模來說，硬件設(shè)計(jì)總體上都大同小異，而車模控制軟件的設(shè)計(jì)是決定比賽成績(jī)的重中之重。智能車控制軟件主要由圖像采集和與處理、賽道特征提取、轉(zhuǎn)向控制和車速控制程序四部分。車模要在比賽中取得好成績(jī)，離不開快速的控制相應(yīng)、良好的行車路線規(guī)劃和準(zhǔn)確的速度控制這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。要完成上述目標(biāo)，就必須有效地融合智能車的硬件和軟件，進(jìn)行充分的測(cè)試、標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)，不斷改進(jìn)控制算法。軟件部分將在下文詳細(xì)敘述。2.3 車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)定在汽車維修中，汽車的四輪定

10、位和懸掛的設(shè)定對(duì)行使性能和駕駛舒適性有著巨大的影響。在賽車比賽中，機(jī)械工程師會(huì)根據(jù)每場(chǎng)比賽跑道的特征和駕駛員的駕駛習(xí)慣對(duì)賽車的輪胎定位和懸掛進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。飛思卡爾杯智能車大賽采用競(jìng)賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的1/10的Matiz仿真車模，控制結(jié)構(gòu)采用前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)方案。由于該車模結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，車體可調(diào)的參數(shù)很少，故我們只對(duì)前輪定位、舵機(jī)安裝和懸掛戶彈簧進(jìn)行更改。同時(shí)我們?cè)谲嚹８难b時(shí)發(fā)現(xiàn)，車模的塑料質(zhì)量較差，東莞廠家仿造的車模的精度和耐久度比第一屆的原裝進(jìn)口的差了幾個(gè)檔次，同一批車模有一部分前輪有的可調(diào)的螺桿塑料部分由于質(zhì)量問題已經(jīng)被廠家用膠水封死。2.3.1 前輪懸掛的調(diào)節(jié)該車模前輪可調(diào)的參數(shù)包

11、括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前束四個(gè)參數(shù)。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好，但過大的主銷后傾角會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。前輪外傾角（CambeO對(duì)賽車的轉(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

12、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(gè)外八字角度，這個(gè)角度約在1。左右。所謂前束（Toe-out）是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí)，其慣性力會(huì)自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。最終我們通過減小主銷后傾角，加大主銷內(nèi)傾角，減小前輪外傾角，加大前束，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向有了一點(diǎn)提高。但由于車模質(zhì)量和精度比較差，前輪支架有不對(duì)稱得現(xiàn)象，且前輪固定精度比較低，松松垮垮的，導(dǎo)致調(diào)整效

13、果有較大的折扣。2.3.2 舵機(jī)的安裝為了保護(hù)舵機(jī)不在卡舵的時(shí)候損壞舵機(jī)齒輪組，原配的舵機(jī)和轉(zhuǎn)向連桿之間的連接器上設(shè)有緩沖裝置。但緩沖裝置有彈性會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向遲鈍，故我們利用覆銅板自行制作了舵機(jī)的力臂，用于舵機(jī)盤和轉(zhuǎn)向連桿之間的連接。同時(shí)，由于在一定的工作電壓下舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是一定的，增長(zhǎng)舵機(jī)力臂可提高舵機(jī)的擺動(dòng)速度；同時(shí)，由于舵機(jī)輸出的扭力一定，力臂太長(zhǎng)會(huì)影響轉(zhuǎn)向的力度，使舵機(jī)“變軟”，我們制作了長(zhǎng)度適中的舵機(jī)力臂，并把舵機(jī)安裝在車頭正中的位置，使左右轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ。2.3.3 差速器的調(diào)節(jié)比賽使用的模型車設(shè)置有后輪差速機(jī)構(gòu)，其作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，降低后輪與地面之間的滑動(dòng)，并且還可以保證在輪胎抱死

14、的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。本模型車后輪軸上配備的是簡(jiǎn)易的差速器，且比賽規(guī)則規(guī)定不能更換，所以在調(diào)整中要注意滾珠輪盤問的間隙，過松過緊都會(huì)使差速器性能降低，從而大大影響車模的尋跡性能。過松會(huì)使差速器嚴(yán)重打滑，損失電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)扭矩，過緊又會(huì)損失差速能力。2.3.4 電路板的安裝和重心分配在分區(qū)賽的比賽中，雖然我們隊(duì)成績(jī)不錯(cuò)，但由于車模質(zhì)量大，重心高,在比賽中一直運(yùn)行在臨界翻車的極限上，速度提高受到限制。我們對(duì)車模的電路板和攝像頭的安裝方式作了較大的改革，采用了低位主板的布局，同時(shí)應(yīng)用高強(qiáng)度輕量化的材料制作攝像頭的支撐機(jī)構(gòu)，降低高位的重量，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整了車模前后的重量分布，以獲得更好的行使性能。7圖

15、2.3車模安裝示意圖2.4 車模技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目參數(shù)路徑檢測(cè)方法（賽題組）攝像頭組車模幾何尺寸（長(zhǎng)、寬、高）（毫米）300mn+160m喈310mm車模軸距/輪距（毫米）200mm車模平均電流（勻速行駛）（以）1500mA電路電容總量（微法）1900傳感器種類及個(gè)數(shù)攝像頭1個(gè)，編他器1個(gè)新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù)0賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米）0.6cm賽道信息檢測(cè)頻率（次/秒）50主要集成電路種類/數(shù)量TPS28225SN74V293OV7620車模重量（帶有電池）（千克）1.2kg第3章車模硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 圖像采集硬件的設(shè)計(jì)圖像采集電路由CMOS圖像傳感器、FIFO緩沖器和由計(jì)數(shù)器構(gòu)成的分頻電路

16、構(gòu)成。數(shù)字式CMOS圖像傳感器采集圖像后，直接可以輸出圖像數(shù)據(jù)和相應(yīng)的同步信號(hào)。由于傳感器輸出數(shù)據(jù)的碼率很高，所以使用分頻電路對(duì)傳感器輸出的同步信號(hào)進(jìn)行分頻產(chǎn)生FIFO控制信號(hào)后把數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū)里面，等單片機(jī)需要的時(shí)候再進(jìn)行讀取。3.1.1 OV7620面陣數(shù)字式CMOS傳感器OV7620是美國(guó)OmniVision公司推出的一款高集成度、中分辨率（640X480）、逐行/隔行掃描、彩色/黑白CMOS數(shù)字圖像傳感器芯片。它的數(shù)字視頻口支持多種輸出格式，包括：60Hz16位/8位YCrCb4:2:2格式，ZV口輸出格式、RGB原始數(shù)據(jù)16位/8位輸出格式CCIR601/CCIR656格式。輸出幀

17、頻可于0.5到30幀/秒范圍內(nèi)編程。OV7620內(nèi)部集成I2C總線兼容的SCCB（SerialCameraControlBus|i口,外部主機(jī)以此來操作芯片內(nèi)部寄存器，對(duì)芯片的功能進(jìn)行設(shè)置。圖3.1 OV7620圖像傳感器第3章車模硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)OV7620內(nèi)部集成CMOS傳感器陣列(ImageArray)、模擬處理(AnalogProcessing)、兩路10bit高速ADC、曝光檢測(cè)和控制(ExpousureDetect/Control)、白平衡檢測(cè)和控制(WhiteBalanceDetect/Control)、視頻時(shí)序發(fā)生器(VideoTimingGenerator)、SCCB總線控制器和

18、視頻數(shù)據(jù)接口(VideoPort),其中Y0Y7為圖像數(shù)據(jù)輸出Y線；UV0UV7圖像數(shù)據(jù)輸出UV線；SDA為I2C總線數(shù)據(jù)線；SCL為I2C總線時(shí)鐘線；FODD為奇場(chǎng)信號(hào)輸出；HREF為行同步輸出；VSYNC為幀同步輸出；PCLK為像素同步時(shí)鐘輸出；VTO模擬視頻輸出；MID為多片應(yīng)用允許；CS2:0與Y6、丫4、Y7復(fù)用，用于在芯片上電或復(fù)位時(shí)設(shè)置SCCB總線地址。3.1.2 先入先出FIFO緩沖器SN74V293SN74V293是TI公司生產(chǎn)的64K深度18位高速同步先入先出緩沖器。該器件具有靈活的位寬配置(9位/18位)，工作于9位寬度時(shí)，深度可達(dá)128K,同時(shí)具有6ns的低訪問延遲。該

19、器件十分適合應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)、視頻、電信、數(shù)據(jù)通訊以及其他需要緩沖大量數(shù)據(jù)和進(jìn)行總線匹配的場(chǎng)合。74V293的輸入接口通過寫時(shí)鐘(WCLK)和寫使能(WEN)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)在寫使能有效時(shí)在寫時(shí)鐘上升延寫入。輸出接口通過讀時(shí)鐘(RCLK)和讀使能(REN)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)在讀使能有效時(shí)在讀時(shí)鐘上升延輸出。輸出使能(OE)用于輸出接口的三態(tài)(tri-state)控制。圖3.3 FIFO應(yīng)用電路11funetlonsl block diagraimD0Di>(x9口>1BJWCLKWENlitB-CcrrfolLogicWrite PciintErbnirtRirgilMeiRAW Aitw 0

20、1929ga昭,IBr號(hào)"同9 1釉 3 日的 > 19 or 555369 桔& It qit31 臉 7Rmi曲i04 Qfi ! -« w URTRM圖3.2SN74V293功能結(jié)構(gòu)圖SN74V293應(yīng)用電路如下圖所示。CMOS傳感器輸出的亮度數(shù)據(jù)Y0.7從FIFO的D0.7輸入，從Q0.7輸出。FIFO可以緩存一幀以上的圖像數(shù)據(jù)。FrkfcB 二！ s EEZrJm!,.1 Jhilrj,r-F H;aM EkLF du口» A- Pi<1" J3.2 MC9s12DG128單片機(jī)最小系統(tǒng)由于清華大學(xué)提供的DG128核心板體積

21、較大，批量采購成本很高，故我們自行制作了S12單片機(jī)核心板，以適和安裝在小型化設(shè)計(jì)電路主板上。核心板與清華大學(xué)提供S12核心板相比，接口定義基本相同，去除了RS232電路和接口，縮小了插槽間距，大幅縮小了板面積，但原版上的復(fù)位監(jiān)控電路和指示燈，以便于調(diào)試。圖3.4S12核心板電路圖第三屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告3.3 大電流直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為了使車模能以最短的時(shí)間完成循線任務(wù)，而不同路況下（直道、彎道、蛇行）都有其安全運(yùn)行的最高速度，這就要求車模有較好的調(diào)速性能，能根據(jù)不同的路況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度。但由于車模上沒有任何機(jī)械減速剎車機(jī)構(gòu)，只能通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行反接自動(dòng)獲取較好的制動(dòng)性能。由于該電機(jī)

22、在啟動(dòng)和反接制動(dòng)時(shí)工作電流都比較大（20A以上），對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力的要求比較高。鑒于組委會(huì)推薦的單片MC33886有限的驅(qū)動(dòng)能力和多片MC33886并聯(lián)導(dǎo)致的電路體積龐大和多個(gè)芯片之間難于同步和配合的缺點(diǎn)，而一般集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片又不能提供如此大的驅(qū)動(dòng)電流，所以我們使用2片MOS管半橋驅(qū)動(dòng)器和4個(gè)大電流低內(nèi)阻MOSFET設(shè)計(jì)了大電流大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。由于低內(nèi)阻MOSFET的使用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱問題得到了根本上的解決。3.4 速度傳感器為了使車模在跑道上平穩(wěn)地運(yùn)行，并以最快的時(shí)間完成比賽，這就要求車模能以高速通過直道，并以恰當(dāng)?shù)乃俣绕椒€(wěn)地轉(zhuǎn)彎，這就要求車模要有較好的調(diào)速性能。直流電機(jī)

23、調(diào)速通常使用PWM調(diào)速來完成，通過改變驅(qū)動(dòng)器輸出PWM波的占空比，就可以調(diào)節(jié)加在電機(jī)上的平均電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。但是，采用開環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)特性比較軟，轉(zhuǎn)速收到供電電壓、負(fù)載變化等因素變化影響較大，所以需要設(shè)置速度傳感器，對(duì)車速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)行閉環(huán)控制。檢測(cè)車速的辦法有很多種，例如測(cè)速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、反射式光電檢測(cè)、對(duì)射式光柵檢測(cè)、霍爾測(cè)速等等方法。鑒于測(cè)速的可靠性，我們采用工業(yè)用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)速。受安裝條件的制約，我們選用了一款2.0cm直徑256線的小型編碼器，編碼器安裝如圖3.5所示。圖3.5編碼器安裝示意圖#第4章車模軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 圖像處理算法由于攝像頭是車模獲得環(huán)境和

24、賽道信息的唯一來源，攝像頭采集后圖像數(shù)據(jù)處理的好壞將直接影響到控制質(zhì)量和行駛速度。每幀圖像采集完成后，將通過以下4個(gè)步驟對(duì)圖像進(jìn)行處理。等待一幀圖像采集完成圖像二值化處理跑道黑線提取圖像視野矯正跑道特征計(jì)算圖4.1圖像處理流程第4章車模軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1.2 圖像的二值化車模運(yùn)行的跑道是用白色KT板鋪成的，跑道中央有一條用黑色貼紙做成的導(dǎo)引線，跑道的這種特征就是我們進(jìn)行后續(xù)圖像處理的基礎(chǔ)。CMOS傳感器采集回來的圖像是具有256灰階的灰度圖，由于我們只需要識(shí)別跑道中央的黑線，即知道跑道的黑白狀況就可以了，不需關(guān)心它的顏色。為了便于圖像的進(jìn)一步處理，我們要對(duì)采集回來的圖像進(jìn)行二值化。二值化是跑道

25、檢測(cè)的第一步，也是很重要的環(huán)節(jié)，在圖象處理中是圖象分割的范疇，跑道黑線能否準(zhǔn)確的從背景中提取出來直接影響到后續(xù)樣本點(diǎn)的采樣。數(shù)字圖象處理的目的之一是圖象識(shí)別，而圖象分割與測(cè)量是圖象識(shí)別工作的基礎(chǔ)。圖象分割是將圖象分成一些有意義的區(qū)域，然后對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行描述，相當(dāng)于提取出目標(biāo)區(qū)域圖象的特征，判斷圖象中是否有感興趣的目標(biāo)。圖象分割的基礎(chǔ)是像素間的相似性和跳躍性。所謂“相似性”是指某個(gè)區(qū)域像素具有某些相似性，如灰度一樣，紋理相同；所謂“跳變性”是指特性不連續(xù)，如灰度指突變等。從總體上說，圖象分割就是把圖象分割成若干有意義的區(qū)域的處理技術(shù)。圖象分割的度量準(zhǔn)則不是唯一的，它與應(yīng)用場(chǎng)景圖象及應(yīng)用目的有關(guān)，

26、用于圖象分割的場(chǎng)景圖象特性信息有亮度、色彩、紋理、結(jié)構(gòu)、形狀、位置、梯度和模型等。圖象分割的方法很多，按算法分類，可分為閾值法、最大類問方差法、匹配法、跟蹤法等。閾值法是一種區(qū)域分割技術(shù)，將灰度根據(jù)主觀愿望分為兩個(gè)或多個(gè)等問隔或不等間隔灰度空間，它主要是利用圖象中要提取的目標(biāo)物體或背景再灰度上的差異，選擇一個(gè)合適的閾值，通過判斷圖象中的每個(gè)像素點(diǎn)的特征屬性是否滿足閾值的要求來確定圖象中該像素點(diǎn)屬于目標(biāo)區(qū)域還是應(yīng)該屬于背景區(qū)域，從而產(chǎn)生二值圖象，它對(duì)物體與背景有較強(qiáng)對(duì)比景物的分割特別有用。設(shè)原始圖象為f(x,y),按照一定的準(zhǔn)則再f(x,y)中找到特征值T,將圖象分割為兩個(gè)部分，分割后的圖象為g

27、(x, y)bobif(x,y) Tf(x,y) t在使用閾值法進(jìn)行分割技術(shù)時(shí)，閾值的選取成為能否正確分割的關(guān)鍵。運(yùn)行環(huán)境是黑白的賽道，背景和前景區(qū)分明顯，且背景簡(jiǎn)約。故使用經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定的單一閾值對(duì)圖像進(jìn)行分割，就可取得較好的效果。圖4.2圖像二值化前后對(duì)比4.1.3 跑道黑線的提取經(jīng)過圖像采集和二值化，圖像的二維數(shù)據(jù)矩陣。由于圖像矩陣較大，每次處理都對(duì)整個(gè)矩陣進(jìn)行遍歷的話處理壓力很大，處理器的處理能力不一定足夠。由于近處的圖像對(duì)比度明顯，質(zhì)量較好，同時(shí)由于近處視野較窄，黑線寬度較寬，受跑道外部的干擾相對(duì)較少，能比較可靠地提取出跑道黑線的位置；而遠(yuǎn)處視野比較寬闊，黑線寬度較少，在我們的實(shí)驗(yàn)室調(diào)

28、試環(huán)境比較惡劣，看到跑道外部景物較多干擾較大，且因?yàn)楣饩€斜射的原因跑道上黑線的對(duì)比度較低，圖像質(zhì)量較差。所以在路徑提取時(shí)采取的方法是遞推式的圖像搜索方法，來避開在圖像中出現(xiàn)的黑色噪塊。這種方法能夠有效地把實(shí)際路線勾畫出來。圖4.3十字交叉線處路徑提取結(jié)果4.1.4 圖像透視變形的矯正在拍攝圖像的時(shí)候，攝像頭最理想的位置是能垂直于拍攝平面，這樣才能保證圖像能按原來的幾何比例重現(xiàn)。在循線機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，受機(jī)器人規(guī)格的限制，和因?yàn)橹匦母叨葞淼倪\(yùn)行平穩(wěn)性的問題，攝像頭不方便垂直于地面（或被拍攝平面）獲取圖像，只能在離地面比較低的高度，并與地面成一定角度安裝。因此，根據(jù)攝像頭的光學(xué)成像模型，采集回來的

29、圖像將會(huì)出現(xiàn)梯形失真，即所謂的“透視變形”在路經(jīng)的識(shí)別中，圖像的透視變形會(huì)帶來一系列問題：垂直線被拍攝成斜線，遠(yuǎn)處的彎道由于透視原因遠(yuǎn)處彎道被縮小導(dǎo)致曲率計(jì)算錯(cuò)誤，因遠(yuǎn)近處圖像比例不同導(dǎo)致斜率計(jì)算錯(cuò)誤和入彎距離計(jì)算錯(cuò)誤。因此，進(jìn)行圖像的透視校正對(duì)提高路徑特征獲取的精度十分重要。根據(jù)幾何數(shù)學(xué)建模，攝像頭獲取圖像的成像坐標(biāo)與景物實(shí)際的世界坐標(biāo)有如下關(guān)系：經(jīng)過幾何建模和公式變換，可得出如下坐標(biāo)變換關(guān)系:CrowaY2.tanbc*rowline0.5一八lmaxhX2=bc*rowcos苴中,fL.LtanfLb0.5tancatan0.5HHHr_maxHH在攝像頭安裝固定后，c/tan8、a、b

30、、c、h和h/cos0均為常量。由于車模采用了廣角鏡頭，圖像的畸變并不為理想的梯形失真，而會(huì)因?yàn)殓R頭小孔成像的原因出現(xiàn)一定的孔洞效應(yīng)，使圖像實(shí)際會(huì)出現(xiàn)一定桶形失真。由于桶形失真不算很嚴(yán)重，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們只采用了梯形失真的矯正方式進(jìn)行近似矯正，實(shí)際應(yīng)用效果仍較為滿意。-二值號(hào)用簟提取后的曲城，經(jīng)過透視校正的曲露圖4.5曲線提取和視野矯正4.1.5 跑道特征計(jì)算因?yàn)閿z像頭安裝在中軸線上，所以采集圖像的中點(diǎn)位置也就是車體的中點(diǎn)。車體相對(duì)于導(dǎo)引黑線的位置偏差，可認(rèn)為是圖像黑線相對(duì)于圖像中點(diǎn)的位置，即圖像最近一行黑線坐標(biāo)。與計(jì)算車體位置偏差類似，計(jì)算車體角度偏差其實(shí)就是計(jì)算曲線擬合出的斜線與圖像中軸

31、線的夾角。在這里，我們使用最小二乘法（由于篇幅所限,而且算法簡(jiǎn)單就不作介紹）對(duì)跑道曲線進(jìn)行一階擬合，把跑道曲線擬合成具有y=ax+b一階形式的斜線。a即為曲線擬合直線后的斜率，通過arctan可求出曲線與車體中軸線的夾角o4.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)4.2.2 模糊控制器的特點(diǎn)在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過于

32、復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。傳統(tǒng)的PID控制算法精度高，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，但參數(shù)的整定至關(guān)重要，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的巡線機(jī)器人這種高實(shí)時(shí)要求的非線性系統(tǒng)，很難到達(dá)理想的動(dòng)態(tài)性能和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，采用傳統(tǒng)的PID控制方式很難滿足實(shí)時(shí)性控制的要求。模糊控制作為智能才$制算法中一種，具有不要求精確的數(shù)學(xué)模型，人機(jī)對(duì)話能力較強(qiáng)，能夠方便地將專家的經(jīng)驗(yàn)與思考加入到知識(shí)模型中等優(yōu)點(diǎn)，十分適合巡線機(jī)器人這種時(shí)變的、非線性的、高實(shí)時(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)。在飛思卡爾的HCS12單片機(jī)上采用模糊控制有其特有的優(yōu)勢(shì)。由于該單片機(jī)具有模糊控制專用的運(yùn)算指令，使用其內(nèi)部指令使運(yùn)算速度完全能夠滿足大部分控制的需求，且簡(jiǎn)

33、化了設(shè)計(jì)過程。而且，模糊控制屬于逼近式的控制方法，比較能模擬人駕駛車的控制過程。4.2.3 模糊控制器自適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用模糊控制無須知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)多輸入多輸出、時(shí)變及滯后等復(fù)雜系統(tǒng)都能進(jìn)行控制，它的實(shí)現(xiàn)主要依賴模糊規(guī)則庫，且從工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，較容易建立語言變量控制規(guī)則。為了獲得良好的控制效果，必須要求模糊控制具有較完善的控制規(guī)則，這些控制規(guī)則是人們對(duì)被控過程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。然而，由于被控過程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素，造成模糊控制規(guī)則或者粗糙或者不夠完善，都會(huì)不同程度的影響控制效果。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足，自然就考慮到模糊控制器應(yīng)向著自適

34、應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)方向發(fā)展，使得模糊控制參數(shù)和規(guī)則在控制過程中自動(dòng)地調(diào)整、修改和完善，從而增強(qiáng)了模糊控制器的自適應(yīng)能力，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性，使系統(tǒng)的控制性能不斷完善。綜上所述，采用自適應(yīng)模糊控制算法作為智能巡線機(jī)器人的控制方案，使模糊控制規(guī)則可以得到在線調(diào)整，改善了模糊控制的效果，提高了系統(tǒng)的性能，可使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果，較為合適。圖4.6自適應(yīng)模糊控制器示意圖4.2.4 雙輸入雙輸出模糊控制器在智能車上的應(yīng)用在前述的圖像處理識(shí)別算法中，我們可以求出車體與跑道導(dǎo)引線的偏差、夾角及跑道的曲率。同時(shí)，車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)可控的量，即車速和轉(zhuǎn)向?？紤]到算法的復(fù)雜程度和可操作性，

35、我們采用的一個(gè)二輸入二輸出的模糊控制器對(duì)車體進(jìn)行控制，即輸入車體的位置偏差、角度偏差，同時(shí)輸出車速和轉(zhuǎn)向兩個(gè)控制量。圖4.7模糊控制器的結(jié)構(gòu)4.3 車速PID控制的實(shí)現(xiàn)為了智能車能快速安全地通過不同路況下的跑道，就要求車模的速度能快速準(zhǔn)確的跟蹤控制器的給定速度。在這里，我們使用了經(jīng)典的PID控制算法控制速度。由于車模安裝有光電編碼器，所以應(yīng)用S12單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)模塊，定期地讀取計(jì)數(shù)值，即可檢測(cè)車模的速度。由于PID控制要求有穩(wěn)定的控制周期，所以我們采用了定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，激活后臺(tái)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行速度檢測(cè)和PID控制。當(dāng)前速度定時(shí)中斷讀取測(cè)速值讀取測(cè)速值當(dāng)前速度_計(jì) 算 速 度 偏PID運(yùn)

36、 算控制7用車r 停車判斷改變電麻輸出P21圖4.8車速PID控制流程第5章智能車調(diào)試和開發(fā)平臺(tái)5.1 HCS12開發(fā)工具為了在校內(nèi)推廣HCS12單片機(jī)的使用和普及智能車校內(nèi)比賽，同時(shí)減低開發(fā)成本，我們參考MC9s12D系列相關(guān)技術(shù)文檔專門制作如下的單片機(jī)最小系統(tǒng)板和背景調(diào)試工具BDM。圖5.1MC9s12DG128最小系統(tǒng)板為了方便S12單片機(jī)的調(diào)試，我們根據(jù)開源的TBDML資料自行制作了USB接口的BDM仿真器。圖5.2 BDM仿真器第5章智能車調(diào)試和開發(fā)平臺(tái)5.2 智能車在線監(jiān)控調(diào)試系統(tǒng)要能方便地觀察視覺系統(tǒng)的處理結(jié)果，最直觀的辦法就是在機(jī)器人上安裝顯示部件。在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中，最常用

37、的就是數(shù)碼管和字符型LCD顯示器。但這兩種顯示器件都有很明顯的不足，就是顯示的信息量很少，只能顯示數(shù)字和英文字符，這在我們的調(diào)試中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，我們選用了點(diǎn)陣式圖形LCD顯示器作為我們的顯示器件。同時(shí)，由于我們的視覺系統(tǒng)處理的是256灰階的灰度圖，若采用單色LCD顯示器還是不能反映即時(shí)地工作狀況，同時(shí)考慮到視覺系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，我們決定應(yīng)用彩色TFTLCD顯示屏，這樣就可以實(shí)時(shí)反映視覺系統(tǒng)拍攝的影像了。我們選用的LCD顯示屏是一個(gè)2.0英寸大小，具有176X132像素和65536色顯示能力的TFT顯示屏。該顯示器內(nèi)置背光模組，并采用同步串行接口（SPI接口）通信，與單片機(jī)連接只需要5條信號(hào)線，

38、使用十分方便。同時(shí)，由于該屏幕原用于大批量生產(chǎn)的手機(jī)上，能方便地在手機(jī)配件市場(chǎng)上購買到，且價(jià)格十分低廉。圖5.3LCD顯示器運(yùn)行示意圖5.3 智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于智能車在跑道上實(shí)際工作時(shí)都處于高速運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)試人員也不可能隨時(shí)跟著車跑進(jìn)行觀察。應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并記錄下每時(shí)每刻機(jī)器人看到的圖像和做出的控制行為，就能在PC端監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行，方便地進(jìn)行離線數(shù)據(jù)分析。本設(shè)計(jì)選取了方便易用的無線串口傳輸方式，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：25圖5.4遠(yuǎn)程調(diào)試監(jiān)控系統(tǒng)智能車控制程序通過無線串口模塊把圖像、車體位置、車速、轉(zhuǎn)向、加速度等數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端的監(jiān)控軟件上，軟件能實(shí)時(shí)顯示圖像，并記錄車速、轉(zhuǎn)向、加速度等數(shù)據(jù)的歷史曲線，并顯示在電腦屏幕上，機(jī)器人的控制行為在屏幕上一目了然。通過這些數(shù)據(jù)，可以方便地整定電機(jī)PID控制器的參數(shù)，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向控制的參數(shù)。圖5.5 PC端監(jiān)控軟件第6章總結(jié)與展望本文主要介紹基于飛思卡爾HCS12單片機(jī)的智能模型車設(shè)計(jì)流程，介紹了攝像頭尋線方案以及各個(gè)主要模塊的工作原理和設(shè)計(jì)思路。本文并涉及智能車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、