東秦創(chuàng)意組初步技術(shù)報(bào)告

1、 - 1 -第九屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生 智能汽車競(jìng)賽 初步技術(shù)報(bào)告學(xué) 校： 東北大學(xué)秦皇島分校 隊(duì)伍名稱： 東秦創(chuàng)意組參賽隊(duì)員： 閆 莉 韓昕宇 張碧濤 黃 洋 葉志彬帶隊(duì)教師： 顧德英 孫文義關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解第九屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)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(yè)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： 本文設(shè)計(jì)的智能車系統(tǒng)以MK60DN512Z

2、VLQ10微控制器為核心控制單元，通過(guò)CCD攝像頭檢測(cè)賽道信息，使用模擬比較器對(duì)圖像進(jìn)行硬件二值化，提取黑色邊線，用于賽道識(shí)別；通過(guò)OV7725對(duì)交通指示燈進(jìn)行閾值分離提取箭頭，判斷箭頭方向控制轉(zhuǎn)向；通過(guò)光電編碼器檢測(cè)模型車的實(shí)時(shí)速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的角度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型車運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。為了提高模型車的速度和穩(wěn)定性，使用串口助手、Labview圖像上位機(jī)、藍(lán)牙模塊、LCD模塊、鍵盤模塊等調(diào)試工具，進(jìn)行了大量硬件與軟件測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確實(shí)可行。關(guān)鍵字：MK60DN512ZVLQ10，CCD，OV7725，PID控制 Abstract

3、TheintelligentvehiclesystemintroducedinthispaperbasedonMK60DN512ZVLQ10asthecorecontrolunit.ItusesCCDcameratochecktrackinformationandusesACMPtobinarizeimagesandextracttheblacklinewhichusedfortrackrecognition.ThesystemusesOV7725todothresholdingsegregationandextractthearrows,andcontrolthesteeringbyjudg

4、ingthedirectionofthearrows.Itusesphotoelectricencodertotestthemodelvehiclesreal-timespeedandusesPIDtoadjustthedrivemotorsrotationalspeedandsteeringenginesangle.Inthiswayitcanrealizetheclosed-loopcontroltothemodelvehiclesspeedandmovingdirection.Besides,inordertoincreaseitsspeedandimproveitsstability,

5、thesystemreceivedalotofhardwareandsoftwaretestingbydebuggingtoolssuchasSerialdebuggingassistant,Labview,Bluetoothmodule,LCDmodule,keyboardmodule,andsoon.Thetestingresultsindicatedthatthisdesignisfeasibleandreliable.Keywords: MK60DN512ZVLQ10,CCD,OV7725,PID control目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc39

6、3900452 摘 要 PAGEREF _Toc393900452 h - 3 - HYPERLINK l _Toc393900453 第一章引 言 PAGEREF _Toc393900453 h - 6 - HYPERLINK l _Toc393900454 1.1背景介紹 PAGEREF _Toc393900454 h - 6 - HYPERLINK l _Toc393900455 1.2整體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc393900455 h - 7 - HYPERLINK l _Toc393900456 1.2.1路徑檢測(cè)方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900456 h -

7、 7 - HYPERLINK l _Toc393900457 1.2.2指示燈檢測(cè)方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900457 h - 7 - HYPERLINK l _Toc393900458 1.2.3速度控制方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900458 h - 8 - HYPERLINK l _Toc393900459 1.2.4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900459 h - 9 - HYPERLINK l _Toc393900460 第二章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)整 PAGEREF _Toc393900460 h - 10 - HYPERLINK l _Toc

8、393900461 2.1舵機(jī)的固定與安裝 PAGEREF _Toc393900461 h - 10 - HYPERLINK l _Toc393900462 2.2四輪定位 PAGEREF _Toc393900462 h - 10 - HYPERLINK l _Toc393900463 2.2.1主銷后傾角 PAGEREF _Toc393900463 h - 11 - HYPERLINK l _Toc393900464 2.2.2主銷內(nèi)傾角 PAGEREF _Toc393900464 h - 12 - HYPERLINK l _Toc393900465 2.2.3前輪外傾角 PAGEREF _

9、Toc393900465 h - 13 - HYPERLINK l _Toc393900466 2.2.4前輪前束 PAGEREF _Toc393900466 h - 13 - HYPERLINK l _Toc393900467 2.2.5其他部分調(diào)整 PAGEREF _Toc393900467 h - 14 - HYPERLINK l _Toc393900468 2.3差速的調(diào)整 PAGEREF _Toc393900468 h - 15 - HYPERLINK l _Toc393900469 2.4整車重心的調(diào)整 PAGEREF _Toc393900469 h - 16 - HYPERLIN

10、K l _Toc393900470 2.5整車布局 PAGEREF _Toc393900470 h - 17 - HYPERLINK l _Toc393900471 第三章傳感器分析與布局 PAGEREF _Toc393900471 h - 18 - HYPERLINK l _Toc393900472 3.1賽道識(shí)別部分 PAGEREF _Toc393900472 h - 18 - HYPERLINK l _Toc393900473 3.1.1基于電壓比較器的硬件二值化原理 PAGEREF _Toc393900473 h - 19 - HYPERLINK l _Toc393900474 3.2

11、方向燈識(shí)別部分 PAGEREF _Toc393900474 h - 23 - HYPERLINK l _Toc393900475 3.3攝像頭的安裝 PAGEREF _Toc393900475 h - 26 - HYPERLINK l _Toc393900476 3.3.1攝像頭標(biāo)定 PAGEREF _Toc393900476 h - 26 - HYPERLINK l _Toc393900477 3.3.2Sony CCD的安裝 PAGEREF _Toc393900477 h - 27 - HYPERLINK l _Toc393900478 3.3.3OV7725的安裝 PAGEREF _To

12、c393900478 h - 28 - HYPERLINK l _Toc393900479 第四章硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900479 h - 29 - HYPERLINK l _Toc393900480 4.1整體硬件框圖 PAGEREF _Toc393900480 h - 29 - HYPERLINK l _Toc393900481 4.2電源電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900481 h - 29 - HYPERLINK l _Toc393900482 4.2.1單片機(jī)電源電路 PAGEREF _Toc393900482 h - 29 - HYPERLINK

13、 l _Toc393900483 4.2.2舵機(jī)供電 PAGEREF _Toc393900483 h - 30 - HYPERLINK l _Toc393900484 4.2.3攝像頭供電 PAGEREF _Toc393900484 h - 31 - HYPERLINK l _Toc393900485 4.3視頻信號(hào)二值化 PAGEREF _Toc393900485 h - 31 - HYPERLINK l _Toc393900486 4.4驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc393900486 h - 32 - HYPERLINK l _Toc393900487 4.5測(cè)速模塊 PAGEREF

14、 _Toc393900487 h - 33 - HYPERLINK l _Toc393900488 4.6主板電路圖 PAGEREF _Toc393900488 h - 34 - HYPERLINK l _Toc393900489 第五章控制算法設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900489 h - 35 - HYPERLINK l _Toc393900490 5.1系統(tǒng)總體控制流程圖 PAGEREF _Toc393900490 h - 35 - HYPERLINK l _Toc393900491 5.2軟件設(shè)計(jì)總體思路 PAGEREF _Toc393900491 h - 35 - HYPE

15、RLINK l _Toc393900492 5.3系統(tǒng)控制策略 PAGEREF _Toc393900492 h - 36 - HYPERLINK l _Toc393900493 5.3.1系統(tǒng)控制的特點(diǎn) PAGEREF _Toc393900493 h - 36 - HYPERLINK l _Toc393900494 5.3.2系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc393900494 h - 36 - HYPERLINK l _Toc393900495 第六章系統(tǒng)開發(fā)及調(diào)試工具 PAGEREF _Toc393900495 h 44 HYPERLINK l _Toc393900496 6.1

16、開發(fā)工具 PAGEREF _Toc393900496 h 44 HYPERLINK l _Toc393900497 6.2上位機(jī)圖像顯示 PAGEREF _Toc393900497 h 44 HYPERLINK l _Toc393900498 6.3無(wú)線調(diào)試藍(lán)牙模塊 PAGEREF _Toc393900498 h 46 HYPERLINK l _Toc393900499 第七章車模主要技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc393900499 h 47 HYPERLINK l _Toc393900500 第八章總 結(jié) PAGEREF _Toc393900500 h 48背景介紹“飛思卡爾”杯智能汽車

17、競(jìng)賽是教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦，以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵(lì)創(chuàng)新、追求卓越”為口號(hào)，為提高大學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力而舉辦的。為了能夠進(jìn)一步提高大學(xué)生創(chuàng)新能力、豐富競(jìng)賽內(nèi)容、提高競(jìng)賽水平，全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽在競(jìng)速比賽基礎(chǔ)上設(shè)置了創(chuàng)意組競(jìng)賽，至今已經(jīng)成功舉辦了六屆。本屆創(chuàng)意比賽分為兩個(gè)賽題組，分別是特技組和指標(biāo)組。特技組注重參賽作品的突破車模常規(guī)運(yùn)行的能力，體現(xiàn)參賽隊(duì)伍的想象力和創(chuàng)造力，以提高創(chuàng)意組的觀賞性。指標(biāo)組則強(qiáng)調(diào)車模運(yùn)行的性能指標(biāo)，培養(yǎng)參賽隊(duì)伍在工程實(shí)踐中注重細(xì)節(jié)和優(yōu)化的能力，指標(biāo)組的評(píng)比過(guò)程更加強(qiáng)調(diào)客觀性。綜合考慮自身的條件和愛好，最終選

18、擇了參加指標(biāo)組比賽。參加指標(biāo)組比賽的隊(duì)伍就是在接近實(shí)際路況的情況下，實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別路況、規(guī)劃軌跡完成行駛?cè)蝿?wù)。此次創(chuàng)意組比賽對(duì)提高汽車的自主駕駛能力對(duì)于提高出行安全性、降低駕駛負(fù)擔(dān)具有現(xiàn)實(shí)的重要意義。本技術(shù)報(bào)告將針對(duì)我們制作小車過(guò)程中各個(gè)模塊進(jìn)行闡述并列出了模型車的主要技術(shù)參數(shù)。整體設(shè)計(jì)方案路徑檢測(cè)方案設(shè)計(jì)根據(jù)本屆創(chuàng)意賽指標(biāo)組題目要求，小車需按照賽道自主行駛，并根據(jù)交通指示燈轉(zhuǎn)向，識(shí)別障礙及斷車道等路況，考慮到小車需要精準(zhǔn)的檢測(cè)路況信息并作出提前判斷，由此我們選擇信息量豐富的攝像頭作為路徑檢測(cè)的傳感器。循跡攝像頭方案的選擇：方案一：采用CCD攝像頭。CCD攝像頭優(yōu)點(diǎn)是成像質(zhì)量好，特別是動(dòng)態(tài)效果比

19、CMOS攝像頭的效果要好很多。但是CCD 攝像頭的功耗比CMOS攝像頭要高，工作電流有100mA 左右。且輸出模擬信號(hào)需轉(zhuǎn)換才能使用。方案二：采用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭。CMOS攝像頭功耗較低，工作電流只有10mA左右。并且CMOS攝像頭出來(lái)直接是數(shù)字信號(hào) 綜合兩種方案，考慮到我們對(duì)高速下圖像質(zhì)量要求較高，且比賽時(shí)間較短，結(jié)合電路優(yōu)化后功耗對(duì)系統(tǒng)影響較小，信號(hào)方面可以通過(guò)硬件二值化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行采集處理，因此選用CCD攝像頭能更好的滿足要求。指示燈檢測(cè)方案設(shè)計(jì)指標(biāo)組賽題在十字道口設(shè)有交通指示燈，根據(jù)箭頭方向進(jìn)行左轉(zhuǎn)、直走、右轉(zhuǎn)，且指示燈距賽道高度為50厘米，經(jīng)試驗(yàn)，只用一個(gè)攝像頭在檢測(cè)賽道同

20、時(shí)無(wú)法檢測(cè)到轉(zhuǎn)向燈，使用廣角鏡頭調(diào)整合適角度后雖然可以都檢測(cè)到，但路面信息會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真和干擾，影響小車正常行駛，因此我們采用雙攝像頭分別對(duì)賽道和指示燈進(jìn)行識(shí)別。攝像頭及識(shí)別指示燈方案的選擇：方案一：采用CCD攝像頭+硬件濾光。彩色CCD模擬攝像頭的信號(hào)是復(fù)合信號(hào)，通過(guò)視頻同步分離芯片LM1881能分離出行場(chǎng)信號(hào)，但無(wú)法得到單獨(dú)的圖像信號(hào)，因此無(wú)法直接用CCD進(jìn)行采集，經(jīng)我們考慮，硬件二值化后得到的圖像時(shí)黑白的，且燈光部分是明顯的白色，因此可調(diào)整適當(dāng)?shù)拈撝凳怪甘緹舻募^更突出，但是當(dāng)背景雜亂時(shí)會(huì)對(duì)圖像處理程序產(chǎn)生干擾，無(wú)法正常識(shí)別箭頭方向。根據(jù)光學(xué)原理，采用紅色濾光片可通過(guò)紅光，吸收其他波長(zhǎng)

21、的光線，因此在攝像頭鏡頭前加紅色濾光片可以透過(guò)箭頭的紅光，而濾去背景其他光線的干擾，使圖像只顯示箭頭形狀，再經(jīng)過(guò)算法對(duì)箭頭方向進(jìn)行識(shí)別，經(jīng)試驗(yàn)，此方法可行。方案二：采用OV7725彩色數(shù)字?jǐn)z像頭+軟件濾光。采用彩色數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接用閾值分割算法對(duì)箭頭的紅色亮燈區(qū)域進(jìn)行濾波，從而得到箭頭的用圖像。方法簡(jiǎn)單但I(xiàn)O口占用較多。綜合兩種方案，方案一雖然簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，考慮到同時(shí)使用兩個(gè)CCD攝像頭12V供電功耗太大，且CCD攝像頭體積較大重量較重，放置兩個(gè)CCD攝像頭會(huì)影響整車的重心，影響小車穩(wěn)定性；方案二雖然算法繁瑣，但在車高速行駛時(shí)能保持其穩(wěn)定性，因此方案二更適用。速度控制方案設(shè)計(jì)在保證賽車穩(wěn)定性的

22、前提下，提高速度是獲勝的關(guān)鍵，也是我們?cè)O(shè)計(jì)的重點(diǎn)。對(duì)賽車速度的控制主要有兩種方案。即：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。方案一：開環(huán)控制。開環(huán)控制是指沒有反饋的控制。即通過(guò)預(yù)先設(shè)定的方案，沒有外部反饋地進(jìn)行操作。優(yōu)點(diǎn)在于操作和控制比較簡(jiǎn)單，只需要提供理論運(yùn)行的過(guò)程然后編程調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)在于理論和實(shí)際始終有一定的誤差，實(shí)踐證明開環(huán)控制的精度不高，無(wú)法切實(shí)有效的提高速度。方案二：閉環(huán)控制。閉環(huán)控制是指具有反饋的控制。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要不斷檢測(cè)賽車速度的狀態(tài)， 與預(yù)期的狀態(tài)進(jìn)行比較， 當(dāng)相差到一定程度時(shí)， 修正誤差， 精度很高。但是缺點(diǎn)在于電路的搭建和程序的編制都比開環(huán)控制要復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制傳感器

23、主要是采用光電編碼器，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的時(shí)候形成脈沖，由外部器件捕獲這些脈沖，得出與實(shí)際運(yùn)行的差異。綜合兩種方案，開環(huán)速度控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但速度會(huì)隨著電池電壓的變化而變化，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制。為了使小車能以不同的速度通過(guò)不同的彎道，精確的速度控制是關(guān)鍵。而且由于賽道上有斜坡，賽車安全通過(guò)斜坡的關(guān)鍵是控制上坡和下坡的速度，所以對(duì)于采用速度閉環(huán)控制的賽車來(lái)說(shuō)通過(guò)斜坡就像是通過(guò)普通的直道一樣的簡(jiǎn)單，不需要對(duì)斜坡進(jìn)行專門的檢測(cè)。因此采用方案二閉環(huán)控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)綜合以上分析，該系統(tǒng)以 Freescale 32位單片機(jī)MK60DN512ZVLQ10作為系統(tǒng)控制處理器， 采用基于的攝像頭的

24、圖像采樣模塊獲取賽道圖像信息，以PD方式對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行反饋控制,電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用 PID控制，通過(guò) PWM 控制驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電機(jī)的功率,通過(guò)特定算法分析出前方的路況，并根據(jù)路況的不同為小車選取最優(yōu)路徑在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)。系統(tǒng)的整體框圖如圖1.3-1所示：K60控制器Sony CCDK60控制器Sony CCD編碼器電機(jī)輸出舵機(jī)輸出OV7725電機(jī)驅(qū)動(dòng)二值化圖1.2 整體系統(tǒng)框圖 舵機(jī)的固定與安裝對(duì)于舵機(jī)的安裝，不難發(fā)現(xiàn)，將舵機(jī)的擺臂增長(zhǎng)可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。因?yàn)槎鏅C(jī)的擺臂越長(zhǎng)，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度越小，即時(shí)間越短。由于我們選擇的是A車模，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)舵機(jī)是豎著安裝時(shí)

25、，位置在車模底板正中央，這對(duì)以后的電路板的設(shè)計(jì)有影響，所以還是把舵機(jī)安置到了與前輪平行的地方，但是豎著安裝，并增長(zhǎng)了擺臂，如圖2.1所示，而且兩條拉桿的長(zhǎng)度也在合理的范圍內(nèi)做了相應(yīng)的調(diào)整。雖然加大力臂會(huì)加快舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，但是力臂的長(zhǎng)度和力矩是成反比的，會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)有一個(gè)空轉(zhuǎn)的角度，所以要在多次的實(shí)驗(yàn)中選擇合適的力臂。圖2.1 舵機(jī)安裝圖四輪定位為保證智能小車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便靈活并盡可能的減少輪胎磨損， 需要對(duì)小車的四輪定位參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。四輪定位內(nèi)容主要有：主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角，前輪外傾角，前輪前束，外側(cè)車輪二十度時(shí)，內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角差，后輪外傾角，后輪前束。其中，前輪定位的參數(shù)對(duì)小車性能有著

26、至關(guān)重要的影響，這四個(gè)參數(shù)反映了前輪、主銷和前軸三者之間在車架上的位置關(guān)系。本文將對(duì)這四個(gè)參數(shù)做詳細(xì)闡述。主銷后傾角 主銷：轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，前軸的軸荷通過(guò)主銷傳給轉(zhuǎn)向車輪,具備這兩點(diǎn)的就叫做主銷。主銷后傾角：主銷的軸線相對(duì)于車輪的中心線向后傾斜的角度。前輪重心在主銷的軸線上由于主銷向后傾斜使前輪的重心不在車輪與地面的接觸點(diǎn)上，于是產(chǎn)生了離心力，主銷后傾而形成的離心力，可以保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性還可以幫助車輪自動(dòng)回正。主銷后傾角延長(zhǎng)線離地面實(shí)際接觸越遠(yuǎn)，車速越高，離心力就越大。在高速行駛中保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)募哟笾麂N后傾角可以幫助轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，可有效扼制轉(zhuǎn)向器的擺振，可使

27、轉(zhuǎn)向便輕，單獨(dú)適量調(diào)一側(cè)的主銷后傾角可修理行駛跑偏。主銷后傾角靠離心力保證汽車直線行駛和車輪自動(dòng)回正。高速行駛時(shí)跑偏可通過(guò)主銷后傾角調(diào)節(jié)。但主銷后傾角過(guò)大會(huì)造成高速時(shí)轉(zhuǎn)向發(fā)飄。調(diào)整主銷后傾角為1 3，可通過(guò)增減黃色墊片數(shù)量來(lái)改變。如圖2.2.1所示： 圖2.2.1主銷后傾角 主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角：在小車前后方向上，主銷向內(nèi)傾斜一個(gè)角度，主銷軸線與垂線間的夾角稱為主銷內(nèi)傾角。由于主銷軸線向內(nèi)傾斜，所以使前軸荷更接近前輪中心線（前軸重心越接近前輪中心線轉(zhuǎn)向越輕）麥弗遜式懸架分為零主銷偏移和負(fù)主銷偏移兩種。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷內(nèi)傾的原因，車輪連同整個(gè)汽車的前部將被抬起一定高度；當(dāng)

28、外力消失后，車輪就會(huì)在重力作用下恢復(fù)到原來(lái)的中間位置。故主銷內(nèi)傾角可保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性，還可幫助車輪自動(dòng)回正，主銷內(nèi)傾軸線延長(zhǎng)線在沒超過(guò)前輪中心線的前提下，離前輪中心線越近，轉(zhuǎn)向角越大，轉(zhuǎn)向輪抬起的越高，車輪的回正力矩就越大。從而使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也減小了由于路面不平而從轉(zhuǎn)向輪輸出的力反饋。主銷內(nèi)傾角靠前軸軸荷保證汽車直線行駛和車輪自動(dòng)回正。但主銷內(nèi)傾角不宜過(guò)大，否則在轉(zhuǎn)向時(shí)車輪主銷偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，輪胎與路面將產(chǎn)生較大的滑動(dòng)，從而增加輪胎與路面間的摩擦阻力，不僅會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重，還將加速輪胎的磨損。通常調(diào)節(jié)主銷內(nèi)傾角不大于8度。如圖2.2.2所示。圖2.2.2 主銷內(nèi)傾角 前輪外傾角前輪

29、外傾角：在汽車的橫向平面內(nèi)，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)減小轉(zhuǎn)向阻力，使小車轉(zhuǎn)向輕便；另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增加了使用壽命，提高了安全性。一般前輪外傾角為1左右，但對(duì)于有高速、急轉(zhuǎn)向要求的車輛，前輪外傾角可減小甚至為負(fù)值。如圖2.2.3所示:圖2.2.3 前輪外傾角 前輪前束前輪前束：俯視車輪，汽車的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現(xiàn)象稱為前輪前束。車輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調(diào)，使前輪在汽車行駛中滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。圖2.2.4 前輪前束 圖2.2.5 前

30、輪調(diào)整圖 其他部分調(diào)整其他部分調(diào)整主要涉及到小車底盤高度、小車重心位置、后輪距、減震器、齒輪咬合、差速器等。具體調(diào)整如下：1、底盤高度調(diào)整：底盤高度可以影響重心。適當(dāng)降低底盤高度可以使小車重心降低，有利于過(guò)彎穩(wěn)定。實(shí)際調(diào)整可以通過(guò)調(diào)整前輪高度、后輪軸高度調(diào)節(jié)塊等方式來(lái)調(diào)節(jié)。2、重心位置：重心位置同樣影響小車性能。重心過(guò)前，增加轉(zhuǎn)向阻力，引起轉(zhuǎn)向遲滯。另外，如果小車速度很快的情況下，上下坡道的時(shí)候會(huì)造成前輪首先著地，很可能造成小車意外事故。重心過(guò)后，則會(huì)使小車前輪抓地不足，造成過(guò)彎非常不穩(wěn)定。實(shí)際調(diào)整以重心在電池處為準(zhǔn)，保持各部分重量均衡。3、后輪距調(diào)整：后輪距可以通過(guò)換裝后輪寬度調(diào)整塊來(lái)調(diào)整。

31、合適的后輪寬度會(huì)是小車直線性能和彎道性能更優(yōu)，利于小車穩(wěn)定。4、齒輪咬合調(diào)整：調(diào)整齒輪咬合，以不松動(dòng)，無(wú)卡滯，松緊合適為準(zhǔn)。另外還要保證齒輪間咬合有足夠的接觸面積。5、差速器調(diào)整：小車采用的差速器為滾珠式差速器。合適的差速器調(diào)整能夠提高小車入彎速度，提高彎道性能。差速器調(diào)整可以通過(guò)右后輪輪軸上面的螺絲。注意調(diào)整過(guò)松，會(huì)嚴(yán)重影響直道加速性能；調(diào)整過(guò)緊則會(huì)使差速器處于無(wú)效狀態(tài)。差速器滾珠處可以適當(dāng)添加潤(rùn)滑劑，保證差速器平滑。差速的調(diào)整后輪的相對(duì)松緊程度，也就是差速對(duì)拐彎有很大的影響。差速太緊，則拐彎容易甩尾，速度快的時(shí)候很容易甩出去，但是差速如果太松，雖然會(huì)改善轉(zhuǎn)彎性能，但是嚴(yán)重影響了直線上的加減

32、速，而且齒輪的咬合也不是很好，對(duì)齒輪會(huì)有一定的損壞。所以，后面兩個(gè)輪子的相對(duì)松緊程度要適中，經(jīng)過(guò)多次的調(diào)試，我們得出了比較滿意的效果，即將模型車放到跑道上，用手抓住后輪的一只輪子使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)，在賽道上推車子轉(zhuǎn)彎，如果車子能夠稍輕松的推動(dòng)，則此時(shí)的差速器為最適合。調(diào)節(jié)差速可以通過(guò)調(diào)整大車輪里面的螺母松緊和外面車輪的松緊達(dá)到調(diào)成差速的效果，一般把舵機(jī)打到最大擺角，用手快速推車沒感覺到很大的阻力就可以。注意防止差速太松，帶動(dòng)后輪動(dòng)力不足。圖2.3 差速調(diào)整 整車重心的調(diào)整模型車的重心對(duì)車子的整體性能的影響集中表現(xiàn)為前輪對(duì)地摩擦力的影響和車體否能穩(wěn)定行駛。垂直高度上的重心影響車的穩(wěn)定性，重心越低，穩(wěn)定

33、性越高，當(dāng)然這要求保證車的底板不會(huì)出現(xiàn)觸地的現(xiàn)象；水平方向上的重心位置極其重要，它將直接影響了前輪對(duì)地的摩擦力，也就是我們想要的前輪抓地能力的強(qiáng)度。所以為了提高車對(duì)整個(gè)跑道的綜合性能，我們將車的垂直重心盡可能降到最低，而將水平重心的位置調(diào)整為型心偏后，這樣可以防止過(guò)彎時(shí)出現(xiàn)甩尾。調(diào)整模型車的垂直重心時(shí)，在前輪懸架下擺臂與底板之間加上墊片，后輪框架與底板之間增加固定板和墊片來(lái)調(diào)整底盤后半部分的離地間隙。小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)很重要，對(duì)速度的提高有很大的關(guān)系。調(diào)整的原則是垂直重心盡量低，這樣有助于車模過(guò)急彎時(shí)的穩(wěn)定。而水平重心靠前會(huì)加大前輪的負(fù)擔(dān)，增加轉(zhuǎn)向的難度，而靠后會(huì)使前輪轉(zhuǎn)向振蕩，水平重心的調(diào)整要盡

34、量平衡這兩方面。電路以簡(jiǎn)潔為美，各個(gè)模塊要分明，這樣既可以減輕車模的重量，同時(shí)又美觀。要注意到電路板的安放對(duì)車模的重心也是有很大的影響。整車布局智能車比賽作為競(jìng)速比賽，對(duì)智能車系統(tǒng)的高速性和穩(wěn)定性要求都非常高，這也對(duì)智能車系統(tǒng)的整體組裝提出非常高的要求。因此在布局上應(yīng)盡量的對(duì)稱、簡(jiǎn)潔。經(jīng)過(guò)理論論證與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們得到以下幾點(diǎn)布局原則：（1）車模底盤降低，放低主板，以降低重心。（2）舵機(jī)采用臥式安裝方式，利于控制。（3）用輕便堅(jiān)固的碳纖桿作為攝像頭桿的材料。（4）攝像頭安于車體的前方，有利于重心分布和盲區(qū)與前瞻的匹配圖2.5 整體效果圖賽道識(shí)別部分在賽道識(shí)別部分，我們選擇了sony ccd為賽道

35、識(shí)別的主要傳感器，由于小車的電池電壓為7.2V，而CCD攝像頭的工作電壓為12V，故需要利用芯片搭建升壓電路。視頻信號(hào)每場(chǎng)是是不同的行組成場(chǎng)與場(chǎng)之間，行與行之間都存在同步信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)這些同步信號(hào)的捕捉，來(lái)控制圖像采集的時(shí)序，保證圖像采集的正確性。視頻信號(hào)分離芯片LM1881能將視頻信號(hào)中的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖提取出來(lái)，并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)交給單片機(jī)的I/O 口。因此還需要用LM1881搭建視頻分離電路。接下來(lái)也是最重要的部分， 由于模擬攝像頭采集的圖像信號(hào)為模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為離散的數(shù)字系統(tǒng)，故需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才能交付MCU處理。我們所選用的MK60DN512ZVLQ

36、10微控制器中集成了多路AD口，同時(shí)還具有豐富的IO接口資源，而且大賽中小車賽道色彩構(gòu)成的簡(jiǎn)單性，使得視頻信號(hào)數(shù)字化方案變得多樣化。小車以模擬CCD攝像頭為傳感器，模擬式的采集先將一路視頻信號(hào)，通過(guò)視頻分離電路可以將攝像頭輸出的復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行分離，得到獨(dú)立的同步信號(hào)和視頻模擬量信號(hào)，然后通過(guò)逐行采樣來(lái)完成整幅圖像的采集。在初步計(jì)劃方案中我們擬定了三種對(duì)行信號(hào)的數(shù)字化的方法：表3.1 采集方法對(duì)比經(jīng)過(guò)比較之后，我們選擇采用硬件二值化的方式進(jìn)行賽道的處理，這樣既減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，也更加簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了賽道識(shí)別。3.1.1基于電壓比較器的硬件二值化原理 由于大賽中，賽道僅由黑白兩色組成，圖像所以即使

37、是灰度數(shù)據(jù)，我們最后處理時(shí)也一般要在軟件上進(jìn)行二值化將圖像分割成黑白二色圖片。所以，我們可以考慮直接用硬件進(jìn)行圖像二值化，將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為一組方波信號(hào)，然后直接輸入到一位I/O口中，對(duì)這一位的端口進(jìn)行讀取，高電平表示1，低電平表示0。 采用固定參考電壓的二值電路設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，對(duì)參考閾值電壓調(diào)結(jié)也比較方便只需調(diào)結(jié)一個(gè)電位器阻值即可（為系統(tǒng)增加一個(gè)LCD，可直接在調(diào)結(jié)電位器后采集到的圖像），故具有一定的場(chǎng)地適應(yīng)性。但在實(shí)際使用過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)采用固定參考電壓的二值電路在CCD視野比較遠(yuǎn)時(shí)，仍然會(huì)出現(xiàn)圖像無(wú)法分割的現(xiàn)象，此時(shí)該方法不再適用，故可以考慮采用邊沿檢測(cè)的二值電路。邊沿檢測(cè)二值電路中，將

38、原始視頻信號(hào)和滯后處理的視頻信號(hào)輸入到電壓比較器兩端，在視頻信號(hào)跳變邊沿會(huì)在兩路輸入產(chǎn)生幅度差，然后當(dāng)幅度相差到一定程度（由滯回電路控制）時(shí)，電壓比較器輸出端便發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，最后以方波形式輸出視頻信號(hào)。首先我們對(duì)一般的RC電路的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了解，如下面所陳述：圖3.1.1 普通的RC電路電容兩端的輸出電壓和電源電壓的關(guān)系如下：電壓上升幅度和上升時(shí)間（滯后時(shí)間）對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：表3.1.1 滯后時(shí)間表 黑線的視頻信號(hào)時(shí)間為34s（R2=1.3K）圖3.1.2 賽道中黑線產(chǎn)生的信號(hào) 一般為了獲得兩組視頻信號(hào)在同樣的時(shí)間軸點(diǎn)時(shí)獲得最大的電壓差，就要求，滯后信號(hào)盡量滯后。 但也不能太滯后。比如以下情況：

39、(R2=6.4k)圖3.1. 3 當(dāng)R2比較大時(shí)的滯后輸出信號(hào)下面是幾張不同滯后電阻時(shí)的視頻信號(hào)輸出圖：圖3.1.4 電路在不同滯后電阻下的輸出波形那么我們計(jì)算出一個(gè)大致R2 的參考值。我們要求在黑線區(qū)，滯后信號(hào)時(shí)間剛好為一個(gè)黑線視頻信號(hào)的時(shí)間，也就是大概34s，在保證在下一次上升沿到來(lái)前已經(jīng)達(dá)低谷，以保證上升沿的電壓差。如上表，大概 t=35倍RC,我們就可以認(rèn)為電壓已經(jīng)到了最值。那么，要求滯后視頻信號(hào)能在T0 = 35個(gè)RC內(nèi)能夠達(dá)到最值，而T034s.大致算一下：3*10-6 4*R2*510*10-12得到R2=1.47K 能在3s時(shí)間后，電壓達(dá)到 原始跳變點(diǎn)的0.98得到R2=1.9

40、6K 能在4s（剛好是一個(gè)近處的黑線視頻信號(hào)的寬度）時(shí)間后，電壓達(dá)到原始跳變點(diǎn)的0.98所以，一般 R2就取其中的某個(gè)值。在實(shí)際中，配合LCD，調(diào)節(jié)R2電位器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)R2=1.85K時(shí)有比較好的效果，符合理論計(jì)算結(jié)果。滯回電壓Vh R4/ (R4+R5) * (Vo_max - Vo_min)因?yàn)楹诰€邊緣產(chǎn)生約400mV跳變(由示波器上很容易看出),所以,滯回電壓選擇為100-400mV實(shí)驗(yàn)中,將R4設(shè)置為4.5K,產(chǎn)生215mV的滯回電壓,一方面能比較好的搞干擾,一方面,使黑線不至于過(guò)細(xì)。方向燈識(shí)別部分 經(jīng)過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的CCD二值化很難處理復(fù)雜的環(huán)境影響，無(wú)法準(zhǔn)確的識(shí)別信號(hào)燈及箭頭

41、，因此我們經(jīng)過(guò)多次嘗試，最后決定采用OV7725對(duì)方向燈進(jìn)行識(shí)別。OV7725配置如下：在OV7725中有幾個(gè)相關(guān)的比較重要的寄存器，0X0D、0X11、0X33.0X0D主要是實(shí)現(xiàn)倍頻的，通過(guò)高兩位來(lái)控制四種倍頻情況，00：不倍頻，01：PLL 4*，10：PLL 6*，11：PLL 8*。0X11用來(lái)分頻，Bit5:0：F(internal clock)=F(input clock)/(Bit5:0+1),范圍是0-31MHZ。0X33這個(gè)地址中代表的內(nèi)容是虛擬線低八位（Dummy line Low 8 Bits）。觀察0X28，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有這么一句話：Decrease frame ra

42、te by inserting dummy vertical sync equal to maximum exoposure lines.這就是說(shuō)要減少幀率的話就得插入虛擬的垂直同步也就是增大lines。下面從兩段不同的代碼中分析：1、30 fps, PCLK = 24MhzSCCB_salve_Address = 0 x42;write_SCCB(0 x11, 0 x01);write_SCCB(0 x0d, 0 x41);write_SCCB(0 x2a, 0 x00);write_SCCB(0 x2b, 0 x00);write_SCCB(0 x33, 0 x00);write_SCCB

43、(0 x34, 0 x00);write_SCCB(0 x2d, 0 x00);write_SCCB(0 x2e, 0 x00);write_SCCB(0 x0e, 0 x65);2、25fps, PCLK = 24MhzSCCB_salve_Address = 0 x42;write_SCCB(0 x11, 0 x01);write_SCCB(0 x0d, 0 x41);write_SCCB(0 x2a, 0 x00);write_SCCB(0 x2b, 0 x00);write_SCCB(0 x33, 0 x66);write_SCCB(0 x34, 0 x00);write_SCCB(0

44、 x2d, 0 x00);write_SCCB(0 x2e, 0 x00);write_SCCB(0 x0e, 0 x65);這兩端代碼的輸入clk都是24MHZ，輸出PCLK相同都是24MHZ，但frame rate一個(gè)是30fps,一個(gè)為25fps,程序中只有0X33不同，如何通過(guò)將0X33設(shè)置為0X66，從而將30fps變?yōu)?5fps?？聪旅娴姆治觯簭膱D片中我們可以看到一個(gè)VSYNC有510個(gè)t(LINE),所以30fps表示有30*510*t(LINE),結(jié)合上面對(duì)于0X33的分析，因?yàn)槎际?4MHZ，所以30fps和25fps兩個(gè)時(shí)間相同。故在這510個(gè)LINE中插入102個(gè)（0X6

45、6）LINE,總的時(shí)間才會(huì)相同。30*510*t(LINE)=25*(510+102)*t(LINE).當(dāng)然幀率會(huì)隨著PCLK的變化而變化，當(dāng)PCLK變?yōu)?2MHZ時(shí)，幀率也就減為15fps了。攝像頭的安裝圖中梯形區(qū)域ABCD 為道路檢測(cè)范圍。為了克服車模執(zhí)行結(jié)構(gòu)的慣性和時(shí)間延遲的影響，前方道路檢測(cè)范圍越大，對(duì)提高模型車速度越有利。直線AB 是道路檢測(cè)最前端，它距離模型車前端的距離EH 為道路檢測(cè)前瞻距離。它的長(zhǎng)度AB 是道路檢測(cè)最大范圍，在GH 之間是道路檢測(cè)盲區(qū)。調(diào)整攝像頭的安裝位置與方向，能夠增加檢測(cè)前瞻距離，檢測(cè)范圍并減少檢測(cè)盲區(qū)，可以提高車模的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。但是檢測(cè)范圍與檢測(cè)精度

46、是一對(duì)矛盾，檢測(cè)的前瞻距離與檢測(cè)盲區(qū)也是一對(duì)矛盾。因此需權(quán)衡利弊，調(diào)整傳感器位置來(lái)最大程度從硬件上避免前瞻對(duì)系統(tǒng)的影響。攝像頭標(biāo)定 由于近端采用了選擇性采集，圖像產(chǎn)生了額外的畸變。這種畸變是由我們自己采集的原因造成的，因此可以很容易的校正成原始樣子。由于我們采用了120的廣角鏡頭，這是這對(duì)于賽道信息的判斷會(huì)產(chǎn)生偏差，為了克服這種誤差，我們特地對(duì)攝像頭進(jìn)行了標(biāo)定，這樣對(duì)于賽道信息的判斷，準(zhǔn)確的選取前瞻量起到非常大的作用。 圖3.3.1 攝像頭標(biāo)定示意圖Sony CCD的安裝由于我們的Sony CCD采用的是廣角鏡頭，因此在視野上是非常寬闊的，所以我們的ccd并不需要抬得太高，以一個(gè)較低的角度便可

47、以識(shí)別賽道，也避免了信息太多造成干擾。圖3.3.2 Sony CCD安裝效果示意圖OV7725的安裝 因?yàn)樾盘?hào)燈的安裝是距離地面50厘米高，為了避免周圍環(huán)境的影響，我們決定以仰視的方式來(lái)安裝OV7725，這樣攝像頭便可以安在一個(gè)較低的位置，也降低了車的中心避免其在行駛過(guò)程中由于質(zhì)量太大，造成固定桿震動(dòng)從而影響到圖像識(shí)別。圖3.3.3 OV7725安裝效果示意圖整體硬件框圖 整個(gè)硬件系統(tǒng)采用的是模塊化的設(shè)計(jì)思想，整體的硬件框圖如圖所示： 電源模塊電源模塊控制核心k60單片機(jī)LCD液晶顯示與鍵盤模塊控制器模塊攝像頭模塊測(cè)速模塊舵機(jī)使能控制電路模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件電路系統(tǒng)主要分為主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、

48、硬件二值化電路，輔助電路。主控電路k60核心板。驅(qū)動(dòng)電路包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊等。輔助電路包括傳感器模塊。下面分別詳細(xì)介紹各模塊內(nèi)容。電源電路設(shè)計(jì)電源模塊作為小車的動(dòng)力核心，除了滿足小車所需，盡量簡(jiǎn)單穩(wěn)定。單片機(jī)電源電路 整車的硬件電路電源由可充電鎳鎘電池提供（7.2V、2000mAh）。但是系統(tǒng)中的各個(gè)電路模塊所需要的工作電壓和工作電流各不相同，所以設(shè)計(jì)了多種穩(wěn)壓電路，將電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。 電壓種類大致有3.3V為MCU,攝像頭ov7725供電；5V為圖像處理電路、速度反饋信號(hào)處理電路供電；6V為舵機(jī)提供工作電壓；12V為攝像頭ccd供電； 我們使用的最小

49、系統(tǒng)K60芯片工作時(shí)需要3.3V供電，3.3V穩(wěn)壓芯片選擇了我們很熟悉的LM1117-3.3V，1117無(wú)需調(diào)整電阻等參數(shù)，簡(jiǎn)單實(shí)用，穩(wěn)定高效，電流紋波等也完全滿足單片機(jī)電路工作的要求，因?yàn)閱纹瑱C(jī)作為核心器件，為了保證單片機(jī)的穩(wěn)定工作，我們采用兩級(jí)降壓，電路圖如圖所示。 圖 5V電源電路圖 3.3V電源電路舵機(jī)供電LM2941 獲得的6V 電源為舵機(jī)供電，經(jīng)測(cè)試，6V 供電下的舵機(jī)在使用過(guò)程中相應(yīng)較快、電壓穩(wěn)定，能滿足我們的控制需求。圖4.2.2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路攝像頭供電 路徑識(shí)別我們采用的模擬ccd攝像頭，需要12伏供電，12V通過(guò)DC-DC升壓模塊得到，輸出可調(diào)。

50、方向燈識(shí)別采用彩色攝像頭ov7725，需要3.3v供電。 圖4.2.3 攝像頭3.3V供電電路視頻信號(hào)二值化攝像頭視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，就必須通過(guò)視頻同步分離電路準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)間的邏輯關(guān)系。于是我們使用了經(jīng)典的LM1881芯片對(duì)視頻信號(hào)同步分離，得到行同步、場(chǎng)同步信號(hào)。同時(shí)，硬件二值化我們測(cè)試使用過(guò)峰值比較電路，邊沿檢測(cè)電路，反向比較電路。由于我們自制的反向比較電路，設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性高，最終選用反向比較電路。圖4.3.1 二值化電路驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控

51、制直流電機(jī)，使電機(jī)在給定的速度下運(yùn)行，控制電機(jī)加減速，是小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)選BTN7971驅(qū)動(dòng)芯片。采用2片BTN7970組成一個(gè)完整的H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)l路有刷直流電機(jī)，如圖所示。其中，0UT端分別接電機(jī)的兩 端；IS端接下拉電阻，用于配置IS端輸出電壓的范圍；MOTOR_PWM_A與MOTOR_PWM_B，分別輸出非零占空比的PWM和零占空比的PWM，保證左右半橋上下背各有一個(gè)導(dǎo)通，組成一個(gè)回路；通過(guò)MOTORCURRENT端間接采集并計(jì)算得到的電流，為通過(guò)左或右半橋上背P溝道MOSFET管的電流；SR引腳通過(guò)下拉電阻接地，用于調(diào)節(jié)MOSFET管開關(guān)頻率，這里接5.1 k電阻，BTN7

52、970的開關(guān)時(shí)間分別為4.43.4s。另外，由于BTN7970內(nèi)部沒有光電隔離，故在與MCU接口時(shí)串聯(lián)10 k電阻，防止驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生擊穿等故障時(shí)損壞與其相連接的MCU等器件 圖4.4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)在控速的過(guò)程中會(huì)頻繁的正反轉(zhuǎn)，防止電機(jī)產(chǎn)生的反向電流返回單片機(jī)，導(dǎo)致單片機(jī)的燒壞，因此在驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)之間加上74hc244起隔離保護(hù)作用，電路如圖。 圖4.4.2 輸入保護(hù)電路測(cè)速模塊測(cè)速模塊用了157線編碼器作為測(cè)速傳感器，經(jīng)過(guò)換算20ms定時(shí)器計(jì)數(shù)一次，反饋輸入到閉環(huán)PID 進(jìn)行控速。主板電路圖系統(tǒng)總體控制流程圖開始開始圖像處理，獲取偏差采集圖像信息圖像采集完成？舵機(jī)控制PID速度調(diào)節(jié)判斷

53、賽道類型場(chǎng)中斷行中斷，圖像采集圖像采集完成場(chǎng)中斷編碼器速度采集PID速度調(diào)節(jié)否是主程序中斷程序 軟件設(shè)計(jì)總體思路本程序設(shè)計(jì)由以下幾個(gè)模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化模塊，實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)模塊，指示燈方向檢測(cè)模塊，舵機(jī)控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊，中斷速度采集模塊，速度PID控制模塊。1）單片機(jī)的初始化模塊包括：I/O模塊、PWM模塊、低功耗計(jì)時(shí)器模塊、中斷模塊初始化。2）實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)模塊：我們運(yùn)用SonyCCD攝像頭，通過(guò)硬件二值化方法獲取圖像信息，檢測(cè)邊線提取中值，計(jì)算偏差來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。3）指示燈方向檢測(cè)模塊：通過(guò)OV7725攝像頭，經(jīng)過(guò)顏色閾值分離提取指示燈信息，從而檢測(cè)箭頭方向，控制轉(zhuǎn)向。4）舵機(jī)控制

54、模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊：通過(guò)直接輸出PWM信號(hào)控制。舵機(jī)的控制采用開環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用PID算法閉環(huán)控制。5）中斷速度PID控制模塊實(shí)現(xiàn)：通過(guò)場(chǎng)中斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)每20ms采集編碼器計(jì)數(shù)值，并通過(guò)PID運(yùn)算得出PWM信號(hào)值輸出控制轉(zhuǎn)速電機(jī)控制速度。 系統(tǒng)控制策略系統(tǒng)控制的特點(diǎn)本系統(tǒng)根據(jù)路徑識(shí)別單元和車速檢測(cè)單元獲得的路徑和車速的當(dāng)前信息，控制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)聯(lián)單相應(yīng)的調(diào)整智能車的行駛方向和速度。最終的目的是使智能車行駛時(shí)速度盡量大并保持穩(wěn)定，小車在行駛過(guò)程中會(huì)遇到以下幾種情況： （1）當(dāng)小車由直道高速進(jìn)入彎道時(shí)，轉(zhuǎn)角方向和車速應(yīng)根據(jù)彎道的偏差迅速做出相應(yīng)的改變，原則是彎道偏差越大則方向變

55、化角度越大，車速越低。（2）小車還會(huì)遇到大小S彎，發(fā)卡彎、虛線等多種復(fù)雜的路況，在判斷出前方賽道路況的基礎(chǔ)上，我們要對(duì)各種不同的路況對(duì)自己的算法做出相應(yīng)的改變，以期能快速、平穩(wěn)地通過(guò)賽道。系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)為保證小車一直沿著中線快速行駛，我們對(duì)控制對(duì)象小車的轉(zhuǎn)向和車速應(yīng)該十分的注意。即應(yīng)使小車在直道上以最快的速度行駛。在進(jìn)入彎道的時(shí)刻減速至安全過(guò)彎速度，且角度的轉(zhuǎn)向要適合彎道的曲率，確保小車平滑地轉(zhuǎn)彎，并在彎道中適當(dāng)加速。從彎道進(jìn)入直道時(shí)，小車的舵機(jī)要轉(zhuǎn)向至中間，并以最大的速度行進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)上述控制思想，我們采用多種控制方法來(lái)控制小車的轉(zhuǎn)角和速度。（1） 舵機(jī)的控制舵機(jī)控制賽車前進(jìn)的方向，對(duì)賽車

56、行駛的路徑起決定性的作用，通過(guò)往屆的經(jīng)驗(yàn)以及反復(fù)的調(diào)試我們發(fā)現(xiàn)，利用多行賽道中心值偏離圖像中心的偏差值求加權(quán)平均值的方法配合增量式PD控制可以很好地找到比較優(yōu)良的路徑。 起初，我們統(tǒng)一選擇車前據(jù)車距離不同的幾行加權(quán)求平均的方法作為舵機(jī)偏差的輸入值，然后根據(jù)不同的賽道類型配合不同的PD參數(shù)，企圖得到優(yōu)良的路徑，我們希望：直道車可以盡量走的直，方便直道加速；由于比賽中我們選用A車，車身整體較輕，彎道控制不好，在出彎時(shí)會(huì)有甩尾的現(xiàn)象，為了避免這種現(xiàn)象，我們希望小車在入彎時(shí)可以盡量切內(nèi)道，以求彎道得到最佳的路徑，這就要求所采用的較遠(yuǎn)處行的權(quán)重要加大；而對(duì)于類似十字彎那種大彎，前瞻太遠(yuǎn)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間舵機(jī)處

57、于最大機(jī)械拐角情況，不方便控制，所以彎道要適當(dāng)減小前瞻。針對(duì)這一矛盾，我們決定根據(jù)不同的賽道類型，動(dòng)態(tài)改變遠(yuǎn)近行的權(quán)值比重以及PD參數(shù)，雖然這樣會(huì)導(dǎo)致在不同賽道類型銜接處出現(xiàn)偏差值得跳變，給控制帶來(lái)了難度，但通過(guò)對(duì)偏差值變化量的限制，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化不同路徑的PD參數(shù)，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，可以得到比較優(yōu)化的路徑。我們的控制思想為：使得直道和入彎采用較遠(yuǎn)前瞻，P值較小，D值適當(dāng)；彎道采用較近前瞻，增大P值，減小D值；大S彎增大值；小彎道再用多行直接求平均的方法得到偏差值，此值本來(lái)就非常小，配合較小的值，并將D值置為0，進(jìn)而很好地完成小直沖；對(duì)于其他的賽道，取遠(yuǎn)近相近的前瞻，配合適當(dāng)?shù)腜D值，可以較好地實(shí)

58、現(xiàn)，出彎迅速回正，兩直道相接不會(huì)切出賽道。程序代碼參見附錄。（2） 車速的控制對(duì)速度的控制我們參考了采用增量式 PID 算法，將經(jīng)過(guò)圖象處理后得到的賽道中心線和對(duì)應(yīng)的速度 PID 參照速度處理成二次曲線的關(guān)系。并且參照前瞻量動(dòng)態(tài)改變二次曲線中最高點(diǎn)（直道的最高速度）和最低點(diǎn)（彎道的最低速度）大小；在實(shí)際測(cè)試中，小車在直道和彎道相互過(guò)渡加減速比較靈敏，沒有明顯速度變化，且與舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制配合較好，路徑也有了很好的提升；這樣一來(lái)整個(gè)系統(tǒng)也就變得優(yōu)美統(tǒng)一。設(shè)計(jì)思路如下：小車動(dòng)力輪安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器可以在后輪旋轉(zhuǎn)一圈后產(chǎn)生157個(gè)脈沖，所以，本系統(tǒng)通過(guò)20ms讀入脈沖數(shù)間接測(cè)得轉(zhuǎn)速speed，將speed

59、與期望小車運(yùn)行的速度speed_set比較，由以下公式求得速度偏差speed_erro。 speed_erro = -speed_decoder_value + speed_set; last_speed_erro = speed_erro;control_value =(MOTOR_P*p_speed + MOTOR_D*d_speed +MOTOR_I*i_speed);經(jīng)過(guò)PID算法，以及對(duì)其參數(shù)的反復(fù)調(diào)試，我們就可以得出PWM輸出信號(hào)，利用該信號(hào)便可控制動(dòng)力輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而調(diào)整小車行駛速度。（3）圖像處理要在復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)中提取出有效黑線，需要結(jié)合兩邊黑線的特征，設(shè)計(jì)出適合的算法提取

60、中心線是圖像處理的關(guān)鍵，只有正確的提取出中心線才能正確更好的控制智能車。結(jié)合上屆的邊沿搜索提取方法，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上做了改良優(yōu)化。提取中心線基本思路是：雙邊就取平均，單邊按照一定的寬度補(bǔ)出中心線。另外今年很大的區(qū)別是增加了虛線，對(duì)于虛線的處理，我們的方法與十字類似，也是補(bǔ)全，同時(shí)也對(duì)虛線進(jìn)行了判斷。根據(jù)以上原則，圖像處理的程序框圖如下：開始初始化開始初始化是否是起跑線找特征線判斷賽道類型直道小S虛線前期彎道前期十字道邊）直接補(bǔ)線擬合兩端邊線線性擬合有線端直接擬合缺線端根據(jù)上邊擬合補(bǔ)線根據(jù)箭頭方向轉(zhuǎn)向找到上下邊沿連線計(jì)算中線控制舵機(jī)計(jì)算偏差停車是否是否圖 斷車道二值化圖像圖5.3.2