長(zhǎng)大四隊(duì)技術(shù)報(bào)告

1、第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校： 長(zhǎng)安大學(xué)隊(duì)伍名稱： 長(zhǎng)大4隊(duì)參賽隊(duì)員： 趙 軒秦 緒 鑫陳 李 軍帶隊(duì)教師： 韓 毅李 登 峰關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽有關(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(kāi)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： 摘 要智能車輛是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿，它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、

2、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。本文是在第三屆飛思卡爾全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽背景下誕生的，具體介紹了一種基于CMOS攝像頭的智能尋跡賽車的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。賽車完成的主要功能是能夠自主識(shí)別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛，并且在規(guī)定的要求下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車。賽車系統(tǒng)以Freescale16位單片機(jī)MC9S12DG128 作為系統(tǒng)控制處理器，采用基于攝像頭的圖像采樣模塊獲取賽道圖像信息，通過(guò)PID控制策略和PWM控制技術(shù)來(lái)對(duì)賽車的方向和速度進(jìn)行控制。本文闡述了智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，具體介紹了賽車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括傳感器模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊

3、、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊、測(cè)速模塊等，同時(shí)提出了基于CMOS攝像頭的黑線識(shí)別算法并對(duì)其相應(yīng)的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。此外，文中還將詳細(xì)說(shuō)明賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方法，敘述賽車系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所用到的開(kāi)發(fā)工具、軟件以及各種調(diào)試、測(cè)試手段方法等。關(guān)鍵詞：智能車，CMOS攝像頭，速度傳感器，PID控制，F(xiàn)reescale16位單片機(jī)ABSTRACT Intelligent vehicle is the top level in the research field of vehicle engineering nowadays. It involves in the combination of multiple

4、 academic subjects and integration of multiple high technologies which represents the development direction of automobile technology. This paper is born under the background of the third Freescale Cup National Undergraduates Intelligent Car Contest. In this paper we will demonstrate a design and exe

5、cution of auto-searching for track by usage of CMOS image-sensor module based on camera on an intelligent model car. The main function that the intelligent car may achieve is that the car should track the black-guide-line automatically and move forward following the line as fast and stable as possib

6、le. The intelligent car system, with the Freescale16-bitsingle-chip MC9S12DG128 as its control microprocessor, uses image-sensor to obtain lane image information, and adopts signal PID control strategy together with PWM technology to have a control on the steering angle and speed of the system.This

7、paper gives an overall design blueprint of the intelligent car system, introduce the hardware design including CMOS sensor module, power supply module, motor drive module, servo motor module, velocity collection module and etc. Certain kinds of line tracking algorithm based on CMOS sensors will be e

8、mployed to analyze the lane style and their corresponding control strategy will also be discussed .In addition, we will detailedly display the mechanical structure and adjustment method of the model car. After that, the developing kit, software, and various debugging and testing methods during the d

9、evelopment of this intelligent car system will also be introduced.KEY WORD：Intelligent Vehicle System, CMOS Image Sensor, Control Strategy,Debugging, Testing, Freescale16-bit Single-chip目錄第一章 引言11.1 大賽背景介紹11.2 相關(guān)文獻(xiàn)綜述11.3 本文的主要內(nèi)容2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和技術(shù)概要52.1賽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求52.2賽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案62.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)72.4系統(tǒng)軟件件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8第三章

10、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)113.1 智能小車的整體結(jié)構(gòu)113.2舵機(jī)的安裝123.3前輪定位參數(shù)的選擇143.4差速器的調(diào)整153.5齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整173.6賽車重心的調(diào)整173.7核心板的制作18第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)194.1電源管理模塊194.2視頻采集模塊204.2.1攝像頭的選擇204.2.2視頻采集電路214.2.3攝像頭的安裝234.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊244.4 轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊264.5 車速檢測(cè)模塊27第五章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)315.1軟件功能概述315.2系統(tǒng)的初始化325.2.1 AD模塊325.2.2 PWM模塊335.2.3 串口模塊345.2.4 時(shí)鐘模塊355.

11、2.5 ECT模塊355.2.6 I/O 口模塊365.3黑線檢測(cè)算法365.3.1二值化方法365.3.2邊緣檢測(cè)算法365.4賽車的方向控制算法385.4.1賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)彎道曲率半徑的計(jì)算395.4.2賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的標(biāo)定405.4.3方向控制算法數(shù)學(xué)模型的建立445.4.4賽車速度的控制45第六章 智能小車系統(tǒng)調(diào)試496.1 開(kāi)發(fā)調(diào)試工具496.2 智能小車硬件的調(diào)試.506.3軟件的調(diào)試516.4 智能小車整體調(diào)試526.4.1 實(shí)驗(yàn)賽道環(huán)境及參數(shù)526.4.2 智能小車整體調(diào)試與結(jié)果54第七章 結(jié)論577.1賽車主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明577.2總結(jié)57參考文獻(xiàn)59第一章 引言1.1 大賽背景介

12、紹大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽源自韓國(guó)，在韓國(guó)已經(jīng)成功舉辦了五屆。為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，2006年教育部高等教育司自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)將該賽事引入我國(guó)，由清華大學(xué)成功主辦了第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。2007年8月，第二屆“Freescale”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽在上海交通大學(xué)成功舉辦。目前該比賽已經(jīng)列入教育部主辦的全國(guó)五大競(jìng)賽之一，是全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)意性重要賽事。2008年8月底，第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽即將在東北大學(xué)舉辦。比賽吸引了來(lái)自全國(guó)各高校六百多支參賽隊(duì)參加，本次比賽由飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司贊助，大賽組委

13、會(huì)提供MC9S12DG128型單片機(jī)、直流電機(jī)、可充電電池以及一款帶有差速器的后驅(qū)模型賽車，要求各參賽隊(duì)在一定限制條件下設(shè)計(jì)制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能小車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自主尋線行駛。在保證小車運(yùn)行穩(wěn)定不沖出跑道并且在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)停車的前提下，單圈成績(jī)最短的隊(duì)伍為優(yōu)勝者。制作智能模型車，需要參賽隊(duì)伍學(xué)習(xí)MC9S12DG128型單片機(jī)并應(yīng)用嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具CodeWarrior和在線開(kāi)發(fā)手段，自行設(shè)計(jì)路徑識(shí)別方案，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，模型車車速傳感電路等，其專業(yè)知識(shí)涉及自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣電子、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，對(duì)于提高各高等院校在汽車電子領(lǐng)域及智能車領(lǐng)域的

14、研究水平和加強(qiáng)在校學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神培養(yǎng),具有長(zhǎng)期良好的推動(dòng)作用。1.2 相關(guān)文獻(xiàn)綜述今年是我校第二次參加全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽，因此對(duì)我們而言是一次難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。智能車競(jìng)賽涉及到的知識(shí)較為寬泛，為了設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的智能賽車，我們?cè)谫愜嚨脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，參考了許多很有價(jià)值的文獻(xiàn)資料。以下對(duì)所閱讀的文獻(xiàn)資料進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。首先，我們從Freescale 公司官方網(wǎng)站下載得到S12 單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)手冊(cè)。通過(guò)仔細(xì)閱讀各個(gè)功能模塊文件，了解了相關(guān)寄存器功能。同時(shí)，結(jié)合比賽組委會(huì)配發(fā)的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法，熟悉CodeWarrior的使用方法。此外， 通過(guò)瀏覽中電網(wǎng)論壇，F(xiàn)

15、reescale 公司論壇，了解所需的S12單片機(jī)開(kāi)發(fā)知識(shí)。賽車的設(shè)計(jì)制作方案主要參考的是卓晴等老師編撰的學(xué)做智能車一書。該書將第一屆全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽各參賽隊(duì)的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和總結(jié)，對(duì)智能車的設(shè)計(jì)提出了許多很有價(jià)值的建議。本次比賽我們采用了攝像頭作為尋線傳感器，因此需要參考相關(guān)視頻采集和處理文章。主要參考了葛亞明的一篇視頻同步分離芯片LM1881及其應(yīng)用，了解基于LM1881的視頻采集方法。之后，為了提取賽道黑線，檢索到大量關(guān)于邊緣提取的視頻處理方法，重點(diǎn)參考的是一篇吉林大學(xué)王榮本的文章。他采用的是二值化加hough 變換的方法，實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)。賽車的整體控制采用了經(jīng)典的PID控制

16、策略，因此在PID控制器參數(shù)及其整定方法方面查閱了很多參考文獻(xiàn)，主要有PID控制器參數(shù)整定方法及其應(yīng)用研究、單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的仿人智能PID控制器等文章，這對(duì)于賽車PID控制參數(shù)的選定和控制策略的研究提供了參考。賽車本身是一個(gè)車輛系統(tǒng)，在比賽中我們意識(shí)到賽車的機(jī)械參數(shù)的調(diào)整對(duì)于賽車良好的行駛表現(xiàn)至關(guān)重要。因此，在對(duì)賽車的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中重點(diǎn)參考了陳家瑞主編的汽車構(gòu)造和余志生主編的汽車?yán)碚?，該書詳?xì)介紹了汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本理論，為賽車的機(jī)械改裝提供了有力的理論支持。1.3 本文的主要內(nèi)容本報(bào)告是參賽隊(duì)員在老師的指導(dǎo)下完成的，是對(duì)參賽賽車的技術(shù)方案、設(shè)計(jì)思路、機(jī)械改裝、制作調(diào)試過(guò)程的全面總結(jié)。

17、整篇技術(shù)報(bào)告共分6章。第一章 引言主要介紹智能車競(jìng)賽的相關(guān)背景、文獻(xiàn)綜述、以及全文的結(jié)構(gòu)安排。第二章 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案和技術(shù)概要簡(jiǎn)要說(shuō)明賽車設(shè)計(jì)的總體思路，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本實(shí)現(xiàn)方案。第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在不違反大賽規(guī)則的情況下，對(duì)賽車的機(jī)械部分做了相關(guān)調(diào)整和改造，使小車的機(jī)械性能得到提升，為賽車良好的行駛表現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)詳細(xì)介紹了賽車硬件電路的設(shè)計(jì)方案，其中包括電源管理模塊、視頻采集模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊以及測(cè)速模塊。第五章 賽車軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先介紹了賽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的各個(gè)S12 功能模塊，并對(duì)其初始化方法進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。接下

18、來(lái)具體介紹了黑線提取算法，最后對(duì)賽車的方向控制以及速度控制方案進(jìn)行了細(xì)致說(shuō)明。第六章 賽車系統(tǒng)的調(diào)試詳細(xì)介紹賽車軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試方法，并對(duì)賽車在模擬賽道上的行駛表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。第七章 結(jié)論詳細(xì)介紹賽車的主要技術(shù)性能參數(shù)，對(duì)賽車設(shè)計(jì)制作過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，指出今后改進(jìn)的方向。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和技術(shù)概要2.1賽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求根據(jù)大賽要求，設(shè)計(jì)的賽車要能夠在白色賽道上識(shí)別出黑色引導(dǎo)線，并根據(jù)黑線走向自動(dòng)控制車輪轉(zhuǎn)角和車速，從而實(shí)現(xiàn)賽車高速穩(wěn)定的自主尋線行駛。為使賽車沿著規(guī)定的賽道自動(dòng)尋找黑色引導(dǎo)線并盡可能的高速前進(jìn)，賽車必須具備一套能對(duì)黑線進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)時(shí)控制車速、方向的智能處理系統(tǒng)，同時(shí)需要賽車本身提

19、供強(qiáng)有力的機(jī)械支撐。比賽對(duì)賽車系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)要求如下：智能競(jìng)賽車模的規(guī)定1) 禁止改動(dòng)車底盤結(jié)構(gòu)、輪距、輪徑及輪胎；2) 禁止改動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的型號(hào)及傳動(dòng)比；3) 禁止改造滾珠軸承；4) 禁止改動(dòng)舵機(jī)，但可以更改舵機(jī)輸出軸上連接件；5) 禁止改動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電池，車模主要前進(jìn)動(dòng)力來(lái)源于車模本身直流電機(jī)及電池；6) 為了車模的行駛可以安裝電路、傳感器等，允許在底盤上打孔或安裝輔助支架等。電路器件及控制驅(qū)動(dòng)電路限制1) 核心控制模塊可以采用組委會(huì)提供的HCS12模塊，也可以采用MC9S12DG128自制控制電路板,除了DG128MCU之外不得使用輔助處理器以及其它可編程器件；2) 伺服電機(jī)數(shù)量不超過(guò)

20、3個(gè)；3) 傳感器數(shù)量不超過(guò)16個(gè)（紅外傳感器的每對(duì)發(fā)射與接受單元計(jì)為1個(gè)傳感器，CCD傳感器記為1個(gè)傳感器）；4) 直流電源使用大賽提供的電池；5) 禁止使用DC-DC升壓電路為驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及舵機(jī)提供動(dòng)力；6) 全部電容容量和不得超過(guò)2000微法；電容最高充電電壓不得超過(guò)25伏。 賽道基本參數(shù)（不包括拐彎點(diǎn)數(shù)目、位置以及整體布局）1) 賽道路面用專用白色基板制作，在分賽區(qū)以及決賽區(qū)進(jìn)行初賽階段時(shí)，跑道所占面積不大于5000mm* 7000mm，跑道寬度不小于600mm；決賽階段時(shí)跑道面積可以增大。賽道路面制作材料型號(hào)會(huì)在網(wǎng)站給出。2) 跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬25mm；

21、3) 跑道最小曲率半徑不小于500mm；4) 跑道可以交叉，交叉角為90；5) 賽道直線部分可以有坡度在15度之內(nèi)的坡面道路，包括上坡與下坡道路。6) 賽道有一個(gè)長(zhǎng)為1000mm的出發(fā)區(qū)，如下圖所示，計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長(zhǎng)度100mm黑色計(jì)時(shí)起始線，賽車前端通過(guò)起始線作為比賽計(jì)時(shí)開(kāi)始或者與結(jié)束時(shí)刻。2.2賽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案仔細(xì)研究比賽規(guī)則和競(jìng)賽要求，我們對(duì)賽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本策略作出以下分析：第一，智能車競(jìng)賽是基于同一開(kāi)發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)的賽車進(jìn)行競(jìng)速比賽，因而賽車的速度和穩(wěn)定性是決定比賽成績(jī)的關(guān)鍵。在保證賽車穩(wěn)定行駛的前提下，車速越高，比賽成績(jī)就越好。因此，在賽車的設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循穩(wěn)中求快的基本原

22、則。第二，賽車需要實(shí)現(xiàn)自主尋跡，因而需要選擇合適的尋線傳感器。目前普遍采用的尋線方案主要有光電管尋跡和CCD攝像頭尋跡。光電管通過(guò)紅外收發(fā)管檢測(cè)接收到的反射光強(qiáng)，以此判斷賽道黑線，反應(yīng)速度快，電路簡(jiǎn)單。但是比賽對(duì)賽車傳感器數(shù)量有要求，因而采用光電管尋跡的精度就受到限制，并且光電管尋跡前瞻性較差，容易受干擾；而CCD攝像頭則是通過(guò)圖像采集，動(dòng)態(tài)拾取路徑信息來(lái)進(jìn)行尋線判斷。采用CCD攝像頭尋跡則能大幅度提升賽車的前瞻距離，有利于賽車提高車速。但是它是以實(shí)現(xiàn)小車視覺(jué)為目的的，數(shù)據(jù)處理量比較大，算法較為復(fù)雜。經(jīng)過(guò)方案討論，我們最終選取CCD攝像頭作為賽車的尋線傳感器。 第三，競(jìng)賽車模本身是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)

23、，賽車的機(jī)械性能對(duì)于賽車的行駛表現(xiàn)具有很大的影響。因此，在大賽規(guī)則允許的范圍內(nèi)，結(jié)合汽車構(gòu)造和汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論對(duì)賽車運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析并對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。第四，由于速度是比賽的關(guān)鍵，那么在賽車的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能的減輕系統(tǒng)負(fù)載。在硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在避免相鄰電磁干擾的情況下應(yīng)盡量考慮將各種芯片放在一起，減少飛線，提高電路穩(wěn)定性。2.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)以MC9S12DG128B為核心，為了能夠讓系統(tǒng)快速有效的工作，設(shè)計(jì)了視頻采集模塊、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車速采集模塊和單片機(jī)處理模塊。同時(shí)輔助于一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整個(gè)有機(jī)的結(jié)合在一起，賽車的整體結(jié)構(gòu)如圖

24、1-1所示。視頻采集模塊是賽車的眼睛，本次比賽賽車采用CCD攝像頭作為尋線傳感器，利用螺桿將CCD攝像頭架設(shè)在車體上方，架設(shè)高度和鏡頭角度可以自由調(diào)節(jié)。視頻采集由S12 單片機(jī)的AD 模塊，外圍芯片（LM1881）和電路，與攝像頭組成。其功能是獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，以供S12 作進(jìn)一步分析處理。賽車系統(tǒng)由額定電壓為7.2V的蓄電池進(jìn)行供電，而賽車各模塊需要不同的電壓供給，因此需要進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。為此設(shè)計(jì)了電源管理模塊，電源模塊在智能車控制系統(tǒng)中好比人的心臟，它可以根據(jù)不同模塊的用電需求，對(duì)各模塊進(jìn)行分開(kāi)獨(dú)立供電。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)沒(méi)有采用大賽組委會(huì)提供的MC33886型驅(qū)動(dòng)芯片，而是自制了H橋驅(qū)動(dòng)電

25、路，經(jīng)過(guò)測(cè)試，不僅能提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)還可以雙向驅(qū)動(dòng)，因此能夠使賽車在比賽中加速性能更加優(yōu)越，制動(dòng)效果更加理想。為了能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控賽車的行駛速度，我們?cè)O(shè)計(jì)了車速測(cè)量模塊。采用RPR220型紅外反射式光電傳感器作為基本的采集單元，在賽車減速齒輪上貼上自制的帶有黑白條紋的碼盤，當(dāng)賽車前進(jìn)的過(guò)程中，傳感器檢測(cè)碼盤反射光線，產(chǎn)生類似正弦波形，借助整形電路，將正弦波變成標(biāo)準(zhǔn)的方波。通過(guò)S12單片機(jī)的Input capture功能模塊計(jì)算出車速。單片機(jī)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重中之重，根據(jù)實(shí)際的需要，我們主要應(yīng)用了單片機(jī)MC9S12DG128的A/D模塊、PWM功能模塊、SCI模塊、定時(shí)器模塊和信號(hào)

26、輸入捕捉模塊。其中采用S12的A/D模塊采集來(lái)自攝像頭的信號(hào)，PWM模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)控制前輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，定時(shí)器模塊主要用來(lái)產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控處理，SCI模塊用于人機(jī)交互、信號(hào)輸入捕捉模塊主要用來(lái)采集車速信號(hào)，對(duì)車速進(jìn)行計(jì)算。單片機(jī)采用C語(yǔ)言為基本的工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)于各個(gè)功能模塊的底層開(kāi)發(fā)以單片機(jī)的說(shuō)明書為指導(dǎo)進(jìn)行。賽車系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表： 表2.1模型車技術(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）279162240車模軸距/輪距（毫米）202/137/139車模平均電流（勻速行駛）(毫安)5000電路電容總量（

27、微法）1.022傳感器種類及個(gè)數(shù)7新增加伺服電機(jī)個(gè)數(shù)2賽道信息檢測(cè)空間精度（毫米）2賽道信息檢測(cè)頻率（次/秒）60主要集成電路種類/數(shù)量核心板/1車模重量（帶有電池）（千克）1.22.4系統(tǒng)軟件件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果說(shuō)系統(tǒng)硬件對(duì)于賽車來(lái)說(shuō)是它的骨架和軀體，那么軟件算法就是它的思想。有了健壯、靈敏的軀體還需要有聰明、智慧的大腦。所以軟件系統(tǒng)對(duì)于賽車來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。首先，賽車系統(tǒng)通過(guò)視頻采集模塊獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)速度測(cè)量模塊實(shí)時(shí)獲取賽車的速度。然后利用邊緣檢測(cè)算法從圖像數(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(duì)舵機(jī)進(jìn)行反饋控制。最終賽車根據(jù)檢測(cè)到的速度，結(jié)合我們的速度控

28、制策略，對(duì)賽車速度不斷進(jìn)行恰當(dāng)?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(jìn)。賽車系統(tǒng)的軟件流程如圖2.1所示。圖2.1 賽車系統(tǒng)的軟件流程圖第三章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)賽車的機(jī)械性能對(duì)于其行駛表現(xiàn)具有非常重要的影響，任何控制算法和軟件程序都需要通過(guò)賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)。為使模型車在比賽中發(fā)揮出最佳的機(jī)械性能，使其直線行駛穩(wěn)定，入彎轉(zhuǎn)向靈活，結(jié)合汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)對(duì)賽車的運(yùn)動(dòng)特性作出分析，并據(jù)此對(duì)賽車的底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化。3.1 智能小車的整體結(jié)構(gòu) 本次比賽采用了大賽組委會(huì)提供的仿真車模，其主要尺寸參數(shù)如下：車長(zhǎng)： 316mm車寬： 172mm軸距： 204mm前輪距：

29、142mm后輪距（可調(diào)）：138mm148mm模型賽車的底盤結(jié)構(gòu)圖如下：圖3.1賽車底盤結(jié)構(gòu)如圖所示，賽車機(jī)械系統(tǒng)可分為兩大塊：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由舵機(jī)、轉(zhuǎn)向拉桿、梯形臂和前輪組成。這四個(gè)部分相互連接，形成一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作原理是：舵機(jī)根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)向控制信號(hào)正向或反向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿橫向移動(dòng)，轉(zhuǎn)向拉桿通過(guò)梯形臂牽動(dòng)前輪使其繞前輪主銷發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)賽車的轉(zhuǎn)向。本次比賽車模采用后輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置包括直流電機(jī)，減速齒輪，差速器和后輪。后輪轉(zhuǎn)速由直流電機(jī)通過(guò)減速齒輪來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，差速器主要作用是有效地彌補(bǔ)了左右兩個(gè)后輪的行程差，使兩個(gè)后輪都在無(wú)滑動(dòng)狀態(tài)下過(guò)彎。3.2

30、舵機(jī)的安裝舵機(jī)是賽車控制中的一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，響應(yīng)速度偏慢，有很大的時(shí)間延遲。舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響到賽車過(guò)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向性能；響應(yīng)速度越快，賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)就越靈敏，車子在不發(fā)生側(cè)滑的情況下所能達(dá)到過(guò)彎車速就越高。因此，想辦法提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是提升賽車整個(gè)賽段平均車速的一個(gè)關(guān)鍵。 實(shí)驗(yàn)可知，舵機(jī)的響應(yīng)速度與舵機(jī)的工作電壓和輸出轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比密切相關(guān)。單從機(jī)械方面考慮，增加轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。根據(jù)大賽規(guī)則，舵機(jī)不允許改動(dòng)，但是舵機(jī)的連接件和安裝位置可以改變。這就為設(shè)法提高舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比提供了依據(jù)。本文對(duì)舵機(jī)的外圍結(jié)構(gòu)和安裝位置進(jìn)行了研究并作出相應(yīng)的調(diào)整。具體的做法如圖所示，我們改變了舵機(jī)的放

31、置方式，把舵機(jī)縱向放置并增加舵機(jī)個(gè)數(shù)，使一邊的舵機(jī)控制一邊的轉(zhuǎn)向輪，然后將轉(zhuǎn)向拉桿連接在輸出臂的末端。這樣就可以增加輸出臂的長(zhǎng)度。增加輸出臂的目的在于增大轉(zhuǎn)向拉桿與舵機(jī)連接點(diǎn)到舵機(jī)軸心之間的距離，相當(dāng)于增大力臂，及靈敏度。舵機(jī)自身硬件特性決定了在給定電壓一定時(shí)，空載和負(fù)載時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度分別保持定值，而線速度VR，正比與舵機(jī)輸出臂的長(zhǎng)度R。這樣一來(lái)，在相同的舵機(jī)轉(zhuǎn)速條件下（即不變），增加舵機(jī)的輸出臂的長(zhǎng)度R可以使轉(zhuǎn)向拉桿移動(dòng)的線速度得到提高，前輪轉(zhuǎn)向就越快，反應(yīng)就越敏捷。顯然這樣利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩余量可以提高其響應(yīng)速度，從而提高了整個(gè)賽車轉(zhuǎn)向控制的速度。 要改動(dòng)舵機(jī)的安裝位置，首先要考慮的是能夠

32、實(shí)現(xiàn)前輪的正確轉(zhuǎn)向，即前輪轉(zhuǎn)向滿足阿克曼原理。阿克曼原理（Ackermann）是指汽車以低速轉(zhuǎn)彎行駛忽略離心力影響和輪胎側(cè)偏影響的情況下，兩軸汽車轉(zhuǎn)向軸的理想內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系滿足一定的幾何關(guān)系，如圖3.2所示。 圖3.2 阿克曼原理示意圖 此時(shí)各車輪繞同一瞬時(shí)中心進(jìn)行轉(zhuǎn)彎行駛，兩轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長(zhǎng)線交于后軸的延長(zhǎng)線上，這一幾何關(guān)系用公式表示為： 其中K為輪距;L為軸距。從上面的公式中我們不難看出，在賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)輪的轉(zhuǎn)角要大于外輪?；诖耍跐M足阿克曼原理的前提下將舵機(jī)進(jìn)行了豎直安裝。如圖所示：圖圖3.3 雙舵機(jī)豎直安裝將舵機(jī)整體豎直安裝，輸出軸中心位置加高20mm,舵機(jī)輸出臂增長(zhǎng)至23mm。

33、改裝后的舵機(jī)在增加舵機(jī)輸出臂的同時(shí)使轉(zhuǎn)向拉桿與舵機(jī)輸出臂基本保持垂直，這樣既提高了舵機(jī)的響應(yīng)速度，又保證了舵機(jī)的輸出力矩。一舉兩得。3.3前輪定位參數(shù)的選擇 為保證賽車直線行駛穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向輕便靈活并盡可能的減少輪胎磨損，需要對(duì)賽車的前輪定位參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。賽車的前輪定位參數(shù)主要包括：主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束。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。主銷后傾是指主銷在汽車的縱向平面內(nèi)有一個(gè)向后的傾角。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，從而糾正車輪偏轉(zhuǎn)。因此，主銷后傾角越大，車速越高，車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)回正的能力就越強(qiáng)?？梢酝ㄟ^(guò)增減賽車車

34、架上的黃色墊片對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。由于比賽選用的舵機(jī)性能偏軟，過(guò)大的主銷后傾角易使轉(zhuǎn)向沉重，因此經(jīng)過(guò)調(diào)試將墊片按前1后3安裝，將后傾角度設(shè)為3比較合適。圖3.4 主銷后傾角的調(diào)整主銷內(nèi)傾角是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它也能使前輪自動(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。主銷內(nèi)傾的回正作用與車速無(wú)關(guān)，對(duì)于賽車的行駛影響不大，為減少車輪磨損降低行駛阻力，未作調(diào)整；車輪滾動(dòng)時(shí)，在車重影響下，車輪會(huì)自然內(nèi)傾，為減少輪胎磨損，將車輪安裝時(shí)略微外傾，同時(shí)設(shè)置一定的前束值以約束車輪向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。這就是前輪外傾和前輪前束。因賽車的質(zhì)

35、量不大，這兩個(gè)參數(shù)也對(duì)小車運(yùn)動(dòng)性能影響很小，可以不作調(diào)整。但在小車直線行駛過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)小車經(jīng)常會(huì)跑偏，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查，問(wèn)題出在前輪外傾角和前輪前束值的匹配上。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整與舵機(jī)相連的轉(zhuǎn)向橫拉桿左右臂的長(zhǎng)度，將前輪前束值保持在0左右，問(wèn)題得到了很好的解決。 3.4差速器的調(diào)整 賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外兩側(cè)車輪會(huì)移動(dòng)不同的曲線距離，外側(cè)車輪移過(guò)的距離大于內(nèi)側(cè)車輪。差速器的作用就是保證賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)輪能以不同的轉(zhuǎn)速作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，避免發(fā)生車輪拖滑。差速器的性能對(duì)于賽車過(guò)彎時(shí)的表現(xiàn)有著非常重要的影響，因此，對(duì)于差速器的調(diào)整是賽車機(jī)械調(diào)整的重要環(huán)節(jié)。差速器的作用主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是差速,二是限滑。差速

36、作用能使內(nèi)外車輪可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并使兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的平均值等于整驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；限滑作用則可以在兩輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力，限制兩輪速度差，防止其中一個(gè)輪子發(fā)生過(guò)度打滑和空轉(zhuǎn)。差速器主要分兩種：齒輪差速器和滾珠差速器。齒輪差速器利用齒輪之間的相互嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)差速，優(yōu)點(diǎn)是阻力很小，差速效果好。缺點(diǎn)是體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而滾珠差速器則是利用齒輪上滾珠的滾動(dòng)使?jié)L珠兩邊的摩擦片獲得相反的速度，從而實(shí)現(xiàn)差速。滾珠差速器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，適合于車模使用。本次比賽車模采用的差速器就是滾珠差速器。滾珠差速器的差速效果與兩邊壓盤的夾緊力有關(guān)，如果壓緊力過(guò)大，那么滾珠之間的摩擦力就會(huì)隨著增大，相對(duì)滑動(dòng)困難，影響差

37、速效果。相反的，如果夾緊力過(guò)小，加速時(shí)齒輪與兩邊壓盤之間會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，影響動(dòng)力傳遞。因此，為保證良好的差速效果，在對(duì)差速器進(jìn)行調(diào)整的關(guān)鍵是要調(diào)節(jié)好壓盤和滾珠之間的壓緊力。具體的調(diào)整方法是：調(diào)節(jié)后軸螺母，使壓盤和滾珠之間松緊適中，捏住減速齒輪使其固定同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一側(cè)車輪，檢查車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是否遲滯艱澀；此外，還要觀察該側(cè)車輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是否與另一側(cè)車輪向后轉(zhuǎn)動(dòng)的角度基本相同；然后將賽車滿載放置于賽道上，同樣捏住大齒輪然后拉動(dòng)賽車轉(zhuǎn)彎，觀察后輪相對(duì)地面滑動(dòng)的情況；調(diào)節(jié)后軸螺母，使得后輪與地面基本不發(fā)生拖滑為宜。這樣賽車在入彎時(shí)既能靈活轉(zhuǎn)向，又能避免車輪側(cè)滑。需要指出的是，采用這種結(jié)構(gòu)的差速器，壓盤和滾

38、珠之間的磨損比較嚴(yán)重，時(shí)間一長(zhǎng)兩者之間會(huì)產(chǎn)生曠量。所以經(jīng)常對(duì)差速器進(jìn)行潤(rùn)滑和清理是十分重要的。潤(rùn)滑差速器需要用專門的滾珠差速器油。圖 3.5 珠差油圖3.6差速器零部件清理差速器時(shí)，先用潔凈的紙或布將滾珠周圍的油污擦干凈。用手指捏住滾珠，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，將滾珠坑里的油污擠出來(lái)清理掉。然后將差速油均勻的涂在滾珠表面。清理前和清理后的齒盤如圖3.8所示。圖3.7 清理前和清理后的齒盤調(diào)整完成以后，啟動(dòng)賽車讓其低速慢跑磨合一段時(shí)間，進(jìn)一步的調(diào)整差速器，使其保持良好的差速效果。 3.5齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整 賽車采用后輪驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)減速齒輪向賽車輸出動(dòng)力。電機(jī)轉(zhuǎn)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為 9：38（電機(jī)軸

39、齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動(dòng)輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)賽車的驅(qū)動(dòng)能力有直接影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝位置的不恰當(dāng)，會(huì)使電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率大大下降，從而影響賽車的動(dòng)力性能。對(duì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的原則是：保持電機(jī)齒輪和減速齒輪之間嚙合具有合適的間隙。齒輪嚙合過(guò)松，會(huì)影響動(dòng)力傳遞，并且容易打壞齒輪；而嚙合過(guò)緊，又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，浪費(fèi)動(dòng)力。在調(diào)整齒輪嚙合間隙的時(shí)侯可以先慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)后輪，看看在嚙合時(shí)有沒(méi)有打齒的現(xiàn)象。然后用電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)，聽(tīng)聽(tīng)兩齒輪嚙合時(shí)的聲音，如果聲音很大很刺耳，說(shuō)明齒輪間的間隙過(guò)大，嚙合效果不理想；而聲音發(fā)悶或有明顯的“嗒、嗒”聲，則說(shuō)明齒輪間的配合間隙過(guò)小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載

40、較大。據(jù)此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)安裝螺釘?shù)奈恢脤?duì)兩齒輪嚙合間隙進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整好的齒輪，應(yīng)無(wú)打齒現(xiàn)象，傳動(dòng)噪音也很小。另外，為使齒輪嚙合順暢、平穩(wěn)，減少傳動(dòng)阻力，還應(yīng)該經(jīng)常對(duì)齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑和保養(yǎng)。3.6賽車重心的調(diào)整賽車車身的重心高度會(huì)影響到賽車的轉(zhuǎn)彎性能和直線行駛穩(wěn)定性。賽車的重心越高，車體轉(zhuǎn)彎時(shí)在離心力的作用下就越容易發(fā)生側(cè)傾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致賽車發(fā)生側(cè)滑甚至側(cè)翻。因此，應(yīng)盡可能的降低底盤離地間隙，降低賽車重心。車模提供了1mm和2mm兩種墊片以及后輪卡圈來(lái)調(diào)節(jié)底盤離地間隙（如圖3.9）。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在底盤離地間隙調(diào)整為最低的9mm時(shí)，賽車仍能提供足夠的接近角和離去角，可以順利通過(guò)15的坡道。圖3.8

41、底盤離地間隙的調(diào)整賽車在行駛過(guò)程中，重心位置也會(huì)對(duì)其行駛性能產(chǎn)生重大影響。根據(jù)汽車?yán)碚摚嚿碇匦那耙?，?huì)增加車輪的轉(zhuǎn)向不足趨勢(shì)，有利于提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性；但是由于前輪負(fù)載的增加和后軸負(fù)載的減少，前輪轉(zhuǎn)向靈敏度會(huì)降低，后輪抓地力也同時(shí)減少；而重心后移，會(huì)減少轉(zhuǎn)向，但增大了轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪驅(qū)動(dòng)力增加；綜合上述分析，重心靠近后軸有利于提升小車動(dòng)力性，重心靠近前軸對(duì)小車制動(dòng)性和操穩(wěn)性有益。在組裝小車的過(guò)程中，考慮到小車整體穩(wěn)中求快的控制策略， 將CCD攝像頭、電池、驅(qū)動(dòng)電路的安裝位置進(jìn)行合理的調(diào)配，一方面使其結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便；另一方面使小車的重心略微靠近前軸，確保行駛的穩(wěn)定性。3.7核心板的制作我們考慮

42、到清華核心板體積大重量重的特點(diǎn)，不利于整車整備質(zhì)量的降低。整車質(zhì)量大，對(duì)賽車的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向性，動(dòng)力性，制動(dòng)性都有很大的影響。所以我們?cè)谠星迦A核心板的基礎(chǔ)上做了很大的改進(jìn)。如圖3.9所示： 圖3.9 核心板第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)賽車采用集成了MC9SDG128單片機(jī)的開(kāi)發(fā)板MC9S12EVKC作為最小系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上搭建各種外圍電路組成了智能小車的硬件系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上看，小車的硬件系統(tǒng)主要包括電源管理模塊、視頻采集模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊和車速檢測(cè)模塊等。4.1電源管理模塊電源管理是智能小車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，它為系統(tǒng)各個(gè)模塊供電?？煽康碾娫丛O(shè)計(jì)是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。賽車系

43、統(tǒng)的供電電源采用了大賽組委會(huì)提供的可充電式Ni-Cd電池。其供電電壓為7.2V，容量為1800mA/h，由于智能車系統(tǒng)各個(gè)模塊所需電壓不同，因此需要進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。賽車系統(tǒng)中電源分配如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)和測(cè)速電路均需5V電壓；驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以由電池直接供電；對(duì)于轉(zhuǎn)向舵機(jī)，其工作電壓為4.86V，試驗(yàn)證明，提高舵機(jī)的工作電壓可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。大賽規(guī)則不允許采用升壓電路為舵機(jī)提供電源，但是結(jié)合以往比賽經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試，組委會(huì)提供的舵機(jī)可以直接工作在7.2 V電壓下。于是，通過(guò)串聯(lián)一個(gè)二極管直接利用電池電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。電源管理的結(jié)構(gòu)框圖如下：Ni-Cd電池（7.2V）LT1084-5（5V）

44、驅(qū)動(dòng)電機(jī)二極管單片機(jī)CMOS攝像頭調(diào)速控制速度檢測(cè)速度檢測(cè)圖4.1 電源管理結(jié)構(gòu)圖電池在完全充滿之后空載電壓約為8.2V左右，隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。賽車電機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會(huì)對(duì)其他電路造成電磁干擾；另一方面由于電池內(nèi)阻所造成電池兩端的電壓降，甚至?xí)陀诜€(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，因此會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位現(xiàn)象。為保證單片機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性，避免小車由于突然啟動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行引起電池壓降過(guò)大導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位，需要在電路中增加可靠的電源穩(wěn)壓芯片。賽車使用用LM1084-5作為5V電壓的穩(wěn)壓芯片。電路圖如下： 圖4.2 穩(wěn)壓芯片電路原理圖LM1084-5是一款三端

45、穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓芯片的管壓降很小，約為0.3V，輸出電流可以達(dá)到5A，效率可達(dá)9194，完全可以滿足賽車控制的需要，且輸出電壓穩(wěn)定精度高，從而大大延長(zhǎng)了電池的工作時(shí)間。在電路設(shè)計(jì)中，考慮到由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)引起的電源電壓不穩(wěn)（主要是瞬態(tài)脈沖），為消除干擾，我們?cè)诜€(wěn)壓芯片的輸入輸出端并聯(lián)了電容進(jìn)行濾波，同時(shí)在電源正極與LM1084-5輸入端增加了二極管。這樣做的好處在于是當(dāng)電池接通時(shí)，7.2V電池給C1充電，一旦小車電機(jī)啟動(dòng)瞬間造成電池電動(dòng)勢(shì)下降時(shí)，由C1向LM1084-5供電，同時(shí)通過(guò)二極管阻斷C1向電池放電。4.2視頻采集模塊4.2.1攝像頭的選擇攝像頭分黑白的和彩色的這兩種，為達(dá)到尋線目的，只需提

46、取探測(cè)畫面的灰度信息，所以賽車采用黑白攝像頭（采用1/3 LG CCD 圖像傳感芯片），相較使用同等分辨率的彩色攝像頭而言，這樣可減少單片機(jī)采樣攝像頭輸出視頻信號(hào)的負(fù)擔(dān)。在比賽中，真正決定賽車圖像采樣模塊實(shí)際橫向分辨能力的不是攝像頭橫向的像素?cái)?shù)，而是AD采樣單行視頻信號(hào)的點(diǎn)數(shù)。我們知道，攝像頭分辨率越高，單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間也就越短，在AD轉(zhuǎn)換時(shí)間不變的情況下，AD 對(duì)單行視頻信號(hào)所能采樣的點(diǎn)數(shù)也越少，賽車橫向檢測(cè)精度就越低。所以，在選擇攝像頭時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)盡量選擇分辨率低的攝像頭，雖然這樣做會(huì)降低縱向分辨能力（降低后的對(duì)我們來(lái)說(shuō)也仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠用），卻可以提高橫向分辨能力?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的攝像頭通常

47、都在300 線的分辨率以上，因此本次賽車選用的攝像頭分辨率為320線。4.2.2視頻采集電路CCD攝像頭輸出的是PAL制式的復(fù)合全電視信號(hào)，每秒輸出50幀(分為偶場(chǎng)和奇場(chǎng))。要能有效地采樣攝像頭視頻信號(hào)，首先要能提取出攝像頭信號(hào)中的行同步脈沖，消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖。否則，單片機(jī)將無(wú)法識(shí)別所接收到的視頻信號(hào)。 提取行同步和場(chǎng)同步脈沖，有兩種辦法：第一，直接用AD 進(jìn)行提取。當(dāng)攝像頭信號(hào)為行同步脈沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖時(shí)，攝像頭信號(hào)的電平就會(huì)低于這些脈沖以外時(shí)候攝像頭信號(hào)的電平。據(jù)此，可設(shè)一信號(hào)電平閾值來(lái)判斷AD 采樣到攝像頭信號(hào)是否為行同步脈沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖。第二，就是給單片機(jī)配以合適

48、的外圍芯片，此芯片要能夠自己提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖來(lái)供單片機(jī)作控制之用。直接AD轉(zhuǎn)換提取脈沖的方法硬件上較容易實(shí)現(xiàn)，但是S12單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換速度不夠快，在不超頻的情況下，最短的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為7us，有可能漏檢行同步脈沖或消隱脈沖，這會(huì)使視頻采樣效果變差。并且這種方法會(huì)占用較多的單片機(jī)資源，不利于系統(tǒng)的整體控制。 因此，我們采用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的LM1881芯片來(lái)進(jìn)行視頻同步信號(hào)的分離。LM1881 視頻同步信號(hào)分離芯片可從攝像頭信號(hào)中提取信號(hào)的行同步脈沖，場(chǎng)同步脈沖，奇、偶場(chǎng)信息等。LM1881 的連線圖如圖4

49、.3：圖4.3 LM1881 信號(hào)連接原理圖 視頻信號(hào)通過(guò)引腳2(composite video input)輸入LM1881，。引腳1 為行同步信號(hào)輸出端（composite sync output）。引腳3 為場(chǎng)同步信號(hào)輸出端(vertical sync output)，當(dāng)攝像頭信號(hào)的場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，該端將變?yōu)榈碗娖?，一般維持230us，然后重新變回高電平。引腳7 為奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)輸出端(odd/even output)，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場(chǎng)時(shí)，該端為高電平，當(dāng)處于偶場(chǎng)時(shí)，為低電平。奇-偶場(chǎng)的交替處與場(chǎng)同步信號(hào)的下降沿同步，也就是和場(chǎng)同步脈沖后的上升沿同步。事實(shí)上，我們不僅可以用場(chǎng)同步

50、信號(hào)作為換場(chǎng)的標(biāo)志，也可以用奇-偶場(chǎng)間的交替作為換場(chǎng)的標(biāo)志。如圖4.4所示： 4.4 LM1881信號(hào)時(shí)序圖 圖4.5 視頻采集電路圖如圖4.5所示，攝像頭視頻信號(hào)輸入LM1881 的視頻信號(hào)輸入端，同時(shí)送入S12 的一個(gè)AD口（我們選用PAD00）。LM1881 的行同步信號(hào)端（引腳1）接入S12上的 PT0口,PT0是一個(gè)帶中斷的I/O口，這樣做的好處是不需要使用等待查詢的方式來(lái)檢測(cè)行同步信號(hào)，節(jié)省CPU資源。LM1881的奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)輸出端接S12 的普通I/O 口PS2。在此，我們選擇奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)來(lái)作為換場(chǎng)的標(biāo)志信號(hào)，而不是選用LM1881 引腳3 輸出的場(chǎng)同步信號(hào)。這樣做的好

51、處是，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場(chǎng)或偶場(chǎng)時(shí)，則奇-偶場(chǎng)信號(hào)整場(chǎng)都相應(yīng)地處于高電平或低電平，只要用個(gè)普通I/O 口，若檢測(cè)到該信號(hào)發(fā)生變化，就可以知道攝像頭信號(hào)換場(chǎng)了。因?yàn)槊繄?chǎng)信號(hào)持續(xù)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所以也不用擔(dān)心漏檢到換場(chǎng)的發(fā)生。接奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)時(shí)，用中斷的方式來(lái)判斷換場(chǎng)的發(fā)生同樣是很方便的。上述攝像頭、LM1881 電路和S12 就構(gòu)成了賽車的圖像采集模塊。4.2.3攝像頭的安裝本次參賽車模采用CCD攝像頭作為尋跡傳感器，為了發(fā)揮攝像頭前瞻距離大的優(yōu)勢(shì)，需要將其架設(shè)在一定的高度。但是這個(gè)高度不能過(guò)高，如果攝像頭架設(shè)過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致攝像頭視野過(guò)大，一來(lái)加劇圖像梯形失真，造成黑線變細(xì)，不利于路徑識(shí)別；二來(lái)

52、賽車在行駛的過(guò)程中容易看到跑道外面，使得干擾更為嚴(yán)重；攝像頭過(guò)高還容易引起搖晃，導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)；綜上考慮，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，我們發(fā)現(xiàn)比較合適的視野范圍為：攝像頭視野最近處據(jù)前端 10cm，左右各9cm,最遠(yuǎn)處據(jù)前端30cm，左右各14cm。根據(jù)這一要求，我們確定了攝像頭的安裝位置: 據(jù)地面高度 16 cm，據(jù)車前端3cm。我們采用一段M4鋁制螺桿來(lái)對(duì)攝像頭進(jìn)行固定，簡(jiǎn)潔方便。鋁制螺桿質(zhì)量輕，且具有較大的剛度，攝像頭架設(shè)其上非常穩(wěn)定。4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊賽車采用后輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了標(biāo)準(zhǔn)微型馬達(dá)公司生產(chǎn)的RS380SH型電機(jī)。該電機(jī)額定電壓為7.2V，空載電流為0.5A，轉(zhuǎn)速可達(dá)16200r/min

53、；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在14060r/min時(shí)，工作效率最大，轉(zhuǎn)矩達(dá)到了10.9Nm。RS380SH型電機(jī)機(jī)械負(fù)載特性如下圖：圖4.6 RS-380型電機(jī)負(fù)載特性曲線由于單片機(jī)輸出的脈寬無(wú)法驅(qū)動(dòng)大賽提供的直流電機(jī)，因此需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。賽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)沒(méi)有采用大賽組委會(huì)提供的MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，而是采用了自制的H橋電路，可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和制動(dòng)。對(duì)于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制采用了基于“H”橋驅(qū)動(dòng)電路的PWM（Pulse Width Modulation脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)。 “H”橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下：圖4.7 “H”橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖，U1當(dāng)為高電平,U2為低電平時(shí)，Q3、Q6管導(dǎo)通

54、，Q4、Q5管截止，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),賽車前進(jìn);當(dāng)為U1低電平，U2為高電平時(shí)，Q3、Q6管截止，Q4、Q5管導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，適當(dāng)利用這個(gè)過(guò)程可以使車模處于反接制動(dòng)的狀態(tài)，迅速降低車速。當(dāng)Q4、Q6導(dǎo)通且Q3、Q5 截止時(shí)，沒(méi)有電源加在電機(jī)上，電機(jī)兩端相當(dāng)于短接在一起。由于電機(jī)軸在外力作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)可以產(chǎn)生電能，此時(shí)可以把直流電動(dòng)機(jī)看作一個(gè)帶了很重負(fù)載的發(fā)電機(jī)，電機(jī)上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙輸出軸運(yùn)動(dòng)的力，這個(gè)力的大小與負(fù)荷的大小成正比，此時(shí)電機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。由于電機(jī)工作狀態(tài)切換時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生反向電流，通過(guò)四個(gè)保護(hù)二極管D1、D2、D3、D4接入回路，可以防止電子開(kāi)關(guān)被反向擊穿。 脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)

55、加在電機(jī)兩端的平均功率，其表達(dá)式為： 其中，P為電機(jī)兩端平均功率；為電機(jī)最大功率；K為PWM控制信號(hào)的脈寬。當(dāng)K1時(shí)，P=，電機(jī)全速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為；當(dāng)K=0時(shí)，電機(jī)兩端無(wú)電壓，無(wú)輸出扭矩。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)力學(xué)功率公式，得 這說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM信號(hào)的輸出脈寬是成正比的。因此，通過(guò)改變PWM信號(hào)的脈寬，就能夠改變賽車的車速。 在賽車啟動(dòng)和通過(guò)直道、彎道時(shí)，電機(jī)需要進(jìn)行反復(fù)的加速和減速，瞬時(shí)電流很大，發(fā)熱嚴(yán)重。因此，為了保護(hù)電機(jī)，提高其使用壽命，我們?cè)陔姍C(jī)的外殼上加裝了散熱片；同時(shí)還增加了消火電容，以消除電機(jī)炭刷火花。圖4.8 加裝消火電容 圖4.9 加裝散熱片4.4 轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊賽車采

56、用大賽組委會(huì)提供的Futaba牌舵機(jī)，型號(hào)為HS-3010。該舵機(jī)扭力大，穩(wěn)定性好，控制角度精確，但是響應(yīng)靈敏度較差，存在嚴(yán)重的機(jī)械滯后。在比賽中，舵機(jī)的作用是控制前輪轉(zhuǎn)向，我們希望前輪的轉(zhuǎn)向越靈敏越好，要又快又準(zhǔn)的跟蹤控制信號(hào)，因此必須最大限度的提高舵機(jī)的響應(yīng)靈敏度。由舵機(jī)的參數(shù)和實(shí)際測(cè)試。得出結(jié)論：在允許范圍內(nèi)提高舵機(jī)的供電電壓能有效的提高舵機(jī)的扭矩和響應(yīng)速度。經(jīng)過(guò)測(cè)試，舵機(jī)可以直接由7.2電源供電。但是舵機(jī)的工作電流變化很大，是個(gè)很大的干擾源，因此我們將舵機(jī)的供電電路與其他供電電路分開(kāi)，采用單獨(dú)供電，并且在電源正極和舵機(jī)之間串聯(lián)一個(gè)二極管，防止舵機(jī)影響電源電壓。這樣，雖然增加了系統(tǒng)功耗，但卻有效的減小了舵機(jī)的機(jī)械滯后，為小車的穩(wěn)定快速行駛奠定了基礎(chǔ)。 舵機(jī)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上看，它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成。通過(guò)內(nèi)部的位置反饋，轉(zhuǎn)向舵機(jī)可以使其舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號(hào)，因此對(duì)于舵機(jī)的控制可以使用開(kāi)環(huán)控制方式。在負(fù)載力矩小于舵機(jī)最