飛思卡爾競(jìng)賽攝像頭組睿思二隊(duì)

1、第八屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技 術(shù) 報(bào) 告 關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第八屆“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(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：方根在 鐘旭輝 李峰帶隊(duì)教師簽名：黎福海日 期：2013-08-3摘要本文以第八屆全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽為背景，利用freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位單片機(jī)mk60dn512zvlq10和攝像頭的配合來(lái)

2、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別道路，讓賽車可以在特定的跑道上行駛。通過(guò)攝像頭的成像原理，把它采集的數(shù)據(jù)通過(guò)電子線路傳送到單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)計(jì)算出賽車面對(duì)的道路，選擇最優(yōu)行進(jìn)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(gè)軟硬件與機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，速度測(cè)量模塊、輔助調(diào)試模塊、圖像采集處理模塊、舵機(jī)控制模塊和單片機(jī)模塊等；軟件需要解決單片機(jī)初始化程序、速度測(cè)量程序、速度設(shè)定程序、速度控制程序、舵機(jī)控制程序、圖像識(shí)別程序等方面的內(nèi)容，另外，本屆比賽對(duì)機(jī)械的改進(jìn)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(jī)、攝像頭、機(jī)械設(shè)

3、計(jì)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(jì)31.3本章小結(jié)5第二章 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹和改進(jìn)62.1驅(qū)動(dòng)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(jī)安裝92.3驅(qū)動(dòng)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(jì)113.1電源設(shè)計(jì)113.2傳感器選型123.2.1傳感器的供電電路123.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路133.3電路設(shè)計(jì)143.3.1電源電路143.3.2傳感器的信號(hào)處理153.4系統(tǒng)電路板的固定163.5速度測(cè)量模塊173.6本章小結(jié)17第四章 軟件設(shè)計(jì)184.1圖像信號(hào)處理184.1.1圖像信號(hào)采集184.1.2圖像信號(hào)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(chǎng)中斷流程圖264.5本章小結(jié)26第五章 開(kāi)

9、發(fā)與調(diào)試275.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)275.2手動(dòng)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(xiàn)30附錄一：電路原理圖31 1核心控制電路312電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(lái)越普及，汽車的電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 號(hào)文)，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”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽，他以迅猛發(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)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。參賽選手須使用競(jìng)賽秘書(shū)處統(tǒng)一指定并負(fù)責(zé)采購(gòu)競(jìng)

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(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、控制算法及執(zhí)行、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)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(diǎn)參加場(chǎng)地比賽。參賽隊(duì)伍之名次（成績(jī)）由賽車現(xiàn)場(chǎng)成功完成賽道比賽時(shí)間為主，技術(shù)方案及制作工程質(zhì)量評(píng)分為輔來(lái)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(jī)。在總結(jié)了往屆的經(jīng)驗(yàn)和不足后，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上重新備戰(zhàn)第八屆大賽。往界的經(jīng)驗(yàn)是以穩(wěn)為主，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上，大膽嘗試，穩(wěn)中求快，在電路設(shè)計(jì)上務(wù)求穩(wěn)定，問(wèn)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(duì)車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的改進(jìn)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(dòng)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(jī)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(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）28.75cm/16.6cm/7cm前后輪軸離地間隙0.75cm/1.65cm 電機(jī)型號(hào) rs-540電機(jī)轉(zhuǎn)速20000r/min電路電容總量（微法）1824f傳感器種類及個(gè)數(shù)攝像頭/1 速度傳感器 /1 陀螺儀/1伺服器型號(hào)（舵機(jī)） s-d5電池 7.2v/2000mah賽

12、道信息檢測(cè)頻率（次/秒）60車模重量1.5kg賽道檢測(cè)精度3mm（近端）、120mm(遠(yuǎn)端)1.2.2智能車硬件電路我們團(tuán)隊(duì)采用攝像頭進(jìn)行道路識(shí)別，賽車的硬件電路主要有七個(gè)部分組成：mk60dn512zvlq10單片機(jī)，陀螺儀檢測(cè)模塊，速度檢測(cè)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電源管理模塊，輔助調(diào)試模塊。(1) mk60dn512zvlq10單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)接收賽道圖像數(shù)據(jù)，賽車速度等反饋信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，形成合適的控制量來(lái)對(duì)舵機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。 (2) 陀螺儀檢測(cè)模塊，是用來(lái)檢測(cè)賽道中出現(xiàn)的坡道和障礙物； (3)速度檢測(cè)模塊，通過(guò)編碼器讀取轉(zhuǎn)速值，實(shí)現(xiàn)道路的閉

13、環(huán)控制。(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。(5)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。(6)電源管理模塊給整個(gè)系統(tǒng)供電，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(cè)試，賽車狀態(tài)監(jiān)控，賽車系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)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(jī)控制舵機(jī)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(jì)系統(tǒng)硬件對(duì)于賽車來(lái)說(shuō)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(gè)人做個(gè)類比的話，我們可以說(shuō)，賽車的硬件結(jié)構(gòu)相當(dāng)于人的身體;賽車的軟件算法相當(dāng)于人的思想。只有“身體健康，思想進(jìn)步”，

14、才會(huì)取得好成績(jī)。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)圖像采樣處理模塊獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)速度傳感器模塊實(shí)時(shí)獲取賽車的速度。然后k60 利用邊緣檢測(cè)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(duì)舵機(jī)進(jìn)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(duì)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(cè)到的速度，結(jié)合我們的速度控制策略，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)。設(shè)計(jì)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(jì)的概述，硬件，軟件和機(jī)械部分的有效融合是賽車能否跑出好成績(jī)的關(guān)鍵因素。賽車采用組委會(huì)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和輔助調(diào)試模塊組成，通過(guò)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(jìn)。- 28 -第三章 硬件設(shè)計(jì) 第二章 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹和改進(jìn)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(dòng)調(diào)整等)的基礎(chǔ)上，要想使車能夠更快的行駛就必須對(duì)其本身的各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改進(jìn)和優(yōu)化，尤其是各部分的差速的調(diào)整，更成為車模機(jī)械好壞的重要部分。2.1

16、 驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jī)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(shí)，主銷軸向車身內(nèi)側(cè)傾斜，該角度稱為主銷內(nèi)傾角。當(dāng)車輪以主銷為中心回轉(zhuǎn)時(shí)，車輪的最低點(diǎn)將陷入路面以下，但實(shí)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(gè)汽車前部向上抬起一個(gè)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(lái)中間位置的因而舵機(jī)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(diǎn)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(shí)舵機(jī)的拉力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也可減少?gòu)霓D(zhuǎn)向輪傳到舵機(jī)上的沖擊力。但主銷內(nèi)傾角也不宜過(guò)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(shí)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(diǎn)與車輪中心的地面投影點(diǎn)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(diǎn)位于轉(zhuǎn)向主銷延長(zhǎng)線的后端，車輪就靠行駛中的滾動(dòng)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(shí)主銷縱傾移距也增大。主銷縱傾移距過(guò)大，會(huì)使舵機(jī)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(shí)，輪胎并非垂直安裝，而是稍微傾倒呈現(xiàn)“八”字形張開(kāi)，稱為負(fù)外傾，而朝反方向張開(kāi)時(shí)稱正外傾。前輪外傾角對(duì)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(gè)外八字角度，這個(gè)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(dòng)。如前所述，由于有外傾，舵機(jī)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(dòng)，為了修正這個(gè)問(wèn)題，如果左右兩輪帶有向內(nèi)的角度，

19、則正負(fù)為零，左右兩輪可保持直線行進(jìn)，減少輪胎磨損。見(jiàn)圖2.3圖2.3前輪約束示意圖2.2.2 舵機(jī)安裝舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng)中延遲較大的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了減小此時(shí)間常數(shù)，通過(guò)改變舵機(jī)的安裝位置，而并非改變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的方法可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度。分析舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵機(jī)轉(zhuǎn)向條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機(jī)一端的連接點(diǎn)離舵機(jī)軸心距離越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這相當(dāng)于增大力臂長(zhǎng)度，提高線速度。針對(duì)上述特性，我們采用“長(zhǎng)連桿”方式將舵機(jī)放在前面，大大的增加了舵機(jī)的力臂，如圖2.4 圖2.3舵機(jī)安裝方式(1) 改變了舵機(jī)的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏； (2) 舵機(jī)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(dāng)然這樣也加重了舵機(jī)負(fù)載易。 2.3 驅(qū)動(dòng)輪調(diào)整差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(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的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。當(dāng)車輛在正常的過(guò)彎行進(jìn)中 (假設(shè)：無(wú)轉(zhuǎn)向不足亦無(wú)轉(zhuǎn)向過(guò)度)，此時(shí)4 個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序?yàn)椋和鈧?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(jī)構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越高以此次使用的后輪差速器為例，在過(guò)彎時(shí)，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(dá)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(duì)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(gè)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(duì)賽車行駛性能也有很大的影響。根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，車身重心前移，會(huì)增加轉(zhuǎn)向，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度（因?yàn)榇蟛糠种亓繅涸谇拜?，轉(zhuǎn)向負(fù)載增大），同時(shí)降低后輪的抓地力，影響加減速性能；重心后移，會(huì)減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會(huì)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(jī)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(jī)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(dòng)電機(jī)的螺絲一定要上緊，并要經(jīng)常檢查，一旦在行駛中松動(dòng)就會(huì)造成零件的損壞。盡量使車輛的重心放低，減少小車行駛過(guò)程中的震蕩。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了賽車各個(gè)部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)于整車的性能至關(guān)重要，只有在較好的機(jī)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{(diào)整舵機(jī)安裝時(shí)以最大相應(yīng)速度、較低負(fù)載為目標(biāo)，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(dòng)機(jī)構(gòu)和速度傳感器安裝則以較低的電機(jī)負(fù)載和適當(dāng)?shù)凝X輪嚙合度為目標(biāo)，除了以上部分的調(diào)整外，還可對(duì)主懸架彈簧松緊和底盤高度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過(guò)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(duì)各個(gè)部件的調(diào)整需從整車的角度考慮，不能各個(gè)擊破，需要相互協(xié)調(diào)、取舍。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1電源設(shè)計(jì)小車電源系統(tǒng)如下圖所示。7.2v電池電機(jī)舵機(jī)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(chǎng)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(jià)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(shí)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(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。 例如，可以使用 lm1881m 對(duì) pal 制模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)行、場(chǎng)同步信號(hào)分離?？梢允?用專用的視頻 a/d 轉(zhuǎn)換器，如 xrd4460a，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集。因?yàn)槎嘤糜诎?防系統(tǒng)，模擬攝像頭的成像質(zhì)量好，邊沿銳利，對(duì)比度高。使用模擬攝像頭帶 來(lái)的問(wèn)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(duì)電路設(shè)計(jì)的 要求也相對(duì)高一些若使用數(shù)轉(zhuǎn)換，直接輸出量化的圖像信號(hào)，不需要再增加額外的硬件設(shè)備，簡(jiǎn)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(jìn)行 a/d硬件設(shè) 計(jì)，減輕了重量，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。和模擬攝像頭相比，數(shù)字?jǐn)z像頭的重 量相差不大，而與 dsc 的接口更簡(jiǎn)單，使用起來(lái)更為方便。綜合上面的分析，市場(chǎng)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?jǐn)z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(guò)線性穩(wěn)壓芯片為其 提供一個(gè)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(hào)處理數(shù)字?jǐn)z像頭輸出信號(hào)包括圖像信號(hào)、幀同步信號(hào)、行同步信號(hào)。dsp 利用幀 同步信號(hào)和行同步信號(hào)進(jìn)行同步，然后對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行采集。圖3.4 數(shù)字?jǐn)z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(yuǎn)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(huì)逐漸降低。3.3電路設(shè)計(jì)3.3.1電源電路在電源上加一個(gè)大電容濾波。通過(guò)示波器觀察，由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬間流過(guò) 大電流，會(huì)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(lái)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(lái)給舵機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路為了保證驅(qū)動(dòng)電路的性能，提高設(shè)計(jì)的可靠性，我們選用了在比賽中使用 較多的 bts7960 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。bts7960 是英飛凌公司制造的大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè) h 橋。我們共使用了 4 個(gè) i/o 端口控

28、制 4 片 bts7960 來(lái)驅(qū)動(dòng) c 車的兩個(gè)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。圖 3.8bts7960 芯片框圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。圖 3.10bts7960 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(jì)，保證了連接的可靠性。3.5 速度測(cè)量模塊為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，需要控制車速，使賽車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不至過(guò)快而沖出賽道。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果開(kāi)環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受很多因素影響

29、，例如電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會(huì)造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定。通過(guò)速度檢測(cè)，對(duì)車模速度進(jìn)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(yùn)行得更穩(wěn)定。 車速檢測(cè)的方式有很多種，例如用測(cè)速發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測(cè)、透射式光電檢測(cè)和霍爾傳感器檢測(cè)。經(jīng)過(guò)對(duì)去年測(cè)速方案和其它學(xué)校方案的比較，本次設(shè)計(jì)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(guò)后輪軸上的齒輪與電機(jī)相連，車輪每轉(zhuǎn)一圈，速度傳感器轉(zhuǎn)過(guò)2.7

30、5圈。這樣能夠很好的穩(wěn)定工作，且能很準(zhǔn)確的得到電機(jī)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(shuō)機(jī)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(jì)以穩(wěn)定為主，特別是核心控制板，因?yàn)闉榱艘岣咧噶顖?zhí)行速度，單片機(jī)是通過(guò)鎖相環(huán)超頻使用，所以時(shí)鐘模塊的電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免電磁干擾。驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)計(jì)則應(yīng)以小內(nèi)阻、大電流為目標(biāo)，以盡可能提高整車的加減速性能第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1圖像信號(hào)處理4.1.1圖像信號(hào)采集圖 4.1 為數(shù)字?jǐn)z像頭的信號(hào)輸出格式。其中 frame_valid 為幀同步信號(hào)， line_v

31、alid 為行同步信號(hào)，dout(9:0)為圖像信號(hào)。圖4.1 視頻信號(hào)圖 4.2 同步信號(hào)處理cpu利用幀同步和行同步信號(hào)對(duì)采集過(guò)程進(jìn)行同步。 具體采集過(guò)程主要如下。（1）利用外部中斷口irqa和irqb響應(yīng)幀同步信號(hào)和行同步信號(hào)。（2）當(dāng)行同步信號(hào)來(lái)臨時(shí)，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷子程進(jìn)行圖像信號(hào)的采集。（3）在行中斷子程中讀取圖像，并對(duì)讀取的圖像進(jìn)行二值化處理，得到賽 道圖像信息。（4）當(dāng)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，進(jìn)入幀中斷子程序，幀中斷子程序完成圖像采 集的初始化，準(zhǔn)備進(jìn)入下一幅圖像的采集。4.1.2圖像信號(hào)處理在采集出圖像信號(hào)后需要對(duì)其進(jìn)行處理以提取賽道信息，同時(shí)，由于雜點(diǎn)、 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(duì)有效賽道進(jìn)行識(shí)別， 并提供盡可能多的信息供決策使用。圖像信號(hào)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(shí)(近端、遠(yuǎn)端，邊緣、中間)的表征會(huì)有所差別。為了還原出真實(shí)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(duì)圖像進(jìn)行了梯形失真校正，使得圖像的處理更接近真實(shí)空間。圖像信號(hào)處理中實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)性的算法主要包括以下有效性的驗(yàn)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(yàn)證 圖4.3為小車攝像頭實(shí)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(shí)際圖像圖 4.4 二值化的結(jié)果visual studio 上位機(jī)效果圖4.5 原圖像（573*480）圖4.6 標(biāo)定并放大后圖像圖4.7 賽道獲取后圖像（包括檢測(cè)范圍和檢測(cè)到的道路）4.2轉(zhuǎn)向控制策略為了使舵機(jī)能更好的對(duì)給定的轉(zhuǎn)角值做出響應(yīng)，采用pid調(diào)節(jié)，通過(guò)不斷改 變p、i、d三個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)車保持很高的穩(wěn)定性，從而大大消除由于傳感器 帶來(lái)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(zhǔn)確性和快速性相關(guān)；（2）i環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)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(shí)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(lái)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(jìn)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(jìn)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(hào)輸入，之后調(diào)用信號(hào)處 理函數(shù)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理，提取賽道信息并進(jìn)行分析計(jì)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(hào)。圖4.10 行中斷流程圖4.4.3場(chǎng)中斷流程圖如圖4.11 所示，場(chǎng)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(chǎng)圖像的接收做準(zhǔn)備。圖4.11場(chǎng)中斷流程圖第五章 開(kāi)發(fā)與調(diào)試5.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為code warrior10.2軟件。其使用界面如圖5.1所示。圖 5.1 開(kāi)發(fā)界面圖5.1所示為codewarrior開(kāi)發(fā)界面。codewarrior的功能非常強(qiáng)大，可用于絕大部分單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。用戶可在新建工程時(shí)將芯片的類庫(kù)添加到集成環(huán)境開(kāi)發(fā)環(huán)境中，工程文件一旦生成

36、就是一個(gè)最小系統(tǒng)，用戶無(wú)需再進(jìn)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(kāi)發(fā)與調(diào)試5.2手動(dòng)設(shè)置單元通過(guò)按鍵可以設(shè)定當(dāng)前工作模式，這樣就可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況決定采用不同 的控制策略。圖 5.2 手動(dòng)控制按鍵5.3狀態(tài)指示單元為了在調(diào)試過(guò)程中指示小車的狀態(tài)，本設(shè)計(jì)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(xì)介紹了為第四屆全國(guó)智能車大賽而準(zhǔn)備的智能車系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)以freescale 32位單片機(jī)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(guò)邊緣檢測(cè)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(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行反饋控制。通過(guò)速度傳感器對(duì)小車形成速度閉環(huán)控制。 文中介紹了賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方法，賽車各個(gè)主要模塊的工作原理和設(shè)計(jì)思路，并敘述了系統(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。 綜合來(lái)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(jì)。軟件部分是本文的重點(diǎn)，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(lái)了，并沒(méi)有進(jìn)一步判斷出它的實(shí)際意義，也就是說(shuō)，單片機(jī)下一步根據(jù)黑線決定方向和速度的過(guò)程和人的思考過(guò)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(jiǎn)單，一旦面對(duì)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(jìn)步，更短的控制周期使加減速更及時(shí)，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(jī)控制關(guān)系到方向的選擇，好的舵機(jī)控制不僅要準(zhǔn)確循線，還要能夠沿最優(yōu)路線前進(jìn)。 總結(jié)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)已有知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐的機(jī)會(huì)，更培養(yǎng)了一定的科研能力，拓寬了知識(shí)面，尤其是在硬件電路方案的確定過(guò)程中，經(jīng)過(guò)不斷的反復(fù)試驗(yàn)，最總確定了現(xiàn)在這套成熟

39、穩(wěn)定的方案。展望未來(lái)，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(xiàn)1 王錦標(biāo)，方崇智.過(guò)程計(jì)算機(jī)控制.北京：清華大學(xué)出版社出版，2003.2 邵貝貝編，單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法.北京：清華大學(xué)出版社，2004.3 卓晴，黃開(kāi)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

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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(yùn)動(dòng)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(yán)雋永譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.18 (日) 船倉(cāng)一郎.機(jī)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(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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