03-技術(shù)報告(湖北汽車工業(yè)學(xué)院惠捷一號)

全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 PAGEIVPAGEIII第四屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告學(xué)校：湖北汽車工業(yè)學(xué)院隊伍名稱：湖北汽車工業(yè)學(xué)院惠捷一號參賽隊員：王江呂鑫馮榮君帶隊老師：石振東呂科200關(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第四屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、技術(shù)報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出版論文集中。參賽隊員簽名:帶隊教師簽名：日期：目錄第一章緒論1.1智能車的由來、應(yīng)用前景51.2智能車大賽的介紹61.2.1大賽簡介61.2.2大賽規(guī)則6第二章主要思路及技術(shù)方案概要122.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)122.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)12第三章電路設(shè)計說明143.1系統(tǒng)電源模塊設(shè)計143.2電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計143.3轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計153.4攝像頭供電模塊電路設(shè)計16第四章視頻采集和圖像處理174.1視頻采集174.1.1攝像頭工作原理4.1.2攝像頭的選擇4.1.3信號分離電路4.2圖像處理204.2.1目標(biāo)指引線的提取第五章模型車機(jī)械設(shè)計說明225.1車體的具體參數(shù)225.2前輪傾角調(diào)節(jié)225.3齒輪傳動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)235.4后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)245.5舵機(jī)安裝方式245.6其他機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)25第六章控制策略266.1轉(zhuǎn)向控制266.2速度控制29第七章開發(fā)工具、制作調(diào)試過程317.1車模開發(fā)工具317.2在線編程軟件設(shè)計與應(yīng)用31結(jié)語：33參考文獻(xiàn)：34附錄A:車模技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計35附錄B:車模外形照片36附錄C:部分程序源代碼36全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 PAGE38PAGE37·第一章緒論1.1智能車的由來、應(yīng)用前景1953年，美國BarrettElectric公司制造了世界上第一臺采用埋線電磁感應(yīng)方式跟蹤路徑的自動導(dǎo)向車，也被稱作“無人駕駛牽引車”。20世紀(jì)60年代和70年代初，AGV仍采用這種導(dǎo)向方式。但是，20世紀(jì)70年代中期，具有載貨功能的AGV在歐洲得到了應(yīng)用并被引入到美國。這些自動導(dǎo)向車主要用于自動化倉儲系統(tǒng)和柔性專配系統(tǒng)的物料運輸。在20世紀(jì)70年代和80年代初，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大而且工作條件也變化多樣，因此，新的導(dǎo)向方式和技術(shù)得到了更廣泛的研究與開發(fā)。在最近的10-15年里，各種新型AGV杯廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，單元式AGV主要用于短距離的物料運輸并與自動化程度較高的加工設(shè)備組成柔性生長線。例如，自動導(dǎo)向叉車用于倉儲貨物的自動裝卸和搬運；小型載貨式AGV用于辦公室信件的自動分發(fā)和電子行業(yè)的裝配平臺。除此之外，AGV還用于搬運體積和重量都很大的物品，尤其是在制造過程中用于載貨平臺AGV組成移動式輸送線，構(gòu)成整車柔性裝配生產(chǎn)線。最近，小型AGV應(yīng)用更為廣泛，而且以長距離不復(fù)雜的路徑規(guī)劃為主。AGV從僅由大公司應(yīng)用，正向小公司單臺應(yīng)用轉(zhuǎn)變，而且其效率和效益更好。至此出現(xiàn)了智能車的概念。城市公共交通是與人民群眾生產(chǎn)生活息息相關(guān)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。然而，目前世界上許多大城市都面臨著由私人汽車過度使用而帶來的諸多問題，例如道路堵塞、停車?yán)щy、能源消耗、噪聲污染和環(huán)境污染等，這些問題嚴(yán)重降低了城市生活的質(zhì)量。優(yōu)先發(fā)展城市公共交通是提供交通資源利用效率，緩解交通擁堵的重要手段。國務(wù)院總理溫家寶于2005年10月做出重要批示，要求優(yōu)先發(fā)展城市公共交通，這是貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀和建設(shè)節(jié)約型社會的重要舉措。大容量城市公共交通，如地鐵、輕軌等，其最大優(yōu)點是空間利用率和能源利用率較高。然而，由于缺乏足夠的時間、空間、運行成本過高，難以大力推廣和應(yīng)用。回顧汽車發(fā)展的百年歷史，不難發(fā)現(xiàn)其控制方式從未發(fā)生過根本性改變，即由人觀察道路并駕駛車輛，形成“路-人-車”的閉環(huán)交通系統(tǒng)。隨著交通需求的增加，這種傳統(tǒng)車輛控制方式的局限性日益明顯，例如安全性低（交通事故）和效率低（交通堵塞）。最新調(diào)查表明，95%的交通事故是由人為因素造成，交通堵塞也大都與駕駛員不嚴(yán)格遵守交通規(guī)則有關(guān)。如果要從根本上解決這一問題，就需要將“人”從交通控制系統(tǒng)中請出來，形成“車-路”閉環(huán)交通系統(tǒng)，從而提高安全性和系統(tǒng)效率。這種新型車輛控制方法的核心，就是實現(xiàn)車輛的智能化。智能車有著極為廣泛的應(yīng)用前景。結(jié)合傳感器技術(shù)和自動駕駛技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的自適巡航并把車開得開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時，如果裝上紅外攝像頭，就能實現(xiàn)夜晚汽車的安全輔助駕駛；他也可以工作在倉庫、碼頭、工廠或危險、有毒、有害的工作環(huán)境里，此外他還能擔(dān)當(dāng)起無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運輸、消防滅火等任務(wù)。在普通家庭轎車消費中，智能車的研發(fā)也是有價值的，比如霧天能見度差，人工駕駛經(jīng)常發(fā)生碰撞，如果用上這種設(shè)備，激光雷達(dá)會自動探測前方的障礙物，電腦會控制車輛自動停下來撞車就不會發(fā)生了。1.2智能車大賽的介紹1.2.1大賽簡介受教育部高等教育司委托，高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會負(fù)責(zé)主辦全國大學(xué)生智能車競賽。該項比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一。首屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車邀請賽于2006年在清華大學(xué)成功舉辦。此項賽事，在韓國已舉辦過多屆，其專業(yè)知識涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等諸多學(xué)科，對學(xué)生的知識融合和動手能力的培養(yǎng)，對高等學(xué)?？刂萍捌囯娮訉W(xué)科學(xué)術(shù)水平的提高，具有良好的推動作用。在前兩屆比賽中參賽選手必須使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，以Freescale公司生產(chǎn)的16位微控制器MC9S12DG128作為核心控制單元，本次中參賽對除了X系列的微處理器不用以外，其他8位和16位微控制器可由參賽對自己選擇（8位的單片機(jī)最多可選兩塊），這無疑給大家一個更位大的選擇余地，我對選用了MC9S12D64作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等，最終實現(xiàn)一套能夠自主識別路線‘并且可以實時輸出車體狀態(tài)的智能車控制軟硬件系統(tǒng)。各參賽隊伍之名次以賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間排名。但與以往的比賽來看，今年又增大了難度，即要在車跑完兩圈自動停在出發(fā)線的3米而準(zhǔn)本的技術(shù)方案。1.2.2大賽規(guī)則參賽選手須使用競賽秘書處統(tǒng)一指定并負(fù)責(zé)采購競賽車模，采用飛思卡爾16位微控制器（除x系列，其他微控制器自選）作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點參加各分賽區(qū)的場地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國決賽區(qū)的場地比賽。參賽隊伍之名次（成績）由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間為主，技術(shù)方案及制作工程質(zhì)量評分為輔來決定。競賽秘書處制定如下比賽規(guī)則適用于各分賽區(qū)預(yù)賽以及最終決賽。在實際可操作性基礎(chǔ)上力求公正與公平參與。秘書處將邀請獨立公證人監(jiān)督現(xiàn)場賽事及評判過程。一、器材限制規(guī)定1.須采用統(tǒng)一指定的車模，細(xì)節(jié)及改動限制見附件一；核心控制模塊可以采用組委會提供的HCS12模塊，也可以選用飛思卡爾公司8位、16位系列微控制器（單核,例如不允許使用MC9S12X系列）芯片自制控制電路板。每臺模型車的電路板中只允許使用一種型號微控制器。8位微控制器最多可以使用2片，16位微控制器限制使用1片；不得同時使用8位和16位微控制器；3.其他事項如果損毀車模中禁止改動的部件，需要使用相同型號的部件替換；車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm寬和400mm長，高度無限制。二、有關(guān)賽場的規(guī)定1.賽道基本參數(shù)（不包括拐彎點數(shù)、位置以及整體布局）見附件三；2.比賽賽道實際布局將在比賽當(dāng)日揭示，在賽場內(nèi)將安排與實際賽道具有相同材料的測試賽道供參賽隊進(jìn)行調(diào)試；三、裁判及技術(shù)評判競賽全國決賽階段，由組委會全體主任、副主任（或其授權(quán)代表）組成組委會執(zhí)委會負(fù)責(zé)審查及批準(zhǔn)比賽賽優(yōu)勝名單，受理參賽隊對裁判決定提出之異議或抗辯，并作出最終裁決。組委會下設(shè)獨立的技術(shù)評判組及現(xiàn)場裁判組，分別負(fù)責(zé)技術(shù)評分及現(xiàn)場車賽裁判，成績確認(rèn)等事項；兩個組共同商議決定賽道布局。所有競賽組織委員會工作人員，包括技術(shù)評判組及現(xiàn)場裁判組人員均不得參與除提供S12培訓(xùn)以外的任何對個別參賽隊的指導(dǎo)或輔導(dǎo)工作。在分賽區(qū)預(yù)賽階段中，裁判以及技術(shù)評判由各分賽區(qū)組委會參照上述決賽階段組織實施。四、分賽區(qū)、決賽區(qū)比賽規(guī)則在分賽區(qū)、決賽區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場比賽規(guī)則相同，都分為初賽與決賽兩個階段。在計算比賽成績時，分賽區(qū)只是通過比賽單圈最短時間進(jìn)行評比。決賽區(qū)比賽時，還需結(jié)合技術(shù)報告分?jǐn)?shù)綜合評定。1．初賽與決賽規(guī)則1）初賽規(guī)則比賽場中有兩個相同的賽道。參賽隊通過抽簽平均分為兩組，并以抽簽形式?jīng)Q定組內(nèi)比賽次序。比賽分為兩輪，兩組同時在兩個賽道上進(jìn)行比賽，一輪比賽完畢后，兩組交換場地，再進(jìn)行第二輪比賽。在每輪比賽中，每輛賽車在賽道上連續(xù)跑兩圈，以計時起始線為計時點，以用時短的一圈計單輪成績；每輛賽車以在兩個單輪成績中的較好成績?yōu)橘愜嚦煽?；計時由電子計時器完成并實時在屏幕顯示。2）決賽規(guī)則參加決賽隊伍按照預(yù)賽成績進(jìn)行排序，比賽順序從第25名開始至第1名結(jié)束。比賽場地使用一個賽道，決賽賽道與預(yù)賽賽道形狀不同，占地面積會增大。每支決賽隊伍只有一次比賽機(jī)會，在跑道上跑兩圈，以計時起始線為計時點，以最快單圈時間計算最終成績；計時由電子計時器完成并實時在屏幕顯示。預(yù)賽成績不記入決賽成績，只決定決賽比賽順序。比賽過程規(guī)則按照比賽順序，裁判員指揮參賽隊伍順序進(jìn)入場地比賽。同一時刻，一個場地上只有一支隊伍進(jìn)行比賽。在裁判員點名后，每隊指定一名隊員持賽車進(jìn)入比賽場地，將賽車放置在賽道出發(fā)區(qū)。裁判員宣布比賽開始后，賽車應(yīng)在30秒之內(nèi)離開出發(fā)區(qū)，沿著環(huán)形賽道黑色引導(dǎo)線連續(xù)跑兩圈，由計時起始線兩邊傳感器進(jìn)行自動計時。跑完后，選手拿起賽車離開場地。如果比賽完成，由計算機(jī)評分系統(tǒng)自動給出單圈最好成績。3．比賽犯規(guī)與失敗規(guī)則比賽過程中，如果賽車碰到賽道兩邊的立柱并使之傾倒或移動，裁判員將判為賽車沖出跑道。賽車前兩次沖出跑道時，由裁判員取出賽車交給比賽隊員，立即在起跑區(qū)重新開始比賽，該圈成績?nèi)∠＿x手也可以在賽車沖出跑道后放棄比賽。比賽過程中如果出現(xiàn)有如下一種情況，判為比賽失?。翰门悬c名后，1分鐘30秒之內(nèi)，參賽隊沒有能夠進(jìn)入比賽場地并做好比賽準(zhǔn)備；比賽開始后，賽車在30秒之內(nèi)沒有離開出發(fā)區(qū)；賽車在離開出發(fā)區(qū)之后2分鐘之內(nèi)沒有跑完兩圈；賽車沖出跑道的次數(shù)超過兩次；比賽開始后未經(jīng)裁判允許，選手接觸賽車；決賽前，賽車沒有通過技術(shù)檢驗。如果比賽失敗，則不計成績。比賽成績規(guī)則在各分賽區(qū)進(jìn)行預(yù)賽時，比賽成績由賽車單圈最快時間決定。在決賽區(qū)進(jìn)行比賽時，比賽成績由賽車單圈最快時間以及隊伍技術(shù)報告成績綜合決定。大賽相關(guān)規(guī)定附件如下：附件一：智能競賽車模的規(guī)定禁止改動車底盤結(jié)構(gòu)、輪距、輪徑及輪胎；禁止改動驅(qū)動電機(jī)的型號及傳動比；禁止改造滾珠軸承；禁止改動舵機(jī)，但可以更改舵機(jī)輸出軸上連接件；禁止改動驅(qū)動電機(jī)以及電池，車模主要前進(jìn)動力來源于車模本身直流電機(jī)及電池；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。附件二：電路器件及控制驅(qū)動電路限制核心控制模塊可以采用組委會提供的HCS12模塊，也可以選用飛思卡爾公司8位、16位系列微控制器（單核,例如不允許使用MC9S12X系列）芯片自制控制電路板。每臺模型車的電路板中只允許使用一種型號微控制器。8位微控制器最多可以使用2片，16位微控制器限制使用1片；不得同時使用8位和16位微控制器；伺服電機(jī)數(shù)量不超過3個；傳感器數(shù)量不超過16個（紅外傳感器的每對發(fā)射與接受單元計為1個傳感器，CCD傳感器記為1個傳感器）；直流電源使用大賽提供的電池；禁止使用DC-DC升壓電路為驅(qū)動電機(jī)以及舵機(jī)提供動力；全部電容容量和不得超過2000微法；電容最高充電電壓不得超過25伏?？梢赃x擇參數(shù)：開發(fā)軟件可以選擇CodeWarrior3.1，也可以另行選擇；開發(fā)調(diào)試硬件可以選擇秘書處統(tǒng)一提供的BDM工具，也可以另行選擇；電路所使用元器件（傳感器、各種信號調(diào)理芯片、接口芯片、功率器件等）種類與數(shù)量都可以自行設(shè)計選擇。附件三：賽道基本參數(shù)（不包括拐彎點數(shù)目、位置以及整體布局）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，跑道所占面積不大于5000mm*7000mm，跑道寬度不小于600mm；決賽階段時跑道面積可以增大。賽道路面制作材料型號會在網(wǎng)站給出。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；跑道最小曲率半徑不小于500mm；跑道可以交叉，交叉角為90；°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。賽道有一個長為1000mm的出發(fā)區(qū)，如下圖所示，計時起始點兩邊分別有一個長度100mm黑色計時起始線，賽車前端通過起始線作為比賽計時開始或者與結(jié)束時刻圖一：出發(fā)起始線第二章主要思路及技術(shù)方案概要2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)此智能車輛定位系統(tǒng)用攝像頭拍車輛前方的賽道，通過MC9S12D64采樣視頻信號，獲得圖像數(shù)據(jù)。然后用合適的算法，如跟蹤邊緣檢測法，分析圖像數(shù)據(jù)，提取目標(biāo)指引線。然后，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)指引線的位置信息，對舵機(jī)和電機(jī)施以合適的控制。本智能車定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示：攝像頭攝像頭視頻采樣輔助電路MC9S12D64數(shù)據(jù)處理舵機(jī)驅(qū)動電路舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動電機(jī)圖2.1智能車定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖因為系統(tǒng)是一個有機(jī)的整體，所以任何一部分的改進(jìn)都能提高小車的性能。雖然輪胎、驅(qū)動電機(jī)、舵機(jī)和電池等車模主要結(jié)構(gòu)不能作改動，但是一個機(jī)械結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)仍然會對小車的性能產(chǎn)生影響，為此我們對這些細(xì)節(jié)進(jìn)行了一定的調(diào)整。系統(tǒng)所用的傳感器包括光電（1個用于測速）、JY043W（黑線識別）和攝像頭（路徑識別），它們可以完成賽道信息的采集和小車行駛參數(shù)的獲取，算法部分主要涉及到模糊算法和PID控制算法等，這些部分將在后面詳述。2.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件位于底層，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)則根據(jù)硬件和控制需要來制定。系統(tǒng)的基本軟件流程為：首先，對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的圖像數(shù)據(jù)，同時通過速度傳感器模塊獲取小車的速度，用前排傳感器獲取路面的信息，采用模糊算法來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。另外根據(jù)檢測到的速度，結(jié)合速度控制策略，對小車速度進(jìn)行不斷的調(diào)整，使小車在符合比賽規(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系統(tǒng)的基本軟件機(jī)構(gòu)系統(tǒng)初始化場同步信號檢測視頻采集系統(tǒng)初始化場同步信號檢測視頻采集速度采集傳感器采集傳感器采集舵機(jī)采集舵機(jī)采集速度調(diào)整速度調(diào)整第三章電路設(shè)計說明3.1系統(tǒng)電源模塊設(shè)計全部硬件電路的電源由7.2V，2A/h的可充電鎳鎘電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包括多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓換成各個模塊所需要的電壓。主要包括如下不同的電壓：5V電壓。主要為單片機(jī)、信號調(diào)理電路及部分接口電路（如速度傳感器）提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500mA。6V電壓。主要是為舵機(jī)提供工作電壓。實際工作時，舵機(jī)所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無需十分穩(wěn)定。7.2V電壓。這部分直接取自電池兩端電壓，主要為后輪電機(jī)驅(qū)動模塊提供電源。12V電壓。采用攝像頭進(jìn)行路徑檢測時，需要12V工作電源。整個電源模塊的電路結(jié)構(gòu)為：圖3-1電源模塊電路結(jié)構(gòu)3.2電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計該車模驅(qū)動電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流為12A，車模正常行駛時電機(jī)電流為3A左右，車模行駛時需對車速加以控制，則對電機(jī)必須進(jìn)行PWM調(diào)速，圖4-2所示為本次驅(qū)動電機(jī)的電路設(shè)計，使用兩片MC33886并聯(lián)是為了防止由于電流過大發(fā)熱加劇導(dǎo)致其過熱保護(hù)。圖3-2電機(jī)驅(qū)動電路3.3轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計車速傳感器為對射式光電傳感器，具體電路如圖4-3。由光電對管采集輸出為類似正弦波的信號，為使最終的車速信號為單片機(jī)所能處理的數(shù)字信號，在光電對管輸出端接電壓比較器LM2903。圖3-3車速傳感器電路3.4攝像頭供電模塊電路設(shè)計圖3-4攝像頭供電模塊電路第四章視頻采集和圖像處理4.1視頻采集視頻采集模塊由攝像頭、1881視頻采集信號分離芯片以及S12的AD模塊構(gòu)成。視頻信號是AD采集的基礎(chǔ)，下面先介紹視頻信號的特征，然后再展開。4.1.1攝像頭分為黑白和彩色兩種，根據(jù)賽道特點可知，為達(dá)到尋線目的，只要提取到畫面的灰度信息，而不必要提取其色彩信息，所以本設(shè)計中采到的是黑白攝像頭。攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。圖像傳感芯片是其最重要的部分，但該芯片要配以合適的外圍電路才能工作。將芯片和外圍電路制作在一塊電路板上，稱為“單板”。若給單板配上鏡頭、外殼、引線和接頭，就構(gòu)成了通常所見的攝像頭。攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言（參見圖5-1），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號，該電壓信號的高低起伏反映了該行圖像灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平（如0.3V），并保持一段時間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像信號之后會有一個電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過一行后（攝像頭是隔行掃描的），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號，接著會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個復(fù)合消隱脈沖，其中有個遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時間遠(yuǎn)長于）其它的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，不過，場消隱區(qū)恰好跨在上一場的結(jié)尾和下一場的開始部分，得等場消隱區(qū)過去，上一場的視頻信號才真正到來。攝像頭每秒掃描25幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50場圖像。奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只掃描偶數(shù)行。圖4-1攝像頭視頻信號4.1.2因為S12單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換時間在不超頻的情況下最短為7us,所以如果選用一個分辨率為320的攝像頭，則單行視頻信號持續(xù)時間約為20ms/320=62.5us，AD對單行視頻信號采樣的點數(shù)將不超過[62.5/7]+1=9個。若使用分辨率越高的，則其采到的點數(shù)將更少。如前所述，攝像頭的分辨率越高，盡管可提高縱向分辨能力，卻會減少單片機(jī)AD采樣單行信號的點數(shù)，削弱了橫向分辨能力?，F(xiàn)在市場上攝像頭的分辨率通常都在300線以上，由此推得單行視頻信號的持續(xù)時間至多為20ms/300=66us，AD采樣每行視頻信號的點數(shù)至多為[66/7]+1=10個（不超頻的情況下），這對賽車定位來說是不夠的，所以在選用攝像頭時，應(yīng)當(dāng)盡量選擇分辨率低的攝像頭，這樣做會降低攝像頭的縱向分辨率能力（但降低都仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠用），卻可以增加單片機(jī)采樣視屏信號的點數(shù)，提高橫向分辨能力。在本次設(shè)計過程中，在市場上我們找到了索尼的CCD攝像頭，其分辨率為200萬像素，以下章節(jié)中的視頻采集工作就是基于此攝像頭。4.1.3要對有效地對視頻信號進(jìn)行采樣，首先要處理好的問題是如何提取出攝像頭信號中的行同步脈沖，消隱脈沖和場同步脈沖。這里有兩種可行的方法。第一，直接通過單片機(jī)AD進(jìn)行提取。因為行同步脈沖、消隱脈沖或場同步脈沖信號的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號的電平，所以據(jù)此可設(shè)定一個信號電平閥值開判斷AD采樣到的信號是否為上述三類脈沖。第二，就是給單片機(jī)配以合適的外圍芯片，此芯片要能夠提取出攝像頭信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用?？紤]到單片機(jī)的速度有限，而一些脈沖的間隔時間又較短，為了減輕其處理負(fù)擔(dān)，采用了第二種方法進(jìn)行信號的時序信息，如行同步脈沖、場同步脈沖和奇、偶場信號信息等，并將它們轉(zhuǎn)換成TTL電平直接輸出給單片的I/O口作控制信號之用。1881的端口接線方式如圖5-2所示。圖4-2LM1881其中，引腳2為視頻信號的輸入端，引腳1為行同步信號輸出端（圖5-3中的b）。引腳3為場同步信號輸出端，當(dāng)攝像頭信號的場同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖剑话憔S持230us，然后重新變回高電平（如圖5-3中的c）。引腳7為奇-偶場同步信號端輸出端，當(dāng)攝像頭信號處于奇場時，該端為高電平，當(dāng)處于偶場時，為低電平。事實上，不僅可以用場同步信號作為換場的標(biāo)志，也可以用奇-偶場間的交替作為換場的標(biāo)志。圖4-3LM1881信號時序圖4.2圖像處理4.2.1智能車通過圖像采樣模塊獲得車前方的賽道圖像信息，往下介紹如何分析此二維數(shù)組來提取黑線，我們采用邊緣檢測的方法。二維數(shù)組的行數(shù)和列數(shù)即為像素的圖像坐標(biāo)，我們?nèi)羟蟪隽撕诰€邊緣的圖像坐標(biāo)，就知道了黑線的位置。黑線邊緣的特點是其左、右兩像素為一黑一白，兩像素值的差的絕對值大于某閥值，大于可根據(jù)試驗確定；而其余處的相鄰兩像素或全白，或全黑，像素值差的絕對值小于該閥值。這樣，只要我們對兩數(shù)組每行中任何相鄰兩點做差，就可以根據(jù)差值的大小是否大于該閥值來判斷此兩點處是否為黑線邊緣，還可以進(jìn)行根據(jù)差值的正負(fù)來判定邊緣處是左白右黑，還是右黑左白。從最左端的第一個有效數(shù)據(jù)點開始依次向右進(jìn)行閥值判斷：由于實際中黑白賽道邊緣可能會出現(xiàn)模糊偏差，導(dǎo)致閥值并不是個很簡單介于兩相鄰之間，很可能要相隔兩個點。因此：第line為原點，判斷和line+3的差是否大于該閥值，如果是則將line+3記為i，從i開始繼續(xù)在接下的從i+3到該行最末一個點之間的差值是否大于閥值，如果大于則將line+i/2+1的坐標(biāo)賦給中心給黑線中心位置值，如5-4圖4-4單行黑線提取法利用該算法所得到的黑線提取效果不僅可靠，而且實時性好；在失去黑線目標(biāo)以后能夠記住是從左側(cè)還是從右側(cè)超出視野，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向讓賽車回到正常賽道。試驗表明：只要閥值取得合適，該算法不僅可靠，而且實時性較好。如果更進(jìn)一步可以設(shè)置閥值根據(jù)現(xiàn)場情況的變化而變化。在黑線引導(dǎo)線已經(jīng)能夠可靠提取的基礎(chǔ)上，我們可以利用它來進(jìn)行相應(yīng)的彎、直道判定，以及速度和轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制算法的研究。第五章模型車機(jī)械設(shè)計說明任何的控制算法和軟件程序都是需要一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來執(zhí)行和實現(xiàn)的，因此在設(shè)計整個軟件架構(gòu)和算法之前一定要對整個機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個感性的認(rèn)識，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。從而再針對具體的設(shè)計方案來調(diào)節(jié)整賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本章將主要介紹車模的機(jī)械特點和調(diào)整方案。5.1車體的具體參數(shù)此次比賽用的車模采用1/10的仿真車模。車模機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用競賽提供車模的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動部分。控制采用前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動方案。車模具體參數(shù)如下：表5-1車模基本尺寸參數(shù):基本參數(shù)尺寸軸距197cm前輪距124cm后輪距136cm車輪直徑50cm車長316cm車寬172cm傳動比18/765.2前輪傾角調(diào)節(jié)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在車模過彎時，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。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個因素決定，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)傾是由主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強烈，但轉(zhuǎn)向時就越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使用車輛轉(zhuǎn)彎時產(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)自動恢復(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)定性也越好。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使轉(zhuǎn)向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時后傾回正作用大，低速時內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對汽車的轉(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外八字角度，這個角度約為1°左右。所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前輪數(shù)值之差，也值前輪中心線與縱線向中心線的夾角，其慣性力會自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象就會減少。5.3齒輪傳動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)車模后輪采用RS-380SH-4045電機(jī)驅(qū)動，由競賽主辦方提供。電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動比為9：38（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動機(jī)構(gòu)對車模的驅(qū)動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當(dāng)，會大大增加電機(jī)驅(qū)動后輪的負(fù)載，從而影響到最終的成績。調(diào)整的原則是：兩傳動齒輪軸保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，白白浪費動力，傳動部分要輕松、順暢，容易傳動，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象。判斷齒輪傳動是否調(diào)整好的一個依據(jù)是，聽一下電機(jī)帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳送噪音小，并且不會有碰撞類的雜音。5.4后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機(jī)。當(dāng)車輛在正常的過彎中（假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度），此時4個輪子的轉(zhuǎn)速（輪速）皆不相同，依次為：外側(cè)前輪>外側(cè)后輪>內(nèi)側(cè)前輪>內(nèi)側(cè)后輪。此時所使用車模配備的是后輪差速器。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高，以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，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。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速器，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左后輪轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，不會有遲滯和過轉(zhuǎn)向情況。5.5舵機(jī)安裝方式圖5-1舵機(jī)安裝方式舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改變舵機(jī)的安裝位置，而并非改變舵機(jī)本身機(jī)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)向的理論可以發(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)于增大力臂長度，提高線速度。針對上述特性，改變了原裝車模的安裝方式，將舵機(jī)安裝在相對的一對稱面上。這樣安裝的優(yōu)點是：1）改變了舵機(jī)的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏，2）舵機(jī)安裝在正中央，使左右的轉(zhuǎn)向基本一致；3）重心相對來說靠后，減輕舵機(jī)的負(fù)載。5.6其他機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)在調(diào)試過程中，除去對以上部分的調(diào)整以外，其他機(jī)械部分也要根據(jù)實際情況來調(diào)整，懸掛臂、轉(zhuǎn)向連桿的動作要靈活自如，準(zhǔn)確無誤；主懸架要松緊適度；驅(qū)動電機(jī)的螺絲一定要上緊，并要經(jīng)常檢查，一旦在行駛中松動就會造成零件的損壞。調(diào)試中還發(fā)現(xiàn)主懸架的第二個螺絲容易松動，測試時要檢查是否上緊。第六章控制策略6.1轉(zhuǎn)向控制幾乎絕大多數(shù)的智能車系統(tǒng)都是用PD來控制轉(zhuǎn)向，我們在測試只能夠發(fā)現(xiàn)這樣很難達(dá)到令人滿意的控制，我們利用了S12的模糊控制器對小車進(jìn)行了控制，經(jīng)過測試，得到了一個比較滿意的結(jié)果。模糊邏輯控制（FuzzyLogicControl）簡稱為模糊控制，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，從實質(zhì)上來看模糊控制是一種非線性的控制，從屬于智能控制的范疇。其最大的特點是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實際應(yīng)用背景。模糊控制的基本機(jī)構(gòu)原理如6-1所示。圖6-1模糊控制的基本原理可以看出，模糊控制的核心是模糊推理機(jī)，它是嵌入在一個閉環(huán)系統(tǒng)之中的，模糊控制器主要包括模糊控制規(guī)則、模糊決策、模糊量化處理和去模糊化處理四個部分。事實上，模糊控制器可視為一個實時閉環(huán)系統(tǒng)中依賴操作者經(jīng)驗的控制器，它根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計算所選擇的系統(tǒng)輸入變量，再將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?，并根?jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量（模糊量），最后由上述得到的控制量（模糊量）計算精確量，保證被控制對象輸出得到滿足。在根據(jù)該車模的系統(tǒng)，我們設(shè)計了一個雙輸入和單輸出的系統(tǒng)，輸入的量是所得到的外界信息，輸出的是轉(zhuǎn)向PWM圖6-2轉(zhuǎn)向PWM模糊控制原理圖以下是按照該系統(tǒng)做的模糊控制器、規(guī)則庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表及輸出的單值隸屬度函數(shù)的程序：********************************************************;*S12模糊控制器(B)********************************************************B_FUZZIFY:LDX#B_INPUT_MFSLDY#B_FUZ_INSLDAAB_CURRENT_INSLDAB#5B_GRAD_LOOP:MEMDBNEB,B_GRAD_LOOPLDAAB_CURRENT_INS1LDAB#5B_GRAD_LOOP1:MEMDBNEB,B_GRAD_LOOP1LDAB#36B_RULE_EVAL:CLR1,Y+DBNEB,B_RULE_EVALLDX#B_RULE_STARTLDY#B_FUZ_INSLDAA#$FFREVB_DEFUZ:LDY#B_FUZ_INS+8LDX#B_SGLTN_POSLDAB#9WAVEDIVTFRY,DSTABB_COG_OUTB_FUZZIFY_END:RTS********************************************************;*S12模糊控制器輸入規(guī)則庫(B)********************************************************B_INPUT_MFS:B_MF0:FCB000,060,000,013FCB020,120,013,013FCB080,180,013,013FCB140,255,013,000B_MF1:FCB00,04,000,085FCB01,08,085,085FCB05,11,085,127FCB08,20,064,000********************************************************;*S12模糊控制器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表(B)********************************************************B_RULE_START:FCB$00,$04,$FE,$08,$FEFCB$00,$05,$FE,$09,$FEFCB$00,$06,$FE,$0A,$FEFCB$02,$07,$FE,$13,$FEFCB$03,$04,$FE,$14,$FEFCB$03,$05,$FE,$15,$FEFCB$03,$06,$FE,$16,$FEFCB$03,$07,$FE,$17,$FEFCB$FF********************************************************;*S12模糊控制器輸出單值隸屬度函數(shù)(B)********************************************************B_SGLTN_POS:;+++++|FCB100,094,088,085;||;||||+|FCB095,092,088,081;|;||||+|FCB090,088,080,077;|;||||+|6.2速度控制本車模安裝了車速傳感器（圖6-3）,來采集速度圖6-3車速傳感器那么對車速的控制便可采用PID閉環(huán)控制。數(shù)字PID控制分位置式PID、增量式PID和速度式PID控制，本次采用增量式PID調(diào)速策略，其計算公式為：Δμn=KP(en-en-1)+Kien+Kd（en-2en-1+en-2）其中，Δμn為第n次輸出增量；en第n次偏差；en-1第n-1次偏差；en-2第n-2次偏差具體控制流程如6-4所示：圖6-4速度PID控制原理圖通過大量試驗；并采集轉(zhuǎn)速信號，如圖6-5可看到PID調(diào)速效果。從此采樣周期為20ms，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)為45，從圖可看出，從啟動穩(wěn)定速度調(diào)節(jié)時間大約只有300ms響應(yīng)較快，并且調(diào)速穩(wěn)定，速度基本在44-46之間波動。圖6-5第七章開發(fā)工具、制作調(diào)試過程7.1車模開發(fā)工具Codewarrior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、項目工程管理及調(diào)試器等。其中在本設(shè)計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。7.2在線編程軟件設(shè)計與應(yīng)用在線編程軟件基于Labview7.0環(huán)境設(shè)計開發(fā)，由上位PC機(jī)通過RS232串行行總線與車?？刂艵CU通訊，可對微控制器FlashROM中的程序做在線擦寫，主要功能如下：可靈活選擇、設(shè)置串行端口及波特率。顯示應(yīng)用程序代碼在FlashROM的起始、結(jié)束地址及握手信號設(shè)置。顯示調(diào)入的*.sx文件內(nèi)容系統(tǒng)無須重新啟動，可在任意狀態(tài)下做程序的在線擦寫微控制器FlashROM在線編程軟件的控制臺界面如7-1所示。圖7-1在線編程軟件控制界面

結(jié)語很高興能夠參加2009年第四屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能車大賽，此項比賽是對智慧和毅力的雙重挑戰(zhàn)。通過本次車模的制作，我們收獲頗多。根據(jù)賽車總體方案，針對性的查找了大量資料，設(shè)計制作了賽車各模塊的測試電路。通過實驗測試設(shè)計方案的可靠性，針對實驗結(jié)果對方案進(jìn)行修改，最終確定了各模塊的方案，并完成設(shè)計。至此，賽車的所有硬件部分已經(jīng)設(shè)計完畢。在編寫了流程圖后，我們首先提取了賽道各典型位置的圖像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了寶貴的數(shù)據(jù)資料，為算法的編寫提供了依據(jù)。最后在編寫完程序后，經(jīng)實道調(diào)試不斷修改、優(yōu)化，賽車的性能不斷提高。制作完成的智能車模各項技術(shù)指標(biāo)都滿足大賽組委會的要求，并在測試賽道上順利完成了自主的尋跡行駛，測試速度最高可達(dá)4m/s盡管我們的車是從上一屆的基礎(chǔ)上作了大大小小的修改，但是在指導(dǎo)老師的領(lǐng)導(dǎo)下我們相信在本屆智能車比賽中會成為一道閃光點。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]王宜懷，劉曉升。嵌入式應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.7[3]陳家瑞。汽車構(gòu)造[M]。第2版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005.1[4]余志生，汽車?yán)碚揫M]。第4版。北京：機(jī)械工業(yè)出版社2006.5[5]王曉明。電動機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.5[6]蘇明，陳倫軍，林浩。模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].現(xiàn)代機(jī)械，2004年第4期[7]胡晨暉，陸佳南，陳立剛。第二屆“