第二屆飛思卡爾杯全國大學生

1、第二屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車邀請賽技 術 報 告學 校： 天津工業(yè)大學隊伍名稱： 天津工業(yè)大學二隊參賽隊員： 黃加勇 陳華偉 魏翼鷹帶隊教師： 熊慧第頁關于技術報告和研究論文使用授權的說明關于技術報告和研究論文使用授權的說明本人完全了解第二屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車邀請賽關于保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像數據，并將相關內容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名：帶隊教師簽名：日 期：第頁第一章第一章 引言引言.51.11.1智能

2、車車制作情況智能車車制作情況.51.21.2技術報告內容安排說明技術報告內容安排說明.5第二章第二章 賽車整體設計賽車整體設計.72.12.1 系統(tǒng)硬件模塊設計系統(tǒng)硬件模塊設計.72.22.2 軟件結構流程軟件結構流程.9第三章第三章 智能車系統(tǒng)方案的選取智能車系統(tǒng)方案的選取.113.13.1 單排紅外發(fā)光二極管方案單排紅外發(fā)光二極管方案.113.1.13.1.1 紅外發(fā)光管布局及安裝紅外發(fā)光管布局及安裝.113.1.23.1.2 數據采集處理數據采集處理.123.1.33.1.3不足之處不足之處.123.23.2 雙排紅外發(fā)光二極管方案雙排紅外發(fā)光二極管方案.133.2.13.2.1 雙排紅

3、外發(fā)光二極管布局雙排紅外發(fā)光二極管布局.133.2.23.2.2控制策略控制策略.133.2.33.2.3 不足之處不足之處.143.33.3 CCDCCD 攝像頭和攝像頭和 CMOSCMOS 攝像頭方案的選取攝像頭方案的選取.143.3.13.3.1 CCDCCD 和和 CMOSCMOS 光電傳感器的原理光電傳感器的原理.143.3.23.3.2 CCDCCD 和和 CMOSCMOS 光電傳感器優(yōu)缺點比較光電傳感器優(yōu)缺點比較.153.3.33.3.3 方案選取方案選取.15第四章第四章 賽車機械結構調整賽車機械結構調整.164.14.1 底盤的調整底盤的調整.164.24.2 前輪的調整前輪

4、的調整.164.34.3 后輪距及后輪差速的調整后輪距及后輪差速的調整.174.44.4 齒輪傳動機構的調整齒輪傳動機構的調整.174.54.5 舵機的改裝舵機的改裝.184.64.6 攝像頭的安裝攝像頭的安裝.19第五章第五章 圖像采集模塊圖像采集模塊.215.15.1 攝像頭結構、工作原理和輸出信號制式攝像頭結構、工作原理和輸出信號制式.215.1.15.1.1 攝像頭結構攝像頭結構.215.1.25.1.2 工作原理工作原理.21第頁5.1.35.1.3 輸出圖像結構輸出圖像結構.225.1.45.1.4 檢測黑線原理檢測黑線原理.255.25.2 CMOSCMOS 攝像頭的選取攝像頭的

5、選取.255.35.3 LM1881LM1881 視頻分離模塊視頻分離模塊.255.45.4 SS2000BSS2000B 黑白攝像頭測試黑白攝像頭測試.275.55.5 視頻信號數據采集視頻信號數據采集.285.5.15.5.1 視頻采集電路視頻采集電路.285.5.25.5.2 軟件采集流程軟件采集流程.29第六章第六章 電機驅動模塊電機驅動模塊.336.16.1 驅動電路的設計驅動電路的設計.336.26.2 MC33886MC33886 原理：原理：.336.36.3 軟件初始化編程軟件初始化編程.35第七章第七章 舵機轉向模塊舵機轉向模塊.367.17.1 舵機的結構舵機的結構.36

6、7.27.2 舵機舵機工作原理：工作原理：.367.2.17.2.1 舵機的基本資料：舵機的基本資料：.377.2.27.2.2 舵機的控制方法：舵機的控制方法：.377.37.3 舵機的初始化編程：舵機的初始化編程：.38第八章第八章 電源分配模塊電源分配模塊.398.18.1 5V5V 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路.408.28.29V9V 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路.43第九章第九章 測速模塊測速模塊.439.19.1 測速的硬件部分測速的硬件部分.439.29.2 測速模塊使用的電路如下：測速模塊使用的電路如下：.439.39.3 測速的軟件部分測速的軟件部分.43第十章第十章 攝像頭數據處理算法攝像頭數據

7、處理算法.4810.110.1 攝像頭行數據的處理攝像頭行數據的處理.4810.210.2 攝像頭幀數據的處理攝像頭幀數據的處理.48第頁第十一章第十一章 總結總結.51參考文獻參考文獻.52第頁第一章第一章 引言引言1.1智能車車制作情況智能車的制作從 2007 年 3 月到 2007 年 8 月，傾注了隊員的汗水和心血。系統(tǒng)方案由單排紅外管到雙排紅外管識別路徑，再到 CCD 攝像頭和 CMOS 攝像頭的路徑識別傳感器的選取，歷經了漫長的過程，以及電機使用 MC33886 驅動和隊員設計的電機驅動電路的選取。三名隊員克服了測速模塊 74LS14 史密特觸發(fā)器產生波形的上升沿有毛刺的干擾、使用

8、 QCUP12 無線模塊進行調試、CMOS 傳感器輸出 PAL 電視機制式的原理以及圖像數據的采集和處理、多個中斷聯合使用的時序問題、廣角鏡頭最遠處照射范圍廣干擾大以及多個不同焦距鏡頭的選取等許多問題，在制作過程中并對智能車的機械結構，如舵機的架高、舵機臂的加長、前輪傾角的調整、后輪差速模塊的調節(jié)、整車重心的設計及調整等。同時隊員在制作過程，不斷克服困難，分析問題，解決問題，總結經驗并做了相應的筆記。本隊在華北賽區(qū)取得了第三名的優(yōu)異成績，有幸參加在上海交通大學舉辦的全國總決賽。現向組委會提交本隊技術報告，本文詳細介紹系統(tǒng)方案的選取、整車的參數、傳感器的選取及個數、MC9S12DG128 單片機

9、最小系統(tǒng)，各個模塊的電路設計及工作原理，硬件結構的設計和改進、軟件的控制策略等。1.2技術報告內容安排說明此技術文檔的正文部分大致分為十二個部分：第一章，引言部分，介紹比賽背景，技術報告內容安排說明，智能車制作情況等。第二章，賽車整體設計，從硬件及軟件方面簡單的介紹了賽車結構。第三章，智能車系統(tǒng)方案的選取，介紹了單排紅外光電管方案、雙排紅外光電管方案、CCD 攝像頭方案以及智能車的最終方案 CMOS 攝像頭方案。第四章，賽車機械結構調整，具體介紹了對賽車各個機械部分的調整，使其達到最佳狀態(tài)。第五章，圖像采集模塊，對攝像頭的原理、選購、測試，輸出信號，視頻采集作了詳細的闡述和分析。第六章，電機驅

10、動模塊，介紹了 MC33886 驅動電機的原理，即對 MC33996 的初始化。第七章，舵機轉向模塊，介紹了舵機的結構、參數，以及舵機的控制方法和程第頁序初始化。第八章，電源分配模塊，介紹了系統(tǒng)各個部分的電源分配和電路設計。第九章，測速模塊，介紹了測試模塊的硬件設計，電路和程序初始化。第十章，攝像頭數據處理算法，側重介紹了行數據處理和幀數據處理，這是控制賽車的基礎。第十一章，賽車控制策略，介紹了控制賽車舵機，賽車調速，以及對 MC33886 的保護等。第十二章，總結，參賽隊員對參加比賽的體會和感想，存在的不足之處。第頁第二章第二章 賽車整體設計賽車整體設計2.1 系統(tǒng)硬件模塊設計圖 2.1 系

11、統(tǒng)硬件模塊圖我們采用攝像頭圖像采集的方式控制小車循跡，在這個基礎上，通過舵機控制轉向，通過電機控制小車的速度。在功能模塊上，可將整個賽車分為六大部分：攝像頭圖像采集模塊、電源模塊、驅動模塊、舵機轉向模塊，測速模塊、輔助調試模塊。下面就這五個模塊分別作出簡要地介紹：攝像頭圖像采集模塊：攝像頭的信號通過 LM1881 視頻分離芯片向 DG128產生行信號中斷和場信號中斷，以控制圖像 AD 值的采集；然后通過邊沿提取算法提取出每行黑線的位置，通過提取連續(xù)行重新購建一幀圖像的算法對整個圖像進行處理。通過 LM2576 開關型穩(wěn)壓芯片將電池電壓穩(wěn)壓到 5V，給單片機及視頻分離電路和測速電路供電；通過 M

12、C34063 降壓型穩(wěn)壓芯片將電池電壓穩(wěn)壓到 9V，給第頁攝像頭提供電源。驅動模塊：通過組委會提供的 MC33886 直流電壓驅動芯片驅動電機，以實現調速。這里我們采用 4 片并聯的方式，提高了驅動能力，并編寫了相應的保護程序，避免電機堵轉電流過大，燒毀 MC33886。測速模塊：以光電耦合管和自制的碼盤作為測速的傳感器，光耦合管的輸出信號經過 555 定時器組成的斯密特觸發(fā)器整形得到一定頻率的矩形波信號，再經過 DG128 的輸入捕捉功能提取出小車的速度值。無線調試模塊：在輔助調試模塊中我們使用 DG128 的 SCI 串行通訊功能，對賽車進行現場的調試，測量參數。第頁2.2 軟件結構流程Y

13、系統(tǒng)初始化（包括倍頻的設置及用到的寄存器的設置）將舵機轉到中間位置；設置電機占空比初始值為 50%；攝像頭行信號處理子函數幀信號處理子函數攝像頭已采集行信號是否處理完Y攝像頭是否采集完一幀N光電測距碼盤是否產生外部中斷調速子函數NN第頁在系統(tǒng)程序中，主要包含了攝像頭圖像信號的采集，在行中斷間歇中用邊沿提取法提取黑線的位置以及其他子函數，當一幀完成后，對一幀數據進行處理，將間斷的行連接成一個連續(xù)的路徑。三個變量來控制舵機的值：part_1、part_2、part_3。part_1 對應圖像的斜率；part_2 對應小車相對于黑線的位置；part_3 對應于轉向的超前校正，它由圖像前端的斜率求得。

14、小車速度采用 PI 加 Bang-Bang 控制。第頁 第三章 智能車系統(tǒng)方案的選取智能車所選取的系統(tǒng)方案直接關系到智能車的性能好壞，本隊隊員在制作過程中，結合本校研究生的研究論文1對單排紅外發(fā)光二極管方案、雙排紅外發(fā)光二極管方案、CCD 攝像頭方案、CMOS 攝像頭方案等進行了充分的理論分析和實踐證明。3.1 單排紅外發(fā)光二極管方案3.1.1 紅外發(fā)光管布局及安裝結合本校研究生的研究論文1，本方案從“一”字型布局， “”字型布局， “”字型布局中選取了個發(fā)光二極管和接收管“一”字型布局。圖 3.1“一”字型布局兩個紅外發(fā)光二級管相距 2.5cm，正好為黑線的寬度，接收管在發(fā)光管的正下方，這樣

15、可以減小干擾。圖 3.2 帶傾角安裝傳感器2.5cm第頁為使智能車的前瞻性得到提高，采用了帶傾角安裝傳感器方案，采用了TIP5001 高性能發(fā)光二極管，經實際測試得到發(fā)光二極管與水平線傾角 65 度，距地高 12cm，最遠探照距離為 20cm 為最優(yōu)方案，使得小車能提前進行轉彎、減速等一系列動作， 。3.1.2 數據采集處理對紅外接收管數據的采集主要分為數字模式和模擬模式。為達到精確的偏離黑線的距離，本方案選用了模擬模式，使用位 AD 值對紅外接收管的電壓進行采集，得到小車偏離黑線的距離，通過 MC9S12DG128 特有的模糊算法模塊，針對每個發(fā)光二極管和接收管的參數不同，建立動態(tài)的隸屬度函

16、數，計算出小車偏離黑線的位置。建立隸屬度函數如下：圖 3.3 隸屬度函數隸屬度函數的 point1、point2、poingt3 是根據不同發(fā)光管和接收管而定，從而建立動態(tài)的隸屬度函數。實踐證明該方案能較好的克服因發(fā)光管和接收管不同參數引起的波動。3.1.3 不足之處由于使用紅外發(fā)光二極管，其最遠探照距離為 20cm,作用距離相當有限，而且受限于 16 個檢測傳感器，在彎道處可能會出現檢測不到黑線的情況，不能做到提前轉彎和彎道減速，以至于使小車沖出跑道。雖然建立動態(tài)隸屬度函數，但仍然不能很好的克服各個發(fā)射管和接收管參數不同所帶來的誤差。第頁3.2 雙排紅外發(fā)光二極管方案3.2.1 雙排紅外發(fā)光

17、二極管布局由于單排紅外發(fā)光二極管的探照距離有限，速度達到 2m/s 時就遇到瓶頸，不能再提高速度，為克服方案一中的不足之處和提高小車的整體速度，我們設計了第二個方案：應用雙排紅外發(fā)光二極管，布局如圖：圖 3.4 雙排紅外發(fā)光管排列 第一排為 8 個發(fā)光管二極管和接收管，依然保持 70 度的傾角。第二排為7 個發(fā)光管二極管和接收管保持 45 度傾角。3.2.2 控制策略本方案為提高小車整體速度，如上圖所示距離和傾角排列兩排得紅外管和接收管。第一排檢測彎道，依此進行小車減速，第二排為小車提供轉角值 。同時根據兩排所采集到的 AD 數據計算出彎道的斜率。經測試這種紅外管排列能很好的檢測彎道和起跑線。

18、控制策略為：因為以兩圈中時間最短的為有效時間，故采取第一圈以較低速度行駛，從起跑線開始，記錄彎道的個數以及是左彎道還是右彎道，同時根據測速模塊記錄彎道相隔的距離。第二圈根據第一圈記錄的數據，并于兩排紅第頁外光電管所檢測到的路徑進行比較，計算出兩者的偏差值，與設定的閾值比較，大于閾值就按紅外光電管所檢測到的路徑行駛，小于閾值時，將兩者加權所得到的數據送給轉向模塊和速度模塊。3.2.3 不足之處使用紅外光電管還是沒能克服探照距離近的障礙，同時整個比賽成績的優(yōu)異太過于依賴第一圈的穩(wěn)定性，如果第一圈記錄路徑出現了較大的誤差，將影響整個比賽成績。即使第一圈很穩(wěn)定，到第二圈速度也達不到理想的速度，速度還是

19、受到了限制。故放棄了該方案。3.3 CCD 攝像頭和 CMOS 攝像頭方案的選取3.3.1 CCD 和 CMOS 光電傳感器的原理CCDCCD 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD 利用光電效應制作的半導體器件，起步早，技術已相當成熟，在生產生活中得到了廣泛的應用。構成 CCD 的基本單元是 MOS (金屬- 氧化物- 半導體) 結構。CCD 的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。工作時,需要在金屬柵極加一定的偏壓,形成勢阱以容納電荷,電荷的多少基本與光強成線性關系。電荷讀出時,在一定相位關系的移位脈沖作用下,從一個位置移動到下一個位置,直到移出 CCD ,經過電荷- 電壓變換,轉換為模擬信號。CMO

20、SCMOS 光電傳感器光電傳感器CMOS 是一種高集成度大規(guī)模集成電路，仍使用光敏元件為感光器件，光敏元件在排列方式上與 CCD 電荷耦合器件相同，只是在光電轉換后信息傳送方式不。CMOS 芯片內部提供了一系列控制寄存器,通過總線編程來對自動增益、自動曝光、白色平衡、 校正等功能進行控制,編程簡單、控制靈活。直接輸出的電視機制式圖像信號可以很方便地和后續(xù)處理電路接口,供處理器 AD 模塊對其進行采集和處理器處理。3.3.2 CCD 和 CMOS 光電傳感器優(yōu)缺點比較光電轉換光電轉換第頁CMOS 和 CCD 使用相同的感光元件，具有相同的靈敏度和光譜特性，但光電轉換后的讀取信號方式不同。CMOS

21、 光傳感器經光電轉換直接產生電壓信號，讀取十分簡單，特別的在監(jiān)控領域，CMOS 傳感器的信號輸出大部分是 PAL 電視機制式，信息讀取十分方便。而 CCD 存儲的電荷信息的轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源配合，較為復雜。信息的讀取速度信息的讀取速度CCD 電荷耦合器需要在同步時鐘控制下以行為單位一位一位輸出信息，速度較慢，而 CMOS 光電傳感器在采集光信號的同時就輸出電壓信號，速度比 CCD快。電源及耗電量電源及耗電量CCD 電荷耦合器大部分需要三組電源供電，耗電量高，一般需要 12V 以上供電電壓。而 CMOS 光電傳感器只需要一個電源，耗電量低，一般供電范圍是69V ,功

22、耗相對 CCD 有很大的降低。成像效果成像效果 CCD 技術起步早，技術比較成熟，消噪效果好，成像質量相對 CMOS 光電傳感器好。3.3.3 方案選取 綜合以上 CCD 和 CMOS 的優(yōu)缺點，雖然 CCD 在成像質量上優(yōu)于 CMOS，但對于只需在白色的背景下識別黑線，CMOS 以能勝任，并且著重考慮到功耗，最終我們選用了 CMOS 攝像頭作為識別路徑的傳感器。第頁第四章第四章 賽車機械結構調整賽車機械結構調整為了讓賽車能在直道和彎道上高速穩(wěn)定的通過，而且轉彎比較靈巧，快速，除了有相應的軟件和硬件電路的設計之外，賽車的機械結構對其也有很重要的影響。所以我們對賽車的機械結構也做了一些相應的調整

23、。4.1 底盤的調整由于這次比賽規(guī)定初賽時沒有坡道，而決賽時賽道直線部分可以有坡度在15 度之內的坡面道路，包括上坡與下坡道路。所以決賽時的大部分賽道還是二維的路面，由于我們采取攝像頭采集路面信息的策略，攝像頭安裝位置比較高，所以導致整車的重心偏高，在高速過彎時則向心力比較大，同時由于慣性則車很容易向一側翻倒。為了避免次類事情的發(fā)生，我們把車的后輪底盤放低（在以前買來的新車模的基礎上） ，從而降低整車的重心，防止車翻倒。而車頭的底盤高度不變，這是為了使車能順利的上坡而不至于由于底盤過底使底盤擦到賽道。4.2 前輪的調整前輪的調整包括前輪主銷后傾角，主銷內傾角，前輪外傾角，前輪前束的調整。在調試

24、過程中，我們發(fā)現這幾個參數對賽車直線的穩(wěn)定性和彎道靈巧性都有很重要的影響。主銷后傾角是前輪主銷與前輪垂直中心線之間的夾角，也就是主銷上端向后傾斜的角度。在賽車上是通過四個黃色的小墊片來調整的。減小主銷后傾角可以減小前輪的回正力矩。也就是如果車輪向右轉，后傾角可以產生一個向左的回正力，使車輪回正比較快，但又使轉向更為費力。設黃色墊片 2：2（即前2 后 2）為 0，1：3（前 1 后 3）為 23，則我們改為 3：1（前 3 后 1） ，使其傾角為負 23。這樣則可以減小回正力矩的作用，使轉向更為靈活，但也會使回正比原來稍慢。主銷內傾角是前輪主銷在賽車水平面內向內傾斜的角度，雖然增大內傾角也可以

25、增大回正的力矩，但增大內傾角會在賽車轉向的過程中，增大賽車與路面的滑動，從而加速輪胎的磨損，由于輪胎對地的附著力對防止側滑有很重要第頁的影響，所以如果輪胎磨損則得不償失，所以內傾角調整為 0。前輪外傾角是前輪的上端向外傾斜的角度，如果前面兩個輪子呈現“V”字形則稱正傾角，呈現“八”字則稱負傾角。由于前輪外傾可以抵消由于車的重力使車輪向內傾斜的趨勢，減少賽車機件的磨損與負重，所以賽車安裝了組委會配備的外傾角為 1的配件。前輪前束是前輪前端向內傾斜的程度，當兩輪的前端距離小后端距離大時為內八字，前端距離大后端距離小為外八字。由于前輪外傾使輪子滾動時類似與圓錐滾動，從而導致兩側車輪向外滾開。但由于拉

26、桿的作用使車輪不可能向外滾開，車輪會出現邊滾變向內劃的現象，從而增加了輪胎的磨損。前輪外八字與前輪外傾搭配，一方面可以抵消前輪外傾的負作用，另一方面由于賽車前進時車輪由于慣性自然的向內傾斜，外八字可以抵消其向內傾斜的趨勢。外八字還可以使轉向時靠近彎道內側的輪胎比靠近彎道外側的輪胎的轉向程度更大，則使內輪胎比外輪胎的轉彎半徑小，有利與轉向。4.3 后輪距及后輪差速的調整由于速度高，賽車在轉彎時容易翻倒，為了增加整車的平衡能力，可用組委會提供的配件把后輪改為大輪距。在拐彎時由于彎道內側輪比外側輪的拐彎半徑小，則內側輪比外側輪的速度小，這就使兩輪胎有一定的速度差，稱為差速。而賽車的差速機構安裝在后輪

27、軸上的，所以只可以調整后輪的差速。經多次調試觀察發(fā)現差速對賽車轉彎有很大的影響。如果差速過緊，即兩輪胎的速度很接近時，轉彎的時候內側輪很容易打滑，從而產生側滑，使賽車滑出賽道。當差速過松時，會使直道的時候兩輪打滑，大大的減小了賽車的驅動能力。所以差速調整要適當，才會使直道驅動能力強，彎道轉彎靈巧。我們調試差速的經驗是把賽車放在賽道上捏住一個輪胎不動讓另一個輪胎能在賽道上半滑動時為佳。4.4 齒輪傳動機構的調整大賽提供的電機輸出軸齒輪數為 18 個，后輪輸出軸齒輪數為 76 個，則齒輪比為 9：38。齒輪傳動機構的調整就是調整電機輸出軸的齒輪與后輪軸上齒輪之間的耦第頁合程度。當耦合比較松時由于兩

28、齒輪之間存在較大的縫隙，齒輪轉動時會產生很大的兩齒輪之間的碰撞聲音，這樣會大大增加齒輪的磨損。當耦合的比較緊時齒輪之間的摩擦力變大，這樣就會使電機分出一部分驅動力克服齒輪之間的摩擦力做功，電機的負載無形中就增強，從而減小了電機對后輪的驅動能力。為了使齒輪的調整比較適當，經過多次的調試，我們發(fā)現用聽齒輪之間的聲音的辦法來調整其耦合程度效果不錯。當齒輪耦合較松或兩齒輪之間不平行時的聲音很響，也就是齒輪之間撞擊的聲音很大，當齒輪耦合比較緊時聲音很沉悶并且遲滯，最佳狀態(tài)是基本上沒有撞擊的聲音，聲音清脆并且沒有遲滯現象。4.5 舵機的改裝組委會提供的舵機為 S3010，由于賽車轉向時舵機的響應速度是一個

29、很重要的因素，為了加快舵機的響應速度，我們做了以下三個方面的改進。第一，用電池電壓即 7.2V 直接給舵機供電，第二，增加從舵機到連桿之間的長度，這樣與以前的長度相比讓前輪轉過同樣的角度舵機只需轉過比以前更小的角度，雖然舵機本身的動作的速度沒有變，但對于轉向來說則比以前更快了。第三，把舵機倒過來放置，使舵機位于兩輪的中心線上，再把連接兩輪胎到舵機的連桿改為一樣長，使舵機左右轉向時受力比較均勻，使舵機能靈活的轉向。通過以上這些改造舵機的響應速度提高許多，為快速靈巧的轉向提供了硬件的保證。示意圖如下：圖 4.1 舵機改裝后示意圖車輪舵機車輪加長連桿改為等長倒裝舵機第頁4.6 攝像頭的安裝攝像頭安裝

30、的原則是：輕，穩(wěn)，靈活。即首先是整個安裝構架要輕，其次是安裝后攝像頭在一個位置固定好后在賽車前進時不會前后左右的擺動，位置穩(wěn)定，由于需要調試出攝像頭安裝的最佳位置，所以需要攝像頭能靈活的上下調整。安裝示意圖如圖：圖 4.2 賽車機械結構圖如圖所示，攝像頭的安裝支架為兩根很輕的碳素鋼管，底座為有機材料，攝像頭用螺絲 1 固定在攝像頭支架上，螺絲 1 也可起到調節(jié)攝像頭角度的作用，第頁而攝像頭支架通過兩薄片用螺絲 2 固定在碳素鋼管上，支架在碳素鋼管上的位置可以用螺絲 2 調節(jié)，螺絲 3 用于固定底座。由于這種雙立柱的結構，使攝像頭在一個位置固定后會比較穩(wěn)，基本上不會出現前后左右擺動的情況，再就是

31、材料輕，螺絲 1 和螺絲 2 則用來調整攝像頭的位置。綜上基本上達到了輕，穩(wěn)，靈活的三個原則。為攝像頭的有效采集提供了硬件的保證。 第頁第五章第五章 圖像采集模塊圖像采集模塊小車最終方案選取了 CMOS 攝像頭方案，CMOS 攝像頭分為黑白和彩色，由于彩色攝像頭的輸出信號比較復雜，不易采集處理，比賽時只需分辨賽道的灰度，黑白攝像頭已經足夠。 所選取的 CMOS 攝像頭基本參數為： 表 5.1 performance indexSpex and modelresolution ratie supply voltage consumed powerilluminationoutput standa

32、rd lens focus and visual angle6-9vSS2000B white and black series350 line90mW0.5luxPAL/NTSC3.6mm 69。為使提高這個系統(tǒng)速度和易于數據采集及處理，在選取攝像頭是，我們盡量采用線數低的攝像頭。5.1 攝像頭結構、工作原理和輸出信號制式5.1.1 攝像頭結構攝像頭一般由鏡頭、傳感器芯片、外圍電路組成。傳感器芯片不能單獨工作，還需外圍電路支持，才能將光信號轉換成電信號。光線經物體發(fā)射，通過鏡頭聚焦，焦點恰好在傳感器芯片的感光元件上，從而轉換成電信號。輸出信號制式為 PAL 電視機制式的攝像頭，一般有四條線：

33、正極，地線，音頻輸出線，視頻輸出線。CMOS 攝像頭供電電壓一般為 6-9V,視頻信號峰峰值為 1V。5.1.2 工作原理針對于比賽，黑線吸收光線，將不會反射，傳感器感光元件陣列相對應的感光元件不產生電壓信號，即一個低壓信號，而對應白線反射光線，通過鏡頭第頁聚焦，在相對應的感光元件出產生一個相對高電壓信號，一般峰峰值為 1V。常用的攝像頭視頻輸出信號是 PAL 電視機制式，它的工作原理與電視機的工作原理相似：在一定分辨率下，每秒掃描 25 幀圖像，每幀圖像含有 625 行信息，分為奇、偶場，進行個隔行掃描，總共每秒 50 場信號，每場有 312.5行信息，從奇數行開始掃描，即依次掃描第 1、3

34、、5、7、9，當掃描完奇數場后，再開始掃描偶數場，構成一幀圖像。如圖所示：圖 5.1奇數場圖 5.2偶數場5.1.3 輸出圖像結構如圖、所示，每一行有正程和逆程，每一場有正程和逆程，逆程是每一行和每一場的消隱，行消隱是電視機的電子槍從電視機屏幕的最左端回到最右端所需的時間，場消隱是電視機的電子槍從電視機屏幕的最末段到起始段所需要的時間。輸出信號主要包含三個部分：第頁圖 5.3 輸出信號組成部分圖 5.4 輸出信號波形組成圖像信號、復合消隱信號、復合同步信號，同時其中包括行消隱、場消隱、行同步、場同步。行信號行信號每一行各個信號時間為：行掃描時間為行掃描時間為 6464 ss 圖像信號圖像信號

35、52.252.2 ss消隱信號消隱信號 11.811.8 ss +250+250 nsns行同步信號寬度行同步信號寬度 4.74.7 s+100s+100 nsns 行延遲行延遲 1.31.3 s+250s+250 nsns如圖所示：圖像信號復合消隱信號復合同步信號行消隱行消隱場消隱場消隱行同步行同步場同步場同步第頁0.7V1V0V52.2 s11.8s行行延延遲遲1.3 s行行同同步步信信號號寬寬度度4.7 s逆逆程程11.8 s0.7V1V0V52.2 s11.8s行行延延遲遲1.3 s行行同同步步信信號號寬寬度度4.7 s逆逆程程11.8 s圖 5.5 行信號分析圖場信號場信號每一場信號

36、包括 312.5 行， 其中有場消隱信號和場同步信號，各個信號的時間計算如下： 一幀一幀 = = 奇數場奇數場 + + 偶數場偶數場 625625 行行= = 312.5312.5 + + 312.5312.5場消隱信號場消隱信號 = = 2525 6464 + + 11.811.8 = = 16001600 + + 11.811.8 = = 1611.81611.8 ss 場同步場同步 = = 3 3 6464 = = 192192 ss信號峰峰值信號峰峰值標準電視機信號峰峰值為 1V，以同步信號作為 100%，黑電平和消隱電平為 70%，白電平為 0%，圖像信號介于白電平和黑電平之間，根據

37、圖像的灰度而第頁變化。 在標準的在標準的 1V1V 全電平信號中全電平信號中 同步信號同步信號 0.7V-1V0.7V-1V 0.3V+9mV0.3V+9mV 圖像信號圖像信號 0V-0.7V0V-0.7V 0.7V+20mV0.7V+20mV通過示波器觀測到的波形是其倒像， 同步信號同步信號 0.0V-0.3V0.0V-0.3V 0.3V+9mV0.3V+9mV 圖像信號圖像信號 0.3V-1V0.3V-1V 0.7V+20mV0.7V+20mV5.1.4 檢測黑線原理路徑識別中，黑線和白色底板存在很多大灰度比，在圖像信號上會形成相應高低不同的電壓值，當檢測到黑線是，圖像信號中將形成一個“凹

38、”形槽，通過 DG128 對信號進行采集，并對數據處理，就可以得到黑線相對小車的位置，一幀完成后，能計算出路徑的整個斜率和偏離量。5.2 CMOS 攝像頭的選取在掌握 3.1 中 CMOS 攝像頭的基本知識后，我們到市場上選購所需的攝像頭。目前，市場上的攝像頭一般都是在 320 線以上，而根據 MC9S12DG128 Datesheet 中的說明，DG128 的 AD 最高采集頻率為 2MHz，可以采集到的像素點有： 6464/（1212 1/21/2）= = 1010 （個）（個）由計算可知，在最高采集頻率，8 位 AD 的情況下，只能采集到 300 以上個像素中的 10 個，橫向上的分辨率

39、十分低，不足以滿足識別路徑的要求。所以在選購 CMOS 攝像頭時，盡量選取像素較低的，同時考慮到功耗，我們選購了 6-9V 供電的 350 線 SS2000B 黑白攝像頭。5.3 LM1881 視頻分離模塊MC9S12DG128 要對攝像頭輸出的視頻信號進行采集，必須將信號中的行同步信號和場同步信號分離出來，作為中斷，使 MC9S12DG128 AD 模塊采集視頻信號。第頁LM1881 可以從攝像頭的視頻信號中分離出行同步、場同步信號、奇偶場信號等。LM1881 引腳圖如下：圖 5.6LM1881 引腳圖引腳 2 位視頻信號輸入端，經 LM1881 芯片處理，引腳 1 輸出行同步信號，引腳3

40、輸出場同步信號，引腳 7 輸出奇偶場信號，引腳 5 輸出滯后行信號 5.8s的后肩區(qū)同步信號。它們的輸出波形如下：圖 5.5 視頻分離信號（）視頻信號（）行同步信號（）場同步信號（）后肩區(qū)同步信號（）奇偶場同步信號行同步信號對應與視頻信號，它是判斷是否進行 AD 采集的標志，圖像信號滯后行同步信號的上升沿 5.8s；后肩區(qū)同步信號上升沿滯后行同步信號5.8s，所以它與圖像信號同步。奇偶場同步信號中，偶場為低電平，奇場為高電平，場同步信號的下降沿與奇偶場同步信號上升沿同步。我們可以用場同第頁步信號或奇偶場同步信號作為場的變換中斷，用行同步 信號或后肩區(qū)同步信號作為行變換的中斷。5.4 SS200

41、0B 黑白攝像頭測試購買 SS2000B 黑白攝像頭后，我們對它的輸出信號參數進行了相應測試。將攝像頭視頻輸出接在 LM1881 引腳 2 上，示波器探頭分別懸掛在 LM1881 引腳1、3、5、7 進行測試，測試結果如下表：表 5.2行信號時間行信號時間64s64s行同步脈沖時間行同步脈沖時間4.4s4.4s圖像信號滯后行脈沖時間圖像信號滯后行脈沖時間5.8s5.8s場信號時間場信號時間19.8ms19.8ms圖像信號起始行圖像信號起始行第第 2525 行行圖像信號截止行圖像信號截止行第第 300300 行行在程序測試中，發(fā)現當場中斷產生時，行中斷標志從零開始計數，當行中斷標志為 23 時開

42、始采集的數據才為有效數據，當行中斷標志為 300 時，為有效數據的截止行。第頁5.5 視頻信號數據采集5.5.1 視頻采集電路LM1881 提取出行同步信號和場同步信號，將其作為 MC9S12DG128 AD 采集的中斷，AD 模塊能正確采集圖像信號。LM1881 與 MC9S12DG128 的電路連接如下所示：圖 5.8 視頻采集電路視頻信號接在 LM1881 的視頻輸入端，同時接在 MC9S12DG128AD 采集端口（PAD0 口）。如圖所示，我們將能產生場中斷的場同步信號和奇偶場同步信號分別連接到 J2 的 1、3 插針上，2 號插針與芯片的 PH4 口相連接，將能產生行中斷的行同步信

43、號和后肩區(qū)同步信號分別連接到 J3 的 1、3 插針上，2 號插針與芯片的 PJ0 口相連接。在該方案中我們使用場同步信號作為場中斷，行同步信號作為行中斷（用跳線冒短接 J2 的 2、3，用跳線冒短接 J3 的 2、3），因為圖像信號滯后行同步信號 5.8s，當行中斷產生時，需要運行一部分判斷程序，大概需要 5.8s，當運行完這部分程序后，恰好打開 AD 中斷，對視頻信號進行采集，即采集到有效圖像信息。在這里 PH4 I/O 口 PJ0 I/O 口都以中斷的方式接收 LM1881 分離出的行同步信號和場同步信號，這樣很方便的就能使芯片對視頻信息中的圖像信號進行準確的采集。第頁5.5.2 軟件采

44、集流程縱向采集個數測試縱向采集個數測試由 3.4 中的測試可得有效視頻信號是從第 25 行開始，到第 300 行結束，如果采集每一行信息，將超出 MC9S12DG128 的處理能力和存儲空間。同時在縱向不需要怎么高的分辨率。同時我們對 2.5cm 寬的黑線采集點數進行了測試。測試方法如下：圖 5.9 采集示意圖將貼有黑線的跑道與攝像頭的縱向垂直，對每行視頻信號信號進行采集，經采集分析，總共有 8 行數據采集到 2.5cm 的黑線，故我們編寫程序從第 25行開始每 6 行采集一次，一共能采集 46 行有效數據。第頁數據采集流程：數據采集流程：如上面的流程圖所示，整個程序中，場信號和行信號都以中斷

45、的方式產生，這樣可以優(yōu)化程序的運行時間。當 PH4 端口產生場中斷時，運行場中斷函數，行計算變量清零，打開行中斷，若 PJ0 端口產生了行中斷，執(zhí)行行中斷函數，第頁行計算變量加一，判斷行計算變量是否滿足大于 25 且除以 6 取余是否為 0，若滿足說明可以對視頻信號進行采集。程序中采取在行中斷中以查詢的方式采集視頻信號，而不使用 AD 中斷方式對數據進行采集，因為用 AD 中斷方式將增多中斷數量，各個中斷的時序不以控制，以致于出現錯誤采集、漏采集數據的情況，同時可以提高 AD 采集的速度。當采集完以后數據后，每隔 6 行中間大概有 0.3ms 的時間，在這段時間里，我們用來對采集的行信號進行數

46、據處理，提取黑線位置，并存儲在一個一維數組中。在一場中，行中斷產生一次行計數變量增加 1 一次，一直到行計數變量大于 300 為止，當其大于 300 時，說明該場結束，進入面處理函數模塊，對采集到的 46 行黑線位置的數據進行處理，并控制舵機、后輪電機運作。之后，準備下一場數據的采集。 第頁第六章第六章 電機驅動模塊電機驅動模塊賽車的速度是決定比賽成績的重要因素，而驅動電路和電機的選取決定了賽車速度所能達到的最高極限。所以電機驅動模塊是賽車最重要的模塊之一。電機是組委會提供的 RS380,而驅動電路采用了 4 片由 freescale 公司提供的電機驅動芯片 MC33886 來驅動電機。6.1

47、 驅動電路的設計圖 6.1 MC33886 原理圖這是一片 MC33886 的外圍電路，四片就是把四個 33886 并聯起來用。單片機通過 IN1,IN2 給 33886 輸入一定占空比（）的 PWM 波，33886 的 OUT1和 OUT2 輸出一個大小為（*V+）的電壓，從而驅動電機。用四片的原因：由于一片 33886 的額定輸出流為 5A，而且此芯片比較發(fā)熱。組委會所提供的電機在額定電壓下（即 7.2V）堵轉時電流為 16，這個電流遠遠大于 33886 所承受的電流，所以如果用一片來驅動當電機賭轉時間稍長時，第頁芯片會由于電流過大而燒掉。當用四片 33886 時，雖然每一片所承受電流大小

48、有限，但四片所能承受的電流會很大，則如果達到電機電流極限也就是 16時，理想狀態(tài)下每片平均分配 4的電流，所以每片所需要的輸出電流很小，這樣能有幾方面的作用，第一，能減少每一片的發(fā)熱量，經過多次調試發(fā)現，每次跑了很多圈，在芯片不加任何散熱片的情況下，也只是有很小的發(fā)熱量。第二，能減小每一片 33886 的帶載，反過來也增加了驅動能力。但其也有缺點和不足，主要是首先四片所占面積比較大，不好安裝，其次是驅動能力加強了，但電池電壓下降較快，也就是感覺電池用不了多久就會下降到 7V 左右，從而不能驅動賽車前進，但對于比賽時跑兩圈已經足夠了。6.2 MC33886 原理：MC33886 是單片理想的 H

49、 橋式小功率直流電機驅動芯片。其特性為：工作電壓：5-40V導通電阻：120 毫歐姆輸入信號：TTL/CMOSPWM 頻率： 10KHz具有短路保護、欠壓保護、過溫保護具有錯誤報告端口等；由于芯片內集成了兩個半橋，為了增大驅動能力，我們把兩個橋并聯使用，并通過芯片資料上給芯片散熱的方法，安裝了適量的散熱片。由于四片所以不需要太多的散熱片。在錯誤報告端口即 FS 端口外還加了上拉電阻，當 FS 被拉低時表明芯片出現了短路保護、欠壓保護或過溫保護，則需及時給 D1 和 D2 置位，讓芯片輸出高阻態(tài)，防止芯片進一步過熱，以至于燒壞芯片。芯片封裝：第頁圖 6.2 MC33886 芯片外部引腳的封裝圖各

50、引腳的功能：表 6.1引腳引腳名稱 功能1AGND數字地2FS/錯誤狀態(tài)端口3IN1邏輯輸入控制 14，5，16V+ 電源供電6，7OUT1 H 橋輸出 18，20 DNC 不連912PGND 模擬地13 D2/使能端 214，15OUT2 H 橋輸出 217 CCP 電荷泵電容18 D1 使能端 119 IN2 邏輯輸入控制 26.3 軟件初始化編程如下：PORTB_BIT5=1;/D2第頁PORTB_BIT6=0;/D1 PWME_PWME2 = 0; /disable pwm2 PWMPOL_PPOL2 = 1;/PWM 通道 2 輸出一個周期開始的極性為高電平 PWMCLK_PCLK2

51、 = 1;/PWM 通道 2 時鐘源選用 Clock SB PWMPRCLK = 0X00; / bus clock 不分頻; PWMCAE_CAE2 = 0; /為左對齊方式. PWMSCLB = 12;/SB24M/(12*2)=1M(周期 1us) PWMCNT2 = 0; /計數器從零開始計數 PWMPER2 = 100; /PWM2 周期= PWMPER2=1us*100=100us (10kHz) PWMDTY2 = 0; /占空比 = PWMDTY2 / PWMPER2 * 100% 可以通過設置寄存器 PWMDTY2 的值從 0100 來設置單片機輸出 PWM 波的占空比（分別

52、對應為占空比為 0%100%）。第頁第七章第七章 舵機轉向模塊舵機轉向模塊舵機的轉向模塊是賽車上的重要模塊，賽車靈巧的轉向是其能快速過彎的保證，所以如何加快舵機的響應速度是進行舵機改造時要考慮的關鍵問題。所以我們進行了幾個方面的改造，這幾方面在賽車機械結構的調整一節(jié)已經詳細闡述，在這里就不再復述了。在這里主要介紹以下舵機的原理及應用。7.1 舵機的結構舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k，直流電機、控制電路板等；圖7.1 舵機機械結構7.2 舵機工作原理：控制信號控制電路板電極轉動齒輪組減速舵盤轉動位置反饋電位計控制電路板反饋；7.2.1 舵機的基本資料：型號：S3010尺寸：40.0*20*

53、38.1(mm) (L*W*H)重量：41（g）動作速度：6.0V 時 0.160.02Sec/60 度輸出扭矩：6.0V 時 6.51.3Kg.cm第頁動作角度: 6010 度使用電壓：4.0V6.0V7.2.2 舵機的控制方法：三線連接法：黑線：地線紅線：電源線（7.2V）白線：信號線（PWM 信號）圖 7.2 舵機插頭當單片機信號是 1ms 正脈沖時, 舵機轉向-60 度位置當單片機信號是 1.5ms 正脈沖時, 舵機轉向度 0 度位置當單片機信號是 2ms 正脈沖時, 舵機轉向+60 度位置圖 7.3 舵機控制信號第頁對于賽車而言，由于機械結構的限制，當前輪轉到最大時舵機只能轉到大約4

54、0 度。對應的正脈沖為 1.18ms 到 1.82ms。在我們對舵機進行了一系列的機械結構改造后，當前輪轉到最大時，舵機對應正脈沖約為 1.32ms 到1.68ms，也就是舵機只需要轉動22 度左右，就可以使前輪轉到最大位置。這樣就大大節(jié)約了舵機轉向的時間，加快舵機的響應速度。7.3 舵機的初始化編程：由于用一個通道 PWM 只有 8 位其范圍為 0255，所以精度只有 1/255，這個精度遠遠不能滿足調節(jié)的要求，所以用 PWM0 和 PWM1 聯合組成 16 位的寄存器，調節(jié)的精度可升高到 60/500，極限角度可從 1000 到 2000 連續(xù)調節(jié)，則完全可以滿足舵機調節(jié)的精度要求。把 P

55、WM0 口懸空，用 PWM1 口輸出，即可控制舵機轉向。為了進一步加大舵機的響應速度，把 PWM 周期從以前的 20ms 改為 10ms，其初始化編程如下：/pwm0.pwm1 PWMCTL_CON01=1; /0 和 1 聯合成 16 位 PWMPWMCAE_CAE1=0; /選擇輸出模式為左對齊輸出模式 PWMCNT01 = 0; /計數器清零PWMPOL_PPOL1=1; /先輸出高電平，計數到 DTY 時，反轉電平PWMPRCLK = 0; /clock A 不分頻，即 clock A=busclok PWMSCLA = 12; /對 clock SA 進行 24 分頻，PWM clo

56、ck=clockA/24=1MHz PWMDTY01 = 1500; /初始高電平時間 1.5ms PWMPER01 = 10000; /周期為 10ms;100Hz PWMCLK_PCLK1 = 1; /選擇 clock SA 作時鐘源 PWME_PWME1 = 1; /開啟 PWM第頁第八章第八章 電源分配模塊電源分配模塊本作品在電源分配上，主要采用 LM2567-5V 降壓型開關穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到 5V和用 MC34063 升壓到 9V。其中 5V 給單片機、測速模塊、無線發(fā)送模塊供電；9V 給攝像頭供電，而舵機和直流電機都由電池電壓直接驅動。電源分配圖如下：MC34063直流電機電池電壓7

57、.2VLM2576-5v舵機單片機測速模塊無線模塊視頻分離直流電機圖 8.1 電源分配8.1 5V 穩(wěn)壓電路本作品采用 LM2576 將電池電壓穩(wěn)壓到 5V ，LM2576 具有外圍電路簡單、轉換效率高，波形穩(wěn)定等特點。電路圖如下：第頁圖 8.2 5V 穩(wěn)壓電路8.29V 穩(wěn)壓電路本作品試用的攝像頭的額定電壓為 9V,通過試驗測得，當電壓低于 7.0V 時，攝像頭幾乎就不能工作了，并且攝像頭對電壓的穩(wěn)定性也要求很高。在這里我們通過 MC34063 升壓型穩(wěn)壓芯片給攝像頭提供 9V 電壓，并且用 5V 電壓作為MC34063 的輸入，這樣有利于提高 9V 電壓的穩(wěn)定性。MC34063 同樣具有外

58、圍電路簡單的特點，其電路圖如下：圖 8.3 9V 穩(wěn)壓電路通過滑動變阻器 R23 來調節(jié)輸出電壓的大小，即可得到 9V 的電壓。第頁第九章第九章 測速模塊測速模塊9.1 測速的硬件部分本作品采用光電耦合管配合自制的碼盤，產生一系列數字脈沖，然后通過輸入捕捉來采集速度值。圖 9.1 碼盤結構如上圖，將自制碼盤放在光電耦合管的槽內，同時又和賽車的電機的轉動軸相連。光電耦合管的發(fā)射端發(fā)射的紅外光，通過碼盤的間隙到達接收端。當電機轉動時，接收端便以一定的頻率接收到紅外光線。9.2 測速模塊使用的電路如下：發(fā)射端接收端自制碼盤第頁圖 9.2 測試模塊電路當電機轉動時、會在 555 定時器的第 2 個端口

59、產生一定頻率的信號（大致為正旋波），頻率與電機的轉速有關。經過 555 定時器組成的斯密特觸發(fā)器的整形，out_put 端會產生同頻率的矩形波信號，這樣的信號就可以被單片機采集了。以上 555 斯密特觸發(fā)器電路的閾值電壓為 VCC/3 和 VCC*2/3。因此需要通過 R1 和 R2 的選取將 In_put 的低電平電壓調到 VCC/3 以下，高電平電壓調到VCC*2/3 以上。滿足這個條件，測速模塊的電路就能很好的工作了。 9.3 測速的軟件部分通過 DG128 單片機的輸入捕捉功能測取矩形波信號上升沿和下一個上升沿之間的時間 T（對應于碼盤轉過一個空需要的時間）。已知電機傳動比為18：76

60、（小齒輪的齒數為 18 個、大齒輪的齒數為 76 個），測得后輪轉動一周對應的行駛距離為 0.17m，設碼盤的孔數為 N，則速度可由以下公式求得：Speed=(0.17*18)/(76*N*T)上面的公式事實上是一種理想情況，它需要滿足的條件是：碼盤的 N 個孔分布均勻，同時每個孔對應得弧角也都相同，但事實上碼盤很難滿足這個條件。為了提高測速的準確性，我們采用了求平均的方法，即在每次輸入捕捉中斷時取最近 N 次的時間 T 值相加，取平均得出最終的 T 值代入上式。因為碼盤第頁N 個孔對應的弧角和為 360 固定不變，這種方法避免了由碼盤孔分布不均產生的誤差，但也同時增加了測速的滯后性。經過計算