華南理工大學(xué)飛華隊(duì)技術(shù)報(bào)告

1、第一界全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告PAGE PAGE 13第三屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校： 華南理工大學(xué) 隊(duì)伍名稱： 飛華 參賽隊(duì)員：林煥新，陳易廳、蘇文有帶隊(duì)教師： 陳安 關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第三屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(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： 第一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技

2、術(shù)報(bào)告目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc206660619 第一章 引 言 PAGEREF _Toc206660619 h 1 HYPERLINK l _Toc206660620 第二章 智能小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc206660620 h 3 HYPERLINK l _Toc206660621 第三章 智能小車硬件方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc206660621 h 4 HYPERLINK l _Toc206660622 3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc206660622 h 4 HYPERLINK l _Toc2066

3、60623 3.2 MC9S12DG128單片機(jī)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc206660623 h 4 HYPERLINK l _Toc206660624 3.3 圖像處理模塊 PAGEREF _Toc206660624 h 6 HYPERLINK l _Toc206660625 3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 PAGEREF _Toc206660625 h 6 HYPERLINK l _Toc206660626 3.5 車速檢測(cè)模塊 PAGEREF _Toc206660626 h 7 HYPERLINK l _Toc206660627 第四章 智能小車軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc2066606

4、27 h 8 HYPERLINK l _Toc206660628 4.1 圖像處理程序 PAGEREF _Toc206660628 h 9 HYPERLINK l _Toc206660629 4.2 控制算法設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc206660629 h 9 HYPERLINK l _Toc206660630 第五章 智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝 PAGEREF _Toc206660630 h 11 HYPERLINK l _Toc206660631 5.1 小車前輪的安裝 PAGEREF _Toc206660631 h 11 HYPERLINK l _Toc206660632 5.2 舵機(jī)的安

5、裝 PAGEREF _Toc206660632 h 11 HYPERLINK l _Toc206660633 5.3 模型車技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì) PAGEREF _Toc206660633 h 11 HYPERLINK l _Toc206660634 第六章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc206660634 h 12 HYPERLINK l _Toc206660635 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc206660635 h 13第一章 引 言本文為第二屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”智能汽車邀請(qǐng)賽的技術(shù)報(bào)告。該邀請(qǐng)賽的規(guī)則是參賽選手須使用競(jìng)賽秘書處統(tǒng)一指定并負(fù)責(zé)采購(gòu)競(jìng)賽車模，采用飛思卡爾16位微控制器

6、MC9S12DG128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，完成智能車工程制作及調(diào)試，最后在未知的跑道上進(jìn)行速度競(jìng)賽。由于智能車需要對(duì)賽道進(jìn)行即時(shí)辨識(shí)，所以，必需采用傳感器來(lái)感知道路信息。目前比較常用的路徑識(shí)別傳感器有紅外發(fā)射接收管和圖像傳感器。鑒于圖像傳感器所能獲得的信息比較豐富，所以我們選擇了CCD的圖像傳感器。下文以智能小車的設(shè)計(jì)為主線，包括小車的整體構(gòu)架設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝等，共分為六章。其中，第一章為引言部分；第二章主要介紹了小車的總體方案的選??；第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì)；第四章介

7、紹了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，主要包括圖像處理部分和控制部分的算法；第五章描述了小車機(jī)械改造。第六章總結(jié)了我們?cè)谶@次比賽過(guò)程中得到的心得和體會(huì)。 第二屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告第三章 視頻信號(hào)采集第二章 智能小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本小車控制系統(tǒng)大致為：首先通過(guò)圖像傳感器采集圖像信息、單片機(jī)對(duì)采集回來(lái)的圖像進(jìn)行處理獲取圖像特征、把獲取到的信息作為模糊控制器的輸入、從模糊控制器中得出舵機(jī)和電機(jī)速度的給定值，再由底層的控制算法作為對(duì)舵機(jī)和電機(jī)的直接控制。圖 2.1 智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中圖像處理、模糊控制器、速度控制器為單片機(jī)的軟件控制部分，CCD圖像傳感器和速度編碼器為傳感器部分，電機(jī)和舵機(jī)為被控對(duì)象第三章

8、 智能小車硬件方案設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 硬件電路設(shè)計(jì)是智能巡線機(jī)器人的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)的好壞，不僅直接影響到巡線機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)與否，而且對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也起著決定性的作用。一種好的硬件電路設(shè)計(jì)方案，可以說(shuō)對(duì)整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)有著事半功倍的效果。硬件電路設(shè)計(jì)至少應(yīng)包括有以下四個(gè)部分:l)單片機(jī)DG128最小系統(tǒng)。2)道路檢測(cè)電路。用于完成賽道中心引導(dǎo)線，主要包括紅外檢測(cè)和圖像檢測(cè)兩種方式，這里采用圖像檢測(cè)方式。3)舵機(jī)以及直流電機(jī)控制電路。對(duì)模型車上的舵機(jī)和后輪電機(jī)的進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制賽車的方向和速度。4)電源電路。為各個(gè)模塊提供電源。3.2 MC9S12DG128單片機(jī)簡(jiǎn)介 MC9S12DG128微

9、控制器9-10是Motorola公司HCS12系列16位單片機(jī)中的一種，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)基本部分和CAN功能塊部分組成，基本結(jié)構(gòu)包括：16位中央處理器單元 HCS12（CPU）、2個(gè)異步串行通信口SCI、2個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器，1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊以及49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能），在片內(nèi)還擁有128KB的Flash EEPROM，8KB的RAM和2KB的EEPROM，CAN功能塊由包括兩個(gè)兼容CAN2.0A/B協(xié)議的MSCAN控制器組成。這些豐富的內(nèi)部資源和外部接口資源可以滿足ECU對(duì)各種數(shù)據(jù)的處理、CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和

10、接收要求，芯片集成了兩個(gè)MSCAN12模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)高低速CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能。MC9S12DG128擁有完整的16位數(shù)據(jù)通道，然而，為了適應(yīng)低成本應(yīng)用，其外部數(shù)據(jù)總線也能配制成8位寬度模式。同時(shí)，由于HCS12包含片上鎖相環(huán)（PLL）電路，這允許HCS12能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)運(yùn)行性能以節(jié)省能源消耗。由于本設(shè)計(jì)涉及視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，對(duì)單片機(jī)處理速度要求比較高。MC9SDG128通過(guò)其內(nèi)部PLL的設(shè)置，最高可以把它的總線頻率（Bus Frequency）設(shè)置在40MHz，即核心頻率（Core Frequency）80MHz上，具有較高的處理速度。圖3.2MC9S12DG128結(jié)構(gòu)框圖

11、同時(shí)，DG128具有飛思卡爾HCS12系列單片機(jī)特有的模糊控制專用硬件指令，只需用匯編指令編寫較為簡(jiǎn)單的模糊推理機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)模糊控制的功能，使他非常適合于本設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示：圖3.2MC9S12DG128結(jié)構(gòu)框圖圖3-3為DG128的最小系統(tǒng)開發(fā)板11圖3-3 最小系統(tǒng)板實(shí)物圖3.3 圖像處理模塊視頻采集的方案按傳感器的類型主要分為兩種，即采用通用的模擬信號(hào)輸出的CCD攝像機(jī)和AD轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成模擬視頻信號(hào)采集電路和采用數(shù)字輸出CMOS傳感器的全數(shù)字視頻采集電路。鑒于CCD的成像質(zhì)量較好，動(dòng)態(tài)性能更佳，在這里我們采用模擬CCD攝像機(jī)，使用專用的視頻解碼芯片SAA71

12、13將模擬視頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1.直流電動(dòng)機(jī)的特性循線機(jī)器人的前進(jìn)動(dòng)力由安裝在車身后部的直流電機(jī)提供。在本設(shè)計(jì)使用的比例模型車中，采用了RS-380SH小型直流電機(jī)作為主動(dòng)力。如圖3-5所示。圖圖3-5RS380SH直流電機(jī)及其特性示意圖由電機(jī)的特性可以看出，該電機(jī)屬于高轉(zhuǎn)速低負(fù)載型電機(jī)。該電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流可達(dá)21.6A（堵轉(zhuǎn)電流），低速工作時(shí)電流也比較大，如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出電流較小，將會(huì)大大影響車模的加速性能。2.大功率橋式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)為了使車模能以最短的時(shí)間完成循線任務(wù)，而不同路況下（直道、彎道、蛇行）會(huì)切換不同的運(yùn)行速度，這就要求車模有較好的靜態(tài)、動(dòng)

13、態(tài)調(diào)速性能。但由于車模上沒(méi)有任何機(jī)械減速剎車機(jī)構(gòu)，只能通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行反接自動(dòng)獲取較好的制動(dòng)性能。由于該電機(jī)在啟動(dòng)和反接制動(dòng)時(shí)工作電流都比較大（20A以上），對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力的要求比較高，而一般集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片都不能提供如此大的驅(qū)動(dòng)電流，故本設(shè)計(jì)采用了兩片半橋MOS管驅(qū)動(dòng)器和4個(gè)大電流地內(nèi)阻的功率MOS管構(gòu)成H橋型大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3.5 車速檢測(cè)模塊 在機(jī)器人行走過(guò)程中，由于不同的道路狀況具有不同的最大通行速度，所以要去機(jī)器人的速度能靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，這就要求我們的機(jī)器人具有速度閉環(huán)控制的能力。在本設(shè)計(jì)中，車速的檢測(cè)通過(guò)安裝在車模后輪軸上的微型光電編碼器實(shí)現(xiàn)。編碼器具有256線的分辨率，

14、即編碼器每轉(zhuǎn)一圈將產(chǎn)生256個(gè)脈沖。編碼器與后輪主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)比為16/76。同時(shí)，利用HCS12單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)器模塊，即可自動(dòng)對(duì)編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)。 第四章 智能汽車硬件設(shè)計(jì)第四章 智能小車軟件設(shè)計(jì)這部分主要包括了圖像處理程序和控制器程序兩大部分。簡(jiǎn)化后的軟件流程圖如圖4-1所示，圖像處理程序用于得出用于控制的圖像特征信息，控制器程序用于對(duì)電機(jī)和舵機(jī)的直接控制。圖4-1 系統(tǒng)的軟件流程圖4.1 圖像處理程序圖像處理部分主要分為幾個(gè)模塊，首先算出圖像矩陣的動(dòng)態(tài)閥值，接著根據(jù)該閥值對(duì)圖像進(jìn)行二值化，二值化后對(duì)圖像進(jìn)行濾波，剔除干擾的數(shù)據(jù)之后，提取路徑信息，擬合出道路曲線，再根據(jù)改

15、曲線算出位置誤差，角度偏差，路況種類，路徑曲率等信息，以供給自適應(yīng)模糊控制器使用。該部分的結(jié)構(gòu)框圖如下：4-2圖像處理部分結(jié)構(gòu)框圖4.2 控制算法設(shè)計(jì) 控制器的設(shè)計(jì)主要是自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)和底層的速度PID控制器。1、自適應(yīng)模糊控制器圖4-3 自適應(yīng)模糊控制器示意圖傳統(tǒng)的PI D控制精度高 ,不需要精確的數(shù)學(xué)模型 ,但參數(shù)的整定至關(guān)重要 ,對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的巡線機(jī)器人這種高實(shí)時(shí)要求的非線性系統(tǒng)，很難到達(dá)理想的動(dòng)態(tài)性能和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，采用傳統(tǒng)的PID控制方式很難滿足實(shí)時(shí)性控制的要求。模糊控制作為智能控制算法中一種 ,具有不要求精確的數(shù)學(xué)模型 ,人機(jī)對(duì)話能力較強(qiáng) ,能夠方便地將專家的經(jīng)驗(yàn)與思考加入

16、到知識(shí)模型中等優(yōu)點(diǎn)，十分適合巡線機(jī)器人這種時(shí)變的、非線性的、高實(shí)時(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)。為了獲得良好的控制效果， 必須要求模糊控制具有較完善的控制規(guī)則，這些控制規(guī)則是人們對(duì)被控過(guò)程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。然而，由于被控過(guò)程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素，造成模糊控制規(guī)則或者粗糙或者不夠完善， 都會(huì)不同程度的影響控制效果。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足，自然就考慮到模糊控制器應(yīng)向著自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)方向發(fā)展，使得模糊控制參數(shù)和規(guī)則在控制過(guò)程中自動(dòng)地調(diào)整、修改和完善，從而增強(qiáng)了模糊控制器的自適應(yīng)能力，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性，使系統(tǒng)的控制性能不斷完善。綜上所述，采用自適應(yīng)模糊控制算

17、法作為智能巡線機(jī)器人的控制方案，使模糊控制規(guī)則可以得到在線調(diào)整，改善了模糊控制的效果，提高了系統(tǒng)的性能，可使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果，較為合適。在S12單片機(jī)上采用模糊控制有其特有的優(yōu)勢(shì)，使用其內(nèi)部的模糊指令使運(yùn)算速度完全能夠滿足大部分控制的需求。而且，模糊控制屬于逼近式的控制方法，比較能模擬人駕駛車的控制過(guò)程。第二屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告2、速度PID控制器如果僅采用開環(huán)控制方式，則智能車在轉(zhuǎn)彎或者系統(tǒng)供電電池電量不足的時(shí)候，智能車的速度在同樣占空比的條件下也會(huì)很不相同，影響了控制的質(zhì)量，在電池剛充滿電的情況下，很容易跑飛，故必須對(duì)其采用閉環(huán)控制，使其速度能穩(wěn)定下來(lái)。閉環(huán)反饋控制是一種

18、基于偏差的控制，以消除偏差為目標(biāo)，故適用于本智能車速度的調(diào)節(jié)。在該系統(tǒng)中，為了提高速度控制的特性，以自適應(yīng)模糊控制器給定作為速度的給定值，通過(guò)編碼器反饋實(shí)際速度，求出速度誤差后通過(guò)PID控制器算出控制量，再設(shè)定相關(guān)定時(shí)器的寄存器，以提供相應(yīng)的PWM信號(hào)給大功率MOS管搭建的H橋，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的。PID控制在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制這個(gè)方面已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)，很多文獻(xiàn)中都能找到相關(guān)的控制實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)，所以使用起來(lái)方便有效。通過(guò)對(duì)速度的閉環(huán)控制，可以有效地使巡線機(jī)器人的速度設(shè)定在最佳的速度上，而不受電池電壓和轉(zhuǎn)向時(shí)阻力力矩增加帶來(lái)的擾動(dòng)。具體的參數(shù)調(diào)試方法和算法實(shí)現(xiàn)可以參考相關(guān)文獻(xiàn)和著作，這里不作詳細(xì)

19、敘述。圖4-4為數(shù)字PID控制方框圖。圖4-4 數(shù)字PID控制方框圖第二屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告第五章 智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝5.1 小車前輪的安裝在調(diào)試的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候總是打滑，為了減小小車拐彎打滑的情況，我們對(duì)小車的前輪進(jìn)行了多次的改裝和測(cè)試。最終我們通過(guò)減小主銷后傾角，加大主銷內(nèi)傾角，減小前輪外傾角，加大前束，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)小車拐彎時(shí)的打滑程度有了明顯的減小。5.2 舵機(jī)的安裝在調(diào)試的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)模型車提供的舵機(jī)和轉(zhuǎn)向連接桿之間的黃色連接片不牢靠，導(dǎo)致小車轉(zhuǎn)向不及時(shí)。我們自己用銅板做了一個(gè)連接板，很牢靠，效果不錯(cuò)。5.3 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）攝像頭車模幾何尺寸（長(zhǎng)、寬、高）（毫米）298mm 163mm 315mm車模軸距/輪距（毫米）195mm 車模平均電流（勻速行駛）(毫安)1800mA