三江學(xué)院三江攝像頭2隊(duì)(新)

1、第三屆全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告第三屆“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： 三江學(xué)院隊(duì)伍名稱： 三江攝像頭2隊(duì)參賽隊(duì)員： 邢小強(qiáng) 湯佩和 金寅鋒帶隊(duì)教師： 楊正理 孫書芳關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第二屆“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： 目錄目錄III第一章 引言11.1大賽背景

2、和概況11.2智能車應(yīng)用前景1第二章 賽車整體設(shè)計(jì)思路22.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要求、目標(biāo)22.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)22.3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)3第三章 賽車機(jī)械部分設(shè)計(jì)53.1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)53.1.1 前輪傾角的調(diào)整53.1.2 后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整63.1.3 舵機(jī)的安裝方式63.1.4 攝像頭的固定73.2 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)與安裝83.3主板的安裝9第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)104.1 S12微控制器的組成104.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊104.3圖像處理模塊124.4電源模塊14第五章 軟件設(shè)計(jì)方案175.1圖像采集和數(shù)據(jù)處理175.2速度控制195.2.1 速度傳感器模塊195.2.2 速度檢測(cè)的初始化及速度獲取20

3、5.2.3 速度的控制205.3舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制215.4起始線的識(shí)別22第六章 賽車調(diào)試236.1軟件調(diào)試平臺(tái)CodeWarrior236.2 CodeWarrior IDE基本使用方法24第七章 模型車的主要技術(shù)參數(shù)27第八章 結(jié)論28參考文獻(xiàn)29附件A程序源代碼3040第一章 引言1.1大賽背景和概況“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是由教育部高等學(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)辦的全國(guó)性的比賽。與以往的專業(yè)競(jìng)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)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

4、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)。第三屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽于2008年7月中旬舉行分區(qū)比賽，8月上旬舉行全國(guó)總決賽。競(jìng)賽內(nèi)容包括：以飛思卡爾HCS12單片機(jī)為核心控制模塊，以CCD或光電檢測(cè)元件檢測(cè)賽道引導(dǎo)線，引導(dǎo)改裝后的模型汽車以最快的速度按照大賽組委會(huì)所設(shè)定的賽道行進(jìn)，以賽車在最短時(shí)間跑完全程的隊(duì)為優(yōu)勝隊(duì)。該競(jìng)賽是涵蓋了控制、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)科的科技創(chuàng)意性比賽，極具挑戰(zhàn)性與競(jìng)爭(zhēng)性。 該比賽已經(jīng)列入教育部主辦的全國(guó)大學(xué)生五大競(jìng)賽之一。1.2智能車應(yīng)用前景智能車要實(shí)現(xiàn)在城市繁忙道路上完全無(wú)人駕駛，尚有

5、很多研究工作要做。但是通過這輛車來研究一些關(guān)鍵技術(shù)，并且把它們應(yīng)用到實(shí)際工程中去，還是可行的。譬如在汽車定位、導(dǎo)航中的應(yīng)用；又如多種傳感器信息處理，如果將二維圖像與激光雷達(dá)的信息融合起來，可以得到更確切的道路或環(huán)境的信息；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，輔助人們把車開得又快又穩(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)夜晚的汽車安全輔助駕駛；在倉(cāng)庫(kù)、碼頭、工廠、機(jī)關(guān)、營(yíng)房、住宅區(qū)或者危險(xiǎn)、有毒、有害的工作環(huán)境里，自動(dòng)駕駛或遙控駕駛技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，如無(wú)人值守的巡邏監(jiān)視、設(shè)備的維護(hù)修理、物料的運(yùn)輸、消防滅火等等，有單位曾希望他們?cè)O(shè)計(jì)出遙控駕駛的消防車。第二章

6、 賽車整體設(shè)計(jì)思路2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要求、目標(biāo)智能車競(jìng)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，由大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供。通過設(shè)計(jì)基于Freescale 公司開發(fā)的MC9S12DG128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。自動(dòng)控制器是以單片機(jī)MC9S12DG128為核心，配合有傳感器，電機(jī)，舵機(jī)，電池及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，它能夠自主識(shí)別路徑，控制模型車高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。智能車競(jìng)賽要求參賽隊(duì)伍設(shè)計(jì)一輛以組委會(huì)提供的車模為主體的可以在賽道上自主尋線的模型車，比賽成績(jī)?yōu)閱稳ψ詈贸煽?jī)。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)?？煽啃允侨〉贸煽?jī)的有力保障。在提高車速的同時(shí)保證智能車的

7、穩(wěn)定性。同時(shí)盡量簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高靈活性。2.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)按照預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。我們力求在最簡(jiǎn)的硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)我們所要的效果，使得系統(tǒng)更高效。在組委會(huì)提供的車?；A(chǔ)上，通過MC9S12DG128采樣視頻信號(hào)，獲得圖像數(shù)據(jù)。然后根據(jù)圖像數(shù)據(jù)，提取目標(biāo)指引線。圖像采集模塊主要有攝像頭、S12的A/D模塊、外圍芯片LM1881和電路組成。舵機(jī)模塊主要控制智能車的轉(zhuǎn)角。驅(qū)動(dòng)模塊用于提供賽車的驅(qū)動(dòng)，主要由MC33886芯片及其電路組成。速度傳感器模塊由小型光電編碼器和ect脈沖捕捉功能構(gòu)成。提供速度閉環(huán)控制。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)有了系統(tǒng)

8、硬件結(jié)構(gòu)做后盾，通過軟件算法給小車注入思想后就可以跑起來了。系統(tǒng)的基本軟件流程為：首先，對(duì)各功能模塊和控制參數(shù)進(jìn)行初始化。然后，通過圖像采集模塊獲取前方賽道的圖像數(shù)據(jù)，然后S12利用邊緣檢測(cè)方法從圖像數(shù)據(jù)中提取賽道黑線，求得賽車與黑線位置的偏差，接著采對(duì)舵機(jī)進(jìn)行反饋控制。同時(shí)通過速度傳感器模塊獲取賽車的速度。根據(jù)檢測(cè)到的速度，結(jié)合速度控制策略，對(duì)賽車速度不斷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使賽車在符合比賽規(guī)則的前提下，沿賽道快速行駛。系統(tǒng)的基本軟件結(jié)構(gòu)如圖2.2 所示。 圖2.2 軟件流程圖第三章 賽車機(jī)械部分設(shè)計(jì)3.1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此次比賽選用的賽車車模采用1/10 的仿真車模。賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用競(jìng)賽提供車模

9、的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇捎们拜嗈D(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)方案。軟件程序和控制算法是要在一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)上才能充分發(fā)揮的。所以機(jī)械部分不能小視。在對(duì)車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)有了感性認(rèn)識(shí)后，針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案來調(diào)整小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)。3.1.1 前輪傾角的調(diào)整前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4 個(gè)項(xiàng)目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系。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。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使

10、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。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無(wú)關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)后傾的回正作用大，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用大。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。所謂前束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

11、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。3.1.2 后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整當(dāng)賽車在正常過彎時(shí) (假設(shè)無(wú)轉(zhuǎn)向不足亦無(wú)轉(zhuǎn)向過度)，4 個(gè)輪子的轉(zhuǎn)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，在過彎時(shí)，因外側(cè)后輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)后輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。 差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪

12、盤間的間隙，過松過緊都會(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車輪會(huì)打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機(jī)構(gòu)，應(yīng)該在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度近似相等，不會(huì)有遲滯或者過轉(zhuǎn)動(dòng)的情況發(fā)生。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會(huì)增加傳動(dòng)阻力，白白浪費(fèi)動(dòng)力;傳動(dòng)部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動(dòng)，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)抓住其中的一只輪子，另一只依然能稍稍轉(zhuǎn)動(dòng)為佳。3.1.3 舵機(jī)的安裝方式舵機(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

13、。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，將舵機(jī)安裝做了相關(guān)的改動(dòng)（如圖3.1）。這樣安裝的優(yōu)點(diǎn)是：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 3）舵機(jī)轉(zhuǎn)角更穩(wěn)定。圖3.1 舵機(jī)安裝方式3.1.4 攝像頭的固定攝像頭的安裝位置應(yīng)合適選取。安裝位置太低，會(huì)導(dǎo)致視域不夠廣闊，影響尋線的有效范圍；安裝位置太高，導(dǎo)引線會(huì)變得過窄而無(wú)法被檢測(cè)到，而且賽車系統(tǒng)會(huì)因重心抬高而穩(wěn)定性變差。攝像頭的固定難度較大，攝像頭架設(shè)的高度較高，要求材料要

14、輕，所占空間小，剛度大，與車模地板連接牢固，攝像頭角度可調(diào)。攝像頭安裝必須居中，最好做到可調(diào)。攝像頭不會(huì)過分影響模型車的重心，模型車的總體重心還應(yīng)該靠后。攝像頭角度要在不影響視野的前提下，盡量靠近垂直方向。因?yàn)檫@樣可以盡量減小最遠(yuǎn)點(diǎn)與最近點(diǎn)之間的變形差距，考慮到攝像頭的可調(diào)性，將攝像頭支架分為底座和立桿。這樣可調(diào)性增加，更加靈活。攝像頭安裝如下圖3.2所示。圖3.2攝像頭安裝方式3.2 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)與安裝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)速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受很多因素影響，例如電池電壓、電

15、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、透射式光電檢測(cè)和霍爾傳感器檢測(cè)。經(jīng)過對(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-CS3C型光電編碼器。它由5-12V的直流供電，安裝方式如圖3.3所示。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。光電編碼器上的齒輪是由于原先是沒有的，所以是在經(jīng)過計(jì)算后訂做的。速度傳感器通過后輪軸上

16、的齒輪與電機(jī)相連。如圖3.3 光電編碼器安裝位置3.3主板的安裝設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到底盤已有孔洞及車體上的支架位置，在制PCB板時(shí)就留好洞孔。將電路板支起一定高度，應(yīng)高于減震彈簧以免發(fā)生短路。將支柱固定牢，因?yàn)樵谛≤嚨拈L(zhǎng)久跑動(dòng)過程中由于撞擊等因素很有可能會(huì)松動(dòng)。應(yīng)經(jīng)常檢查，防范發(fā)生短路等故障。日常接觸的時(shí)候也應(yīng)保護(hù)主板，防止器件被碰掉。還有就是容易觸碰到的元件在做板時(shí)就應(yīng)當(dāng)注意將其轉(zhuǎn)移。安裝的過程主要考慮其穩(wěn)定性。第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1 S12微控制器的組成MC9S12DG128 微控制器采用增強(qiáng)型16 位S12CPU，片內(nèi)總線是時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25MHz，片內(nèi)資源包括128KB 的Flas

17、h 存儲(chǔ)器、8KB 的RAM、2KB 的EEPROM；兩個(gè)異步串行通信接口、兩個(gè)串行外圍接口、一組8 通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器、兩組8 通道10 路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8 通道脈寬調(diào)制模塊、一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29 路獨(dú)立的數(shù)字I/O 接口、20 路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O 接口、5 個(gè)增強(qiáng)型CAN 總線接口，并支持背景調(diào)試模式（BDM）。4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊33886 作為一個(gè)單片電路H-橋，是理想的功率分流直流馬達(dá)和雙向推力電磁鐵控制器.它的集成電路包含內(nèi)部邏輯控制,電荷泵,門控驅(qū)動(dòng),及低讀選通(on) 金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出電路.33886 能夠控制連

18、續(xù)感應(yīng)直流負(fù)載上升到5.0 安培，輸出負(fù)載脈寬調(diào)制( PWM-ed)的頻率可達(dá)10kHz一個(gè)故障狀態(tài)輸出可以報(bào)告欠壓,短路,過熱的情況.兩路獨(dú)立輸入控制兩個(gè)半橋的推拉輸出電路的輸出. 兩個(gè)無(wú)效輸入使H-橋產(chǎn)生三態(tài)輸出(呈現(xiàn)高阻抗) .33886制定的參數(shù)范圍是-40CTA125 C、5.0VV+28V。集成電路也可以工作在40V通過降低規(guī)定的定額值。集成電路能夠在表面安裝帶散熱裝置的電源組件.圖4.1C33886的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用電路圖4.1 MC33886典型應(yīng)用電路在使用MC33886時(shí)，采用兩片并聯(lián)使用，提高RS380SH的功率，提得提速更快。這樣做有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其一是提高電機(jī)的輸入電流，增大

19、電機(jī)的實(shí)際功率，使電機(jī)能在不增加動(dòng)力源的情況下，性能大幅度提高；其二是減小單片MC33886的功耗，MC33886發(fā)熱現(xiàn)象比較嚴(yán)重，上面須加上一定面積的散熱片來緩和一下，在這里用兩片MC33886來為同一個(gè)電機(jī)供能，可以有效地減小單片MC33886的功耗，發(fā)熱現(xiàn)象也可以得到部分緩解。電路設(shè)計(jì)如圖4.2。MC3386發(fā)熱問題比較突出，特別是其正反轉(zhuǎn)較為頻繁的時(shí)候。在使用時(shí)在其上面加裝散熱片，以增大其散熱面積。圖4.2 C33886驅(qū)動(dòng)電路4.3圖像處理模塊攝像頭的信號(hào)經(jīng)過LM1881視頻分離芯片分離出行信號(hào)和場(chǎng)信號(hào)，場(chǎng)信號(hào)代表一個(gè)圖像開始標(biāo)志，行信號(hào)是DG128進(jìn)行AD 采集標(biāo)志。LM1881（

20、如圖4.3）是針對(duì)電視信號(hào)的視頻同步分離芯片，它可以直接對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行同步分離，準(zhǔn)確地獲得所需的視頻圖像信號(hào)，使用者可根據(jù)需要對(duì)該同步信號(hào)進(jìn)行時(shí)序邏輯控制.圖4.3 LM1881應(yīng)用原理圖視頻信號(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，因此，若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，就必須準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)問的邏輯關(guān)系。LM1881就是針對(duì)視頻信號(hào)的同步分離而生產(chǎn)的，LM1881可以從0.52V的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極性NTSC制、PAL制、SECAM制視頻信號(hào)中提取復(fù)合同步、場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)識(shí)別等信號(hào)，這些信號(hào)都是圖像數(shù)字采集所需要的同步信號(hào)，由

21、此便確定采集點(diǎn)在哪一場(chǎng)，哪一行。這幾種重要的輸出信號(hào)的時(shí)序參看圖(4.4)。圖4.4 輸出信號(hào)時(shí)序LM1881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，并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)交給單片機(jī)的I/O口。最后整個(gè)采樣電路如圖4.5所示。圖4.5攝像頭采樣電路4.4電源模塊電源管理在整個(gè)電路中起著舉足輕重的作用，電源芯片選擇的好壞直接影響系統(tǒng)能否正常工作。它不僅為單片機(jī)提供工作電壓，而且為各個(gè)控制芯片提供工作電壓。因此，電源管理芯片的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但由于電機(jī)帶負(fù)荷的大電流特性，直接影響供電電源的質(zhì)量，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)。從整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的角度出發(fā)，我們選擇了一款低壓差芯片TPS

22、7350，該芯片最具特色的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)輸出電流為100mA時(shí)，最大壓差只有35mV，只需很少的外圍器件就能滿足應(yīng)用要求。此外，充分使用該芯片的復(fù)位功能，減少了芯片的使用量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源模塊主要包括單片機(jī)電源模塊、舵機(jī)電源模塊、攝像頭電源模塊。圖4.6所示是電源管理電路的框圖。圖4.6 電源管理框圖圖4.7所示是使用TPS7350為整個(gè)智能車系統(tǒng)提供+5V的工作電壓的原理圖。圖4.7 +5V工作電壓原理圖圖4.8所示是使用TPS7350為整個(gè)智能車系統(tǒng)提供+6V的工作電壓的原理圖。圖4.8 +6V工作電壓原理圖第五章 軟件設(shè)計(jì)方案5.1圖像采集和數(shù)據(jù)處理視頻信號(hào)經(jīng)過LM1881同步分離，

23、行同步信號(hào)接到S12的ECT通道2是上，利用定時(shí)器中斷對(duì)行同步引發(fā)的外部中斷進(jìn)行處理；場(chǎng)同步信號(hào)接到是S12的T口上。當(dāng)場(chǎng)信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，對(duì)行信號(hào)計(jì)數(shù)器清零。在行中斷服務(wù)函數(shù)中，每來一個(gè)行同步則行計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)行計(jì)數(shù)等于所需采樣行時(shí)，開始對(duì)此行信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，直到下一個(gè)行同步信號(hào)到來。行中斷服務(wù)函數(shù)的流程圖如下圖5.1所示。圖5.1 行中斷服務(wù)函數(shù)的流程圖經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在S12超頻在32Hz的情況下，視頻信號(hào)一行最多能采樣到63個(gè)點(diǎn)，已經(jīng)滿足跑道的識(shí)別精度。在行數(shù)的選擇上考慮到對(duì)起始線的識(shí)別，我們提取了15行。圖像的采樣效果如下：圖 5.2 采樣數(shù)據(jù) 從圖5.2可以看出黑色的值大概在1B左右

24、，而白色大概在38左右；黑白顏色的值差別比較明顯。黑線提取我們采用邊緣檢測(cè)（灰度的跳變），具體的算法思路是：設(shè)定一個(gè)閥值（白線與黑線值的差），對(duì)每一行從左往右相鄰兩像素值做差（左減右），如果所得的差值大于所設(shè)定的閥值，則判定其右的相素點(diǎn)為黑色指引線的左邊緣，記錄下該相素點(diǎn)的橫坐標(biāo)。如果始終沒有檢測(cè)到大于閥值的情況，則該行的黑色指引的橫坐標(biāo)保持上一場(chǎng)時(shí)值。 雖然采用了邊緣檢測(cè)提取黑線，但由于賽道縫隙或其他黑色像點(diǎn)的干擾，會(huì)導(dǎo)致某些行的黑線位置發(fā)生跳變，為了解決這個(gè)問題，增強(qiáng)提取黑線的可靠性，采用了中值濾波對(duì)前面獲取的黑線位置進(jìn)行處理。中值濾波的思想是：對(duì)于某行的黑線位置，如果它的位置正好在前后兩

25、行的中間，則保留原有位置；否則，以這三行中黑線位置居中的代替該行黑線位置。5.2速度控制5.2.1 速度傳感器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)速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受很多因素影響，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。速度檢測(cè)我們采用了光電編碼器，通過檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)采集的脈沖數(shù)，來達(dá)到檢測(cè)速度的變化。將光電編碼器的脈沖輸出引腳接到ECT通道2。5

26、.2.2 速度檢測(cè)的初始化及速度獲取通過一段時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖數(shù)的檢測(cè)，采用模數(shù)計(jì)數(shù)器向下溢出中斷，每20ms采樣一次光電編碼器輸出的脈沖數(shù)并同時(shí)產(chǎn)生一次中斷。因?yàn)殡娋幋a器是200個(gè)脈沖每轉(zhuǎn)，采用了16位計(jì)數(shù)器，才能達(dá)到不會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器益處的情況。其初使化如下： MCFLG_MCZF=1; MCCTL_MODMC=1; /循環(huán)計(jì)數(shù)方式 MCCTL_MCZI=1; MCCTL_MCEN=1;/模數(shù)計(jì)數(shù)器使能 MCCTL_MCPR=3;/設(shè)置16分頻 MCCNT=40000;/設(shè)置中斷時(shí)間20ms MCCTL_FLMC=1; TIOS_IOS0=0;/設(shè)置PT0輸入捕捉 TCTL4=0x12; PBCTL

27、_PBEN=1; 每次通過對(duì)PACN10值的讀取，就可以知道速度的變化情況。5.2.3 速度的控制對(duì)速度控制我們采用了bang-bang,讓電機(jī)穩(wěn)定在一定的速度下，實(shí)際調(diào)試時(shí)速度的控制效果不錯(cuò)，電機(jī)的響應(yīng)速度很快。為可提高整體的速度，在直道盡力的加快速度，但會(huì)帶來入彎的時(shí)候會(huì)沖出的情況，為此我們采用了反向制動(dòng)，把速度瞬速降低在一個(gè)很低的速度，能夠順利的入彎。具體的算法流程圖如下：圖5.3 算法流程圖5.3舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制根據(jù)實(shí)際測(cè)試，確定了舵機(jī)的擺到中心位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的PWM值steer_center，及左右轉(zhuǎn)向極限所對(duì)應(yīng)的PWM值steer_left和steer_right。舵機(jī)轉(zhuǎn)向采用了P控制，

28、根據(jù)跑道的曲率變化情況，分別設(shè)置不同的P值。首先確定舵機(jī)擺到中心位置steer_center時(shí)，黑線的的位置car_center。然后根據(jù)不同的跑道情況采用PWMDTY01=steer_center+w2*P這個(gè)公式進(jìn)行控制，其w2是所采樣到的黑線位置和car_center的差值，P值則根據(jù)黑線的曲率變化而設(shè)定。對(duì)于S道的處理有兩種方法：一是把S道和別的跑道區(qū)別開來，然后一遇到S道就直接過去，或是盡量在很小擺動(dòng)的情況下通過S道。第一種方法，我們發(fā)現(xiàn)S道不能完全的和別的跑道區(qū)別開來，所以就放棄這種方法而選擇第二種，通過減小P值來盡量減小在S倒的擺幅，效果比較不錯(cuò)。5.4起始線的識(shí)別根據(jù)今年的比賽

29、規(guī)則，在跑完兩圈后賽車需要自動(dòng)停止在起始線之后三米的賽道內(nèi)。因此，我們針對(duì)起始線提出了識(shí)別和處理的方法。要在三米內(nèi)自動(dòng)停止，首先要正確的識(shí)別起始線。起始線的識(shí)別有兩中方法：一是在車體前增加紅外管；二是直接用攝像頭識(shí)別。第一種方法要增加較多的紅外進(jìn)行識(shí)別，而且實(shí)際調(diào)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)其錯(cuò)誤識(shí)別的概率較高。第二種方法通過對(duì)黑線邊緣（上升沿和下降沿的）的統(tǒng)計(jì)，來判斷是否拍到起始線。通過不斷的調(diào)試，起始線的識(shí)別正確率很高。當(dāng)小車在靠近起始線的過程中，由于起始線的采樣頻率比較高，會(huì)連續(xù)幾場(chǎng)都看到起始線，這樣會(huì)使得小車一看到起始線就停止。為了防止這種情況的發(fā)生我們采用了積分濾波的方法，通過和原始數(shù)據(jù)比較達(dá)到正確

30、識(shí)別起始線，具體算法實(shí)現(xiàn)如下：圖5.4 起始線算法流程圖第六章 賽車調(diào)試6.1軟件調(diào)試平臺(tái)CodeWarriorCodeWarrior是由Metrowerks 公司提供的專門面向Freescale 所有MCU 與DSP 嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件工具。其中包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家、全芯片仿真、可視化參數(shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理、C 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。CodeWarrior不僅支持匯編語(yǔ)言，而且支持C、C+和Java高級(jí)語(yǔ)言。CodeWarriorIDE支持深入的C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言調(diào)試：?jiǎn)?dòng)/停止、單步、設(shè)置跟蹤觸發(fā)器、校驗(yàn)/修改存儲(chǔ)器和C變量、結(jié)構(gòu)與陣列，以及執(zhí)行其他仿真功

31、能。其中在本設(shè)計(jì)方案中最為重要的部分就是集成開發(fā)環(huán)境IDE 以及調(diào)試器。仿真調(diào)試窗口如圖6.1所示。Code Warrior 4.6可以很好方便的完成MCS12DG128B單擊的新工程的建立，程序的編寫、下載和調(diào)試。通過BDM頭不僅可以燒寫程序，還可以在程序運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)查看各參數(shù)的值。圖6.1 仿真調(diào)試窗口6.2 CodeWarrior IDE基本使用方法 運(yùn)行“開始菜單所有程序Metrowerks CodeWarriorCW12V3.1CodeWarrior IDE”，選擇“FileNew”。此后選擇MC9S12DG128B，按照提示選取期望的選項(xiàng)。直至建立工程文件。如下：圖6.2 建立軟件環(huán)

32、境過程 打開Start12.c 文件，找到代碼#ifdef _HCS12_SERIALMON#define _INITRM (*(volatile unsigned char *) 0x0010)#define _INITRG (*(volatile unsigned char *) 0x0011)#define _INITEE (*(volatile unsigned char *) 0x0012)#endif修改成：/#ifdef _HCS12_SERIALMON#define _INITRM (*(volatile unsigned char *) 0x0010)#define _INI

33、TRG (*(volatile unsigned char *) 0x0011)#define _INITEE (*(volatile unsigned char *) 0x0012)/#endif之所以要進(jìn)行這個(gè)步驟是因?yàn)椋跏蓟a是認(rèn)為程序中有監(jiān)控程序的，但是因?yàn)槲覀兪鞘褂玫腷dm 調(diào)試工具，所以就不需要監(jiān)控程序了。如果不注釋掉這兩條語(yǔ)句，一旦將程序燒寫到片內(nèi)的flash，會(huì)發(fā)現(xiàn)程序跑不起來，因?yàn)槌跏蓟^程在等待監(jiān)控程序的響應(yīng)，如果沒有監(jiān)控程序，那么程序就會(huì)進(jìn)入死循環(huán)的狀態(tài)。 添加代碼：將自己的代碼加入到工程文件中。 如果文件編譯通過，通過BDM 下載。啟動(dòng)CodeWarrio 4.1

34、自帶的Hiwave.exe 程序，該程序一般位于CodeWarrio 4.1 的安裝目錄“MetrowerksCWfor HCS12X V4.1prog”中，是用來往單片機(jī)下載程序和調(diào)試單片機(jī)的程序。啟動(dòng)后程序界面如圖6.1所示。之后運(yùn)行路徑C:Program FilesMetrowerksCW for HCS12X V4.1prog 下的hiwave.exe 文件選擇TBDML HCS12，在下拉菜單中選擇“set speed”，輸入晶振頻率16.00，然后這個(gè)下拉菜單中會(huì)出現(xiàn)“Flash”選項(xiàng)，點(diǎn)擊這個(gè)選項(xiàng)，出現(xiàn)如下的對(duì)話框：圖10.6 程序擦除燒寫界面在下載自己的程序前應(yīng)該將板子中已經(jīng)存

35、在的程序擦除，選擇有程序的部分，點(diǎn)擊Erase，擦除完成后，點(diǎn)擊Load，選擇自己所建立工程的文件夾中bin文件夾下后綴為“.abs”的文件，點(diǎn)擊打開，下載完成。至此已經(jīng)基本完成了從程序代碼編寫和設(shè)置過程，到下載燒制進(jìn)S12 芯片的主要過程；其中也包括程序開發(fā)和調(diào)試的基本步驟。第七章 模型車的主要技術(shù)參數(shù)賽車基本參數(shù)長(zhǎng)30.5cm寬16.0cm高34.0cm車重1.4kg功耗負(fù)載大于12W電容總?cè)萘?54uF傳感器CMOS攝像頭1個(gè)除了車模原有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)之外伺服電機(jī)個(gè)數(shù)0賽道信息檢測(cè)視野范圍（近/遠(yuǎn)）10/60cm頻率50Hz第八章 結(jié)論本文主要介紹了基于Freescale單片機(jī)的智能車

36、設(shè)計(jì)流程、攝像頭尋線方案各個(gè)主要模塊的工作原理和設(shè)計(jì)思路。回顧整個(gè)設(shè)計(jì)過程，我們?cè)谧畛醯臄z像頭頭選擇和測(cè)試上花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間，不過我們堅(jiān)信有了一個(gè)完美的視角行走才會(huì)更加自如。各模塊的電路都要經(jīng)過反復(fù)的測(cè)試以確定其是否穩(wěn)定可靠。穩(wěn)定性對(duì)于參賽的小車是至關(guān)重要的。另外對(duì)于硬件的極好的維護(hù)性和可更換性也是一個(gè)很值得考慮的方面。在遇到突發(fā)情況下尤其體現(xiàn)其優(yōu)越性。智能車機(jī)械部分也是一個(gè)很關(guān)鍵的問題，特別是在過彎的情況下體現(xiàn)的尤為突出。車體的抖動(dòng)和過彎速度比預(yù)計(jì)慢很大一部分是機(jī)械調(diào)試的問題。攝像頭組的還應(yīng)注意車體的重心，重心過高對(duì)于過彎可能會(huì)造成一些不利因素。在這次比賽中，大家的能力有了顯著的提高。老師給予

37、的幫助讓我們走的更穩(wěn)。同時(shí)在付出汗水的背后是收獲的笑臉。參考文獻(xiàn)1. 邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法M.北京：清華大學(xué)出版社，2004.2. 譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005.3. 王威等，HCS12微控制器原理及應(yīng)用 .北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4. 卓晴，黃開勝，邵貝貝等.學(xué)做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯C.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.附件A程序源代碼#include /* common defines and macros */#include /* derivative information */#pragma LINK_INFO

38、 DERIVATIVE mc9s12dg128b#include system.h#include ect.h#include sci.h#include ad.h#include pwm.h#ifndef _SYSTEM_H_#define _SYSTEM_H_#define VALUE 2 /*閥值*/#define VALUE1 23#define ROWCOUNTMIN 65#define ROWCOUNTMAX 325#define ROWCOUNTIMAGE 15#define LINEMIN 5#define LINEMAX 55#define steer_center 2600

39、#define steer_left 2870#define steer_right 2350#define SPEEDMIN 0#define SPEEDMAX 190word rowcount;word rowimage;byte ImageData0LINEMAX;byte ImageDataROWCOUNTIMAGELINEMAX;byte blackwireROWCOUNTIMAGE-1;byte upwireROWCOUNTIMAGE-3;byte A,B,C,K;static char aa7;int pulsecount_low;byte count1=0;byte count

40、2=0;byte ii, jj,mm,kk;void Init_PLL(void);void PortInit(void);short FuzzyLogic(short stand);int pulsecount;int high1;int high ;static byte f1=0,f2=0;static int x1=0,x2=0;#endifvoid Init_PLL(void) /初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)LASH和EEPROM的工作頻率 REFDV=0x03; SYNR=0x07; /system clock=16MHz*(SYNR+1)/(REFDV+1)=32MHz while(0=C

41、RGFLG_LOCK); /wait for 時(shí)鐘頻率穩(wěn)定鎖相環(huán)時(shí)鐘鎖定 CLKSEL=0x80; /選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 FCLKDIV=0x49; ECLKDIV=0x49; /使FLASH和EEPROM的擦除工作頻率在200KHz左右 /*端口處理*/ void PortInit(void) DDRT_DDRT1=0;/*場(chǎng)信號(hào)輸入*/ PERT_PERT1=1; PPST_PPST1=0; PUCR_PUPEE=1; DDRB=0xff;void AD_Init(void) ATD0CTL2=0xC0;/*啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)清除CCFx位*/ ATD0CTL3=0x08;/*轉(zhuǎn)換序

42、列長(zhǎng)度為1*/ ATD0CTL4=0x81;/*8位轉(zhuǎn)換精度，采樣時(shí)間為2*AD時(shí)鐘周期AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為8Mz*/ ATD0CTL5=0xA0;/*右對(duì)齊無(wú)符號(hào)，單通道采樣，通道0*/ ATD0DIEN=0x00;/*禁止數(shù)字輸入*/ ATD1CTL2=0xc0; ATD1CTL3=0x04; ATD1CTL4=0x83;/87 ATD1CTL5=0xb0; ATD1DIEN=0x00;void ECT_init(void) TIOS_IOS2=0; /設(shè)置通道為輸入捕捉 TSCR1=0x80;/定時(shí)器使使能，正常工作 TSCR2=0x01;/禁止定時(shí)器益出中斷，預(yù)分頻系數(shù)為2 TFLG1=0x

43、04; TIE_C2I=1; MCFLG_MCZF=1; MCCTL_MODMC=1; /循環(huán)計(jì)數(shù)方式 MCCTL_MCZI=1; MCCTL_MCEN=1;/模數(shù)計(jì)數(shù)器使能 MCCTL_MCPR=3;/設(shè)置16分頻 MCCNT=40000;/設(shè)置中斷時(shí)間20ms MCCTL_FLMC=1; TIOS_IOS0=0;/設(shè)置PT0輸入捕捉 TCTL4=0x12; PBCTL_PBEN=1; / TIE_C0I=1; void PWM_OPEN(void) PWME=0x00;/關(guān)閉pwm PWMCTL_CON01=1; /PWM01合并為16位輸出 PWMPRCLK=0x34;/時(shí)鐘A=2M，時(shí)

44、鐘B=4M PWMSCLA=100;/時(shí)鐘SA=A/（2*100）=10K PWMSCLB=1; /時(shí)鐘SA=B/（2*1）=2000K PWMCLK=0b00011100; /pwm01-A;pwm23-SB; pwm4-SA; PWMPOL=0xff;/極性位為1 PWMCAE=0x00;/左對(duì)齊 PWMPER01=40000;/舵機(jī)PWM周期=A/40000=50HZ PWMDTY01=2600;/舵機(jī)中心位置 PWME_PWME1=1;/舵機(jī)使能 PWMDTY2=110; PWMPER2=200;/電機(jī)頻率=SB/200=10K PWME_PWME2=1;/電機(jī)使能 PWMDTY3=0

45、; PWMPER3=200;/電機(jī)頻率=SB/200=10K PWME_PWME3=1; /電機(jī)使能 PWME_PWME3=1; /*PWMPER4=200; PWMDTY4=100; PWME_PWME4=1;*/ /*SCIopen*/void sciopen(void) SCI0BD=208; SCI0CR1=0; SCI0CR2=0x0c; /*-發(fā)射端程序-*/void SciTx(unsigned char text) unsigned char temp; temp=SCI0SR1; /*clear flag*/ while (!(SCI0SR1&0x80); /* wait f

46、or output buffer empty */ SCI0DRH=0; SCI0DRL=text;/*-接受端程序-*/char SciRx(void) char result,temp; temp=SCI0SR1; /*clear flag*/ while(!(SCI0SR1&0x20); result=SCI0DRL; return result; /*絕對(duì)值函數(shù)*/byte abs_w(byte a,byte b) byte diff; if(a=b) diff=a-b; else diff=b-a; return diff;/*延遲函數(shù)*/ void Delay(void) unsi

47、gned char i6; unsigned int j6; for(i6=0;i6100;i6+) for(j6=0;j6B) K=B;B=A;A=K; if(BC) K=C;C=B; B=K; if(AB) K=B;B=A;A=K; return B;/*黑線的提取*/void wire_black(void) byte i1,j,k; for(i1=0;i1ROWCOUNTMIN-1;i1+) for(j=LINEMIN;jImageDatai1j+3+VALUE1) for(k=3;k10;k+) if(ImageDatai1j+k+VALUE1ImageDatai1j+k+3) bl

48、ackwirei1=j+k/2+2; k=10; j=LINEMAX; /*中值濾波*/void deal_wire(void) byte i3; for(i3=0;i3ROWCOUNTIMAGE-3;i3+) upwirei3=mind(blackwirei3,blackwirei3+1,blackwirei3+2); /*舵機(jī)控制*/void steer_control(void) byte i6; char n,car_center; char w2; int w1,w3; int w4=0; for(i6=0;i6ROWCOUNTIMAGE-3;i6+) w4+=upwirei6; w4=w4/(ROWC