攝像頭組-西南民族大學(xué)-極速雨燕技術(shù)報(bào)告(修訂版)

第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告學(xué)校：西南民族大學(xué)隊(duì)伍名稱：極速雨燕參賽隊(duì)員：程昊、孫橋、王方秋帶隊(duì)教師：馬波、邵仕泉關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解第五屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)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(chē)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：摘要本文以第五屆全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽為背景，主要介紹了智能車(chē)控制系統(tǒng)的機(jī)械及硬軟件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)流程。機(jī)械硬件方面，采用組委會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)B車(chē)模，以飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)MC9S12XS128MAA為控制核心，其他功能模塊進(jìn)行輔助，包括：攝像頭數(shù)據(jù)采集模塊、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊以及無(wú)線調(diào)試模塊等，來(lái)完成智能車(chē)的硬件設(shè)計(jì)。軟件方面，我們?cè)贑odeWarriorIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)編程，使用增量式PD算法控制舵機(jī)，使用位置式PID算法控制電機(jī)，從而達(dá)到控制小車(chē)自主行駛的目的。另外文章對(duì)濾波去噪算法，黑線提取算法，起止線識(shí)別等也進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵字：智能車(chē)攝像頭圖像處理簡(jiǎn)單算法閉環(huán)控制無(wú)線調(diào)試ABSTRACTAgainstthe5thnationallyundergraduatesmartcarracebackground,inthisarticlewewilldemonstrateasmartcarsystemwhichbasedonthe16-bitmicro-controllerunitMC9S12XS128MAA(madebyFreescaleco.),includingtheseparts:mechanism,hardware,softwareandsoon.Inthepartofthemechanismandhardware,weusedthestandardBmodelcartobuildthefoundation.AroundtheMCU,weuseaCMOSanalogimagesensortoobtainlaneimageinformation,andtheothersincludepowersupplymodule,motordrivemodule,speedmeasuremodule,wirelessassistantmoduleandsoon.Inthepartofthesoftware,weusetheCodeWarriorIDEtocompiletheprogram.ThesteeringiscontrolledbyPDcontrolarithmetic,andthemotoriscommandedbyPIDcontrolarithmetic.Inaddition,thisarticlealsointroducesthefilteringalgorithm,blackrouteprocessingalgorithm,identifystart-endlinealgorithmandsoon.Keywords:Smartcar,Imagesensor,Imageprocessing,Simplearithmetic,Closed-loopcontrol,Wirelessmodule.TOC\o"1-5"\h\z摘要 IABSTRACT II目錄 III第一章引言\o"CurrentDocument"1.1課題背景 1\o"CurrentDocument"2比賽規(guī)則與展望 1第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)\o"CurrentDocument"1系統(tǒng)分析 3\o"CurrentDocument"總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 4\o"CurrentDocument"總結(jié)構(gòu)圖 7第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)\o"CurrentDocument"1車(chē)體機(jī)械構(gòu)造分析與設(shè)計(jì)方案 83.1.1車(chē)身高度 83.1.2 輪胎 93.1.3四輪定位 113.1.4減震器 143.1.5差速器 15\o"CurrentDocument"2舵機(jī)的分析與安裝 16\o"CurrentDocument"攝像頭的分析與安裝 17\o"CurrentDocument"測(cè)速模塊的分析與安裝 20\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 21第四章硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1硬件設(shè)計(jì)方案 22\o"CurrentDocument"電路設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn) 221電源管理模塊 22圖像采集模塊 25圖像處理模塊 27核心控制模塊 29電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 30測(cè)速模塊 33加速度傳感器模塊 35按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)模塊 36\o"CurrentDocument"輔助調(diào)試電路 37\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 38第五章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)\o"CurrentDocument"1軟件設(shè)計(jì)方案 39\o"CurrentDocument"圖像采集、處理與路徑識(shí)別 401圖像采集與預(yù)處理 40賽道黑線提取算法 43路徑識(shí)別與曲率的計(jì)算 46\o"CurrentDocument"舵機(jī)控制算法 47\o"CurrentDocument"測(cè)速與電機(jī)控制算法 48\o"CurrentDocument"其他 501旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制算法 50起跑線識(shí)別程序設(shè)計(jì) 51調(diào)試與策略控制 52\o"CurrentDocument"本章小結(jié) 53第六章系統(tǒng)調(diào)試工具\(yùn)o"CurrentDocument"1軟件開(kāi)發(fā)工具 54\o"CurrentDocument"6.2手持式無(wú)線調(diào)試機(jī) 55第七章總結(jié)與致謝TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) I附錄\o"CurrentDocument"附錄A主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明 III附錄B 電路原理圖 IV\o"CurrentDocument"附錄C源程序 X第一章引言課題背景“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)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)委員會(huì)負(fù)責(zé)主辦的全國(guó)性大學(xué)生競(jìng)賽，是教育部主辦的全國(guó)五大競(jìng)賽之-O此項(xiàng)賽事涉及控制、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、汽車(chē)電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的融合和動(dòng)手實(shí)踐能力的提高起到了良好的推動(dòng)作用。本賽事在“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”的宗旨下積極鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)實(shí)事求是、精誠(chéng)合作、刻苦鉆研、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，在提高學(xué)生自身技術(shù)水平的同時(shí)也練就了不畏艱難、堅(jiān)韌不拔的意志品質(zhì)。本課題小組在B型車(chē)模的基礎(chǔ)上，使用飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機(jī)作為控制核心，自行設(shè)計(jì)并制作了相關(guān)電路以實(shí)現(xiàn)CCD圖像采集和處理以及對(duì)舵機(jī)、電機(jī)的控制。最終實(shí)現(xiàn)車(chē)模在比賽賽道上通過(guò)自身控制以最短時(shí)間獨(dú)立完成比賽。比賽規(guī)則與展望首先，參賽選手須使用競(jìng)賽秘書(shū)處統(tǒng)一指定的競(jìng)賽車(chē)模套件，即電磁組使用與往屆相同的A型車(chē)模，光電組攝像頭組使用B型車(chē)模。并且采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位或16位微控制器作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)采集處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法和軟件開(kāi)發(fā)等，以完成智能車(chē)的工程制作及調(diào)試。其次，禁止改動(dòng)車(chē)模本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)；伺服電機(jī)總數(shù)不超過(guò)3個(gè)，傳感器總數(shù)不超過(guò)16個(gè)；禁止使用DC-DC升壓電路為驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及舵機(jī)提供動(dòng)力;全部電容容量總和不超過(guò)2000uF,任意電容最高充電電壓不超過(guò)25Vo在本屆比賽中，賽道寬度從往屆比賽的60cm驟然縮小到50cm,比賽難度也隨之提高很多，對(duì)車(chē)輛的控制也更為嚴(yán)格。坡道仍然沿用往屆15°的難度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)小車(chē)上下坡姿態(tài)以及坡道行駛的控制沒(méi)有提出新的要求。但是比賽賽道不再置于淺藍(lán)色的底色環(huán)境中，而是置于深藍(lán)背景色環(huán)境中，對(duì)攝像頭組來(lái)說(shuō),二值化賽道信息之后得到賽道背景色為黑色，對(duì)圖像信息的采集和處理提出了更高的要求?？傊?，根據(jù)本屆的最新比賽規(guī)則規(guī)定來(lái)看，大賽對(duì)小車(chē)的抗干擾能力和穩(wěn)定性要求進(jìn)一步提高，比賽難度也遠(yuǎn)超過(guò)了往屆。但是新車(chē)模和新要求也給廣大同學(xué)們一個(gè)更大的創(chuàng)新空間去大顯身手，更多更好的創(chuàng)意會(huì)應(yīng)用到比賽過(guò)程當(dāng)中，因此本屆比賽的全國(guó)總決賽一定是強(qiáng)手如云，分外精彩！第一章引言第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析根據(jù)簡(jiǎn)單閉環(huán)控制原理得出，基于攝像頭的智能車(chē)總體可分為五大系統(tǒng)：賽道信息采集系統(tǒng)、核心控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)（如圖2.1所示）。信集道泉路.賽息電信集道泉路.賽息電圖2.1系統(tǒng)構(gòu)架圖賽道信息采集電路作為整車(chē)的眼睛起到了至關(guān)重要的作用，它搜集道路信息并決定了小車(chē)的行駛路線和車(chē)速的高低；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)作為整車(chē)的手和足直接控制著小車(chē)的行駛方向與行駛速度；核心控制電路就像整車(chē)的大腦，指揮控制著所有系統(tǒng)合理有序的協(xié)調(diào)工作；反饋系統(tǒng)是整車(chē)的監(jiān)督系統(tǒng)，檢測(cè)著小車(chē)是否在正確的軌道上按照單片機(jī)指揮的路線和前進(jìn)速度行駛?？傮w設(shè)計(jì)規(guī)劃?rùn)C(jī)械部分：(1)重心根據(jù)機(jī)械原理及車(chē)輛控制原理可知，小車(chē)的整體重心越低越有利于整車(chē)的抓地力和加速性；重心前移有利于轉(zhuǎn)向，而后移有利于整車(chē)的加速。我們根據(jù)車(chē)輪與賽道的摩擦系數(shù)以及權(quán)衡加速與轉(zhuǎn)向關(guān)系后決定將整車(chē)的重心調(diào)整至4/7處。(2)攝像頭位置為了使得整車(chē)的重心降低，攝像頭的高度就要有所限制，但是隨之而來(lái)的問(wèn)題就是攝像頭的視野收到了局限。如果攝像頭放在整車(chē)的前方，盲區(qū)和視野區(qū)都將縮小，車(chē)輛的視野寬度和前瞻性都將受到影響；如果攝像頭放在整車(chē)的后方，盲區(qū)和視野區(qū)都將擴(kuò)大，雖然能夠提高車(chē)輛視野寬度和前瞻性，但是小車(chē)前的盲區(qū)也會(huì)成為影響車(chē)輛穩(wěn)定性的隱患(如圖2.2.1所示)。圖2.2.1前置攝像頭與后置攝像頭的視野差異(3)舵機(jī)舵機(jī)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作為位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為零，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。而本次比賽使用B型車(chē)模舵機(jī)基本參數(shù)如下表：表2.2B型車(chē)模鴕機(jī)參數(shù)型號(hào)T170A模擬伺服器尺寸3L5*16.5*28.5mm重量17g工作電壓4.8-6.0V角度及偏差50。、<3°回中角度精度<2°旋轉(zhuǎn)速度0.1-0.13s/50°扭矩1.7-2.3kgcm根據(jù)官方所給的參數(shù)來(lái)看，該舵機(jī)性能一般，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速過(guò)低、扭矩過(guò)小上，所以舵機(jī)的力臂不能過(guò)長(zhǎng)，以免燒毀舵機(jī)。硬件與軟件部分：(1)攝像頭模塊利用圖像傳感器拍攝賽道得到圖像信息，在經(jīng)過(guò)視頻同步信號(hào)分離電路之后得到行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，與此同時(shí)將視頻的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后得到圖像的數(shù)字信號(hào)最后將三組信號(hào)一起輸入單片機(jī)進(jìn)行下一步處理；(2)測(cè)速模塊通過(guò)光電旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生脈沖，并利用S12XS單片機(jī)的輸入捕捉功能進(jìn)行脈沖捕捉并計(jì)算出相應(yīng)速度作為系統(tǒng)的反饋量；(3)舵機(jī)電機(jī)模塊舵機(jī)和電機(jī)的PWM波由單片機(jī)硬件生成，口舵機(jī)轉(zhuǎn)向采用增量式PD控制，電機(jī)采用位置式PID控制。轉(zhuǎn)向的目標(biāo)值由攝像頭采集的賽道圖像和歷史圖像共同決定，車(chē)速的目標(biāo)值通過(guò)系統(tǒng)給定值和賽道實(shí)際情況共同決定；(4)輔助模塊加速度傳感器用于輔助矯正車(chē)輛的方向與速度；(5)調(diào)試模塊通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳到調(diào)試終端處，以便時(shí)刻了解車(chē)輛的信息；(6)電源模塊使用輔助電路較為簡(jiǎn)單的供電芯片提供5V的電壓，并將主舵機(jī)與單片機(jī)分開(kāi)供電，以保證小車(chē)的穩(wěn)定性。

圖2.2.2整車(chē)實(shí)際布局總結(jié)構(gòu)圖根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路得到大致的設(shè)計(jì)方案如下圖所示:互為反饋（抵償頭］V?MC9S12XS12SMAA互為反饋（抵償頭］V?MC9S12XS12SMAACmTIt舵機(jī)PWMig圖2.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，既便于調(diào)試也便于在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，穩(wěn)定性較高。整體系統(tǒng)的關(guān)鍵在于攝像頭能否正確的采集到信息，以及單片機(jī)能否正確的將賽道上的黑色中心線提取出來(lái)。因?yàn)檐?chē)體的一切控制來(lái)源就是這一條黑色中心線，他是整個(gè)車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。因?yàn)橄抻跀z像頭視野范圍過(guò)小的瓶頸，我們?cè)谥蟮母难b中增加了攝像頭旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，這樣以來(lái)視野范圍大大的增加了，轉(zhuǎn)向控制也更加靈活，對(duì)賽道圖像的修正也起到了一定的作用。具體細(xì)節(jié)在第三章第三小節(jié)中進(jìn)行介紹，改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（局部）如右圖所小：

圖2.3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)局部圖第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1車(chē)體機(jī)械構(gòu)造分析與設(shè)計(jì)方案B型車(chē)模采用的是某國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的1：16的電動(dòng)越野遙控車(chē)的底盤(pán)部分,突出特點(diǎn)為四輪驅(qū)動(dòng)，四輪獨(dú)立懸掛，前中后齒輪組皆配有差速器，相比于往年比賽采用的A型車(chē)模結(jié)構(gòu)上復(fù)雜程度有所增加，同時(shí)可調(diào)整參數(shù)也有所增加。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)可以改變車(chē)輛的機(jī)械性能。3.1.1車(chē)身高度為了防止小車(chē)在急速轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中出現(xiàn)側(cè)翻的情況，車(chē)身高度應(yīng)盡量降低。當(dāng)車(chē)身整體重心接近或略低于車(chē)軸時(shí)，車(chē)輛的水平穩(wěn)定性最好。3.1.1）,不過(guò)由于車(chē)身底盤(pán)較軟,圖）,不過(guò)由于車(chē)身底盤(pán)較軟,圖前橋的內(nèi)六角螺絲該螺絲降低車(chē)身的調(diào)整效果不是特別明顯；第二種是固定前后懸掛的減震彈簧（如右圖）,該車(chē)模以越野車(chē)的為模板，所以減震效果特別明顯，但是智能車(chē)比賽是在平坦路面上進(jìn)行的競(jìng)速比賽，減震不但不利于車(chē)身的穩(wěn)定性，反而會(huì)在轉(zhuǎn)向、加速和減速圖硅膠固定減震彈簧 的時(shí)候造成底盤(pán)抖動(dòng)，攝像頭采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問(wèn)題。綜合考量以上兩種方案，我們選擇使用螺絲固定和硅膠固定聯(lián)合的方法達(dá)到固定減震系統(tǒng)和降低車(chē)身的目的（如下圖所示）。圖車(chē)身高度3.1.2輪胎輪胎就好像是人的鞋子一樣，俗話說(shuō)“千里之行始于足下”，由此可見(jiàn)輪胎對(duì)車(chē)輛整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整十分的關(guān)鍵。汽車(chē)依靠輪胎支承在路面上，而直接與路面接觸的卻是輪胎花紋。輪胎不僅承載、滾動(dòng)，而且通過(guò)其花紋塊與路面產(chǎn)生的摩擦力，成為汽車(chē)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向的動(dòng)力之源。因?yàn)檐?chē)模的輪胎僅有一層橡膠，且禁止改動(dòng)，所以我們只能從輪胎花紋上面進(jìn)行分析。輪胎花紋的主要作用就是增加胎面與路面間的磨擦力，以防止車(chē)輪打滑，這與鞋底花紋的作用如出一轍。它提高了胎面接地彈性，在胎面和路面間切向力（如驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力和橫向力）的作用下，花紋塊能產(chǎn)生較大的切向彈性變形。切向力增加，切向變形隨之增大，接觸面的“磨擦作用”也就隨之增強(qiáng)，進(jìn)而抑制了胎面與路面打滑或打滑趨勢(shì)。有研究表明，產(chǎn)生胎面和路面間磨擦力的因素還包括有這兩面間的粘著作用，分子引力作用以及路面微小凸體對(duì)輪胎的

微切削作用等，但起主要作用的仍是花紋塊的彈性變形。根據(jù)花紋類(lèi)型，主要分為三大類(lèi)：普通花紋、越野花紋和混合花紋。其中普通花紋較適合競(jìng)速類(lèi)賽車(chē)，下面就詳細(xì)介紹一下普通花紋的類(lèi)別。普通花紋的輪胎又分為三種類(lèi)型，縱向花紋、橫向花紋、縱橫混合花紋,這三種輪胎的特性簡(jiǎn)介如下：(如圖所示)(1)縱向花紋輪胎這種花紋共同特點(diǎn)是胎面縱向連續(xù)，橫向斷開(kāi)，因而胎面縱向剛度大，而橫向剛度小，輪胎抗滑能力呈現(xiàn)出橫強(qiáng)縱弱的特征。這種花紋的輪胎在高速度轉(zhuǎn)向上具有一定優(yōu)勢(shì)，并且滾動(dòng)阻力較小，散熱性能較好車(chē)胎不易磨損，但花紋溝槽易被嵌入碎石子兒，影響輪胎的抓地力。綜合來(lái)看，這種型式花紋適合在比較清潔、良好的硬路面上行駛。(2)橫向花紋輪胎這種花紋的特點(diǎn)是胎面橫向連續(xù)，縱向斷開(kāi)，因而胎面橫向剛度大，而縱向剛度小。故輪胎抗滑能力呈現(xiàn)出縱強(qiáng)橫弱的特征，汽車(chē)以較高速度轉(zhuǎn)向時(shí)，容易發(fā)生側(cè)滑；輪胎滾動(dòng)阻力也比較大，所以胎面磨損比較嚴(yán)重，但在縱向直線加速上具有優(yōu)勢(shì)。這種型式花紋適合于在一般硬路面上、牽引力比較大的重型車(chē)輛上使用。(3)縱橫混合花紋輪胎8麗花紋特點(diǎn)r目而且期剛度大〉顯種螞磁的輪胎適蚪城這種花紋類(lèi)型介于縱向花紋和橫向花紋之間。在胎面中部一般具有曲折形的縱向花紋，而在接近胎肩的兩邊則設(shè)計(jì)有橫向花紋。這樣一來(lái)，胎面的縱橫方向抗滑能力比較好。因此這種型式花紋的輪胎適應(yīng)能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，它適用于不同的硬路面，也適宜安裝8麗花紋特點(diǎn)r目而且期剛度大〉顯種螞磁的輪胎適蚪城在各種車(chē)輛上。圖普通輪胎的花紋由于B型車(chē)模使用的是縱橫混合花紋的輪胎（如圖所示），該種類(lèi)型的車(chē)胎花紋介于縱向花紋和橫向花紋之間。所以在直道上適合使用輪胎的橫向花紋部分，而在彎道上適合使用輪胎的縱向花紋部分。并且由于該輪胎是空心的，所以輪胎中心偏軟，兩側(cè)偏硬。相較而言軟輪胎對(duì)賽道的接觸面積更大，抓地力更好，因此車(chē)輪與地面法線的角度需要根據(jù)不同路況下車(chē)輪與賽道接觸面的情況來(lái)確定。具體調(diào)整方案將在3.1.3小節(jié)中進(jìn)行介紹。圖車(chē)輪花紋3.1.3四輪定位汽車(chē)的轉(zhuǎn)向車(chē)輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸三者之間的安裝具有一定的相對(duì)位置，這種具有一定相對(duì)位置的安裝叫做轉(zhuǎn)向車(chē)輪定位，也稱前輪定位。前輪定位包括主銷(xiāo)后傾（角）、主銷(xiāo)內(nèi)傾（角）、前輪外傾（角）和前輪前束四個(gè)內(nèi)容。而后輪定位包括車(chē)輪外傾角和逐個(gè)后輪前束。這樣前輪定位和后輪定位總起來(lái)說(shuō)叫車(chē)輪定位，也就是常說(shuō)的四輪定位。車(chē)輪定位的作用是使汽車(chē)保持穩(wěn)定的直線行駛和轉(zhuǎn)向輕便，并減少汽車(chē)在行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)件的磨損。卜面重點(diǎn)介紹前輪定位的四個(gè)方面對(duì)車(chē)輛行進(jìn)的影響:（1）主銷(xiāo)后傾角從側(cè)面看車(chē)輪，轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)（車(chē)輪轉(zhuǎn)向時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心）向后傾倒，稱為主銷(xiāo)后傾角（如右圖所示）。設(shè)置主銷(xiāo)后傾角后，主銷(xiāo)中心線的接地點(diǎn)與車(chē)輪中心的地面投影點(diǎn)之間產(chǎn)生距離（也稱作主銷(xiāo)縱傾移距，與自行車(chē)的前輪叉梁向后傾斜的原理相同），使車(chē)輪的接地點(diǎn)位于轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)延長(zhǎng)線的后

端，車(chē)輪就靠行駛中的滾動(dòng)阻力被向后拉，使車(chē)輪的方向自然朝向行駛方向。設(shè)定很大的主銷(xiāo)后傾角可提高直線行駛性能，同時(shí)主銷(xiāo)縱傾移距也 圖主銷(xiāo)后傾角隨之增大。但主銷(xiāo)縱傾移距過(guò)大，會(huì)使轉(zhuǎn)向盤(pán)沉重，而且由于路面干擾而加劇車(chē)輪的前后顛簸。主銷(xiāo)內(nèi)傾角圖主銷(xiāo)內(nèi)傾角(3)主銷(xiāo)內(nèi)傾角圖主銷(xiāo)內(nèi)傾角(3)前輪外傾從前后方向看車(chē)輪時(shí),張開(kāi)，稱為負(fù)外傾或內(nèi)傾,從車(chē)前后方向看輪胎時(shí)，主銷(xiāo)軸向車(chē)身內(nèi)側(cè)傾斜，該角度稱為主銷(xiāo)內(nèi)傾角(如左圖所示)。當(dāng)車(chē)輪以主銷(xiāo)為中心回轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)輪的最低點(diǎn)將陷入路面以下，但實(shí)際上車(chē)輪下邊緣不可能陷入路面以下，而是將轉(zhuǎn)向車(chē)輪連同整個(gè)汽車(chē)前部向上抬起一個(gè)相應(yīng)的高度，這樣汽車(chē)本身的重力有使轉(zhuǎn)向車(chē)輪回復(fù)到原來(lái)中間位置的效應(yīng)，因而方向盤(pán)復(fù)位容易。此外，主銷(xiāo)內(nèi)傾角還使得主銷(xiāo)軸線與路面交點(diǎn)到車(chē)輪中心平面與地面交線的距離減小，從而減小轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也可減少?gòu)霓D(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上的沖擊力。但主銷(xiāo)內(nèi)傾角也不宜過(guò)大，否則加速了輪胎的磨輪胎并非垂直安裝，而是稍微傾倒并呈現(xiàn)“八”字形而朝反方向張開(kāi)時(shí)稱正外傾。傾斜角即為從車(chē)輛的正前方看，垂直平面上左右車(chē)輪向內(nèi)或外傾斜的角度(如右圖所示)。由于使輪胎傾斜觸地便于轉(zhuǎn)向的操作，所以外傾角較大較利于轉(zhuǎn)向。而設(shè)定較大外的傾角會(huì)使輪胎磨偏，降低輪胎摩擦力。所以設(shè)定少許的外 圖外傾角示意圖（4）前輪前束負(fù)前親（4）前輪前束負(fù)前親傾角可以對(duì)車(chē)軸上的車(chē)輪軸承施加一定的橫推力，對(duì)轉(zhuǎn)向起到一定的輔助作用。前輪前束指的是從車(chē)輛的前方看，于兩輪軸高度處測(cè)量左右兩側(cè)輪胎前端與后端的距離，前端距離與后端距離之間的差值就是前束值。前端距離大于后端距離就是負(fù)前束，反之為正前束。也就是說(shuō)從車(chē)輛頂部看正前束即為“內(nèi)八字腳”（如左圖所示）。如前所述，由于有車(chē)輪有外傾，轉(zhuǎn)向操作變得容易。而另一方面，由正因?yàn)樗膬A斜，左右前輪分別向圖前束示意圖 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，則正負(fù)為零，左右兩輪可保持直線行進(jìn)，以減少輪胎磨損。根據(jù)定義測(cè)量出車(chē)模前輪約有15。的主銷(xiāo)后傾角，適量的外傾角使得車(chē)輪外沿著地較多，輪胎外側(cè)的橫向花紋起到主導(dǎo)作用，有利于車(chē)輪的直線加速性能。但是由于主銷(xiāo)所在直線與車(chē)輪縱切面角度為零，所以主銷(xiāo)內(nèi)傾角與車(chē)輪外傾角無(wú)法分別調(diào)整，兩者絕對(duì)值大小相等且符號(hào)相反，小車(chē)的主銷(xiāo)內(nèi)傾角為負(fù)，使得車(chē)輛轉(zhuǎn)向較為沉重。為解決這個(gè)問(wèn)題，我適當(dāng)?shù)恼{(diào)整了轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的圖傳動(dòng)軸夾角內(nèi)傾角為負(fù)，使得車(chē)輛轉(zhuǎn)向較為沉重。為解決這個(gè)問(wèn)題，我適當(dāng)?shù)恼{(diào)整了轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的方向，使它與主銷(xiāo)的夾角為鈍角（如圖所示），所以轉(zhuǎn)向更為輕便。再者是增加適量的前束，

它不僅抵消了由于車(chē)輪外傾所帶來(lái)的左右前輪向外轉(zhuǎn)動(dòng)，并且矯正了車(chē)輪傳動(dòng)軸在轉(zhuǎn)向上的誤差。（左右車(chē)輪最佳的轉(zhuǎn)向角度如左圖所示）如果三條圖車(chē)輛最佳轉(zhuǎn)向示意圖 軸線不相交于一點(diǎn)，那么車(chē)子在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中不僅容易發(fā)生側(cè)滑的現(xiàn)象，更嚴(yán)重者還會(huì)發(fā)生車(chē)輛地盤(pán)的震動(dòng)，對(duì)車(chē)子的穩(wěn)定性構(gòu)成巨大的不利影響。車(chē)輛的后輪部分可以通過(guò)懸架上的連接軸和固定懸架的塑料片來(lái)改變后輪外傾和后輪內(nèi)束（如圖所示）。圖3.1.3.圖后輪懸架軸（左）及固定片（右）調(diào)整后的后輪大約外傾3。前束5°,基本滿足后車(chē)輪沿直線方向平穩(wěn)滾動(dòng),并具有較大的抓地力。3.1.4減震器圖3.1.4減震器固定位置前面已經(jīng)介紹過(guò)為了降低車(chē)身底盤(pán)減震彈簧已經(jīng)使用硅膠進(jìn)行了強(qiáng)制固定，但是由于天氣炎熱的原因，硅膠較軟，所以固定后的減震器仍然具有一定的彈性。我們也正是利用這個(gè)特點(diǎn)，根據(jù)4圖3.1.4減震器固定位置效果較為明顯；如果固定到最下面的螺絲點(diǎn)，那么車(chē)身高度調(diào)至最高，減震效果也較為明顯；如果固定到車(chē)身內(nèi)側(cè)靠近車(chē)輛中軸的螺絲點(diǎn)是，車(chē)身高度同樣適中，減震器豎直方向彈性最小，減震效果最不明顯。如果固定到車(chē)身外側(cè)靠近車(chē)輪的螺絲點(diǎn)，那么車(chē)身高度適中，減震器豎直方向彈性最大，減震效果最為明顯。綜上所述，我們?yōu)榱私档蛙?chē)身抖動(dòng)對(duì)攝像頭采集數(shù)據(jù)帶來(lái)的不利影響,最終前后車(chē)輪均采用最后一種固定方式來(lái)固定減震器。3.1.5差速器圖3.1.5限滑差速器差速器有差速作用和限滑作用：差速作用使兩輪可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并使兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的平均值等于整驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；限滑作用在兩輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力，以限制兩輪速度差，防止其中一個(gè)輪子發(fā)生過(guò)度打滑和空轉(zhuǎn)。齒輪差速通常可填充差速油。差速油可以使齒輪在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合時(shí)產(chǎn)生阻力。不同的差速油會(huì)帶來(lái)不同的差速效果，通過(guò)在前、中、后三圖3.1.5限滑差速器差速器的這種調(diào)整是自動(dòng)的，這里涉及到“能量最低原理”，也就是地球上所有物體都傾向于能量最低的狀態(tài)。例如把一粒豆子放進(jìn)一個(gè)碗內(nèi)，豆子會(huì)自動(dòng)停留在碗底而絕不會(huì)停留在碗壁，因?yàn)橥氲资悄芰孔畹偷奈恢茫▌?shì)能），它自動(dòng)選擇靜止（動(dòng)能最?。┒粫?huì)不斷運(yùn)動(dòng)。同樣的道理，三維效果車(chē)輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)也會(huì)自動(dòng)趨向能量最低的狀態(tài)，自動(dòng)地按照轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于外側(cè)輪有滑拖的現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)輪有滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的附加力，由于“能量最低原理”，必然導(dǎo)致兩邊車(chē)輪的轉(zhuǎn)速不同，從而破壞了三者的平衡關(guān)系，并通過(guò)半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，使外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，從而實(shí)現(xiàn)兩邊車(chē)輪轉(zhuǎn)速的差異。舵機(jī)的分析與安裝可調(diào)電位器小型直流馬達(dá)電子控制板圖3.2.1舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變速齒輪組舵機(jī)直接控制著車(chē)輛的前進(jìn)方向，所以舵機(jī)安裝的合理程度直接關(guān)系到車(chē)輛的轉(zhuǎn)向的靈敏程度和穩(wěn)定程度。舵可調(diào)電位器小型直流馬達(dá)電子控制板圖3.2.1舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變速齒輪組（如圖3.2.1）包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出。綜上所述，改善舵機(jī)性能主要仃兩個(gè)方面,提高扭矩和提高轉(zhuǎn)速即響應(yīng)速度。提高舵機(jī)扭矩的方法有兩種：第一是增加直流馬達(dá)的扭矩，也就是在不改變直流馬達(dá)的情況下適量增加所給電壓，但是直流馬達(dá)的發(fā)熱量也會(huì)增加并容易導(dǎo)致舵機(jī)燒毀；第二是增大齒輪組的變速比，這樣伺服馬達(dá)的輸出扭力也就越大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也會(huì)隨之降低。而提高舵機(jī)響應(yīng)速度的方法也有兩種：第一是增加直流馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，同樣也就是在不改變直流馬達(dá)的情況下適量增加所給電壓，但是直流馬達(dá)的發(fā)熱量也會(huì)增加并容易導(dǎo)致舵機(jī)燒毀；第二是提高舵機(jī)輸入的PWM波的頻率，但是較高的PWM頻率會(huì)造成舵機(jī)的抖動(dòng)或者是舵機(jī)扭矩的下降。由于比賽規(guī)定禁止改動(dòng)伺服舵機(jī)，所以我們采取加壓的方法提高舵機(jī)的性能。實(shí)踐表明，電壓過(guò)高極易燒毀舵機(jī)里面的驅(qū)動(dòng)三極管，我們只好使用較適宜的5V作為舵機(jī)的電源電壓。還有，我們也試圖提高舵機(jī)輸入的PWM波的頻率來(lái)提高舵機(jī)的性能，最后因?yàn)檫@樣的改動(dòng)極為容易造成舵機(jī)的燒毀，故使用較為常用的50Hz作為舵機(jī)輸入的PWM波的頻率。車(chē)輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)就存在這樣一個(gè)平衡：即增加轉(zhuǎn)向力臂可以提高轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度，但增加力臂也會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛高速轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪對(duì)舵機(jī)反向的作用力增加，一旦這個(gè)反向的力矩大于舵機(jī)的扭矩，舵機(jī)就會(huì)因發(fā)熱過(guò)度而燒毀。鑒于舵機(jī)性能所限的情況下，我們通過(guò)車(chē)子高速轉(zhuǎn)向時(shí)所需的扭力計(jì)算出安全力臂約為3cm,所以根據(jù)整車(chē)的實(shí)際情況，在盡量減少轉(zhuǎn)向傳動(dòng)摩擦的前提下，我們選擇了舵機(jī)直接傳動(dòng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的方法，力臂長(zhǎng)度為2.6cm（如圖3.2.2所示）。圖3.2.2舵機(jī)安裝方法攝像頭的分析與安裝攝像頭是整車(chē)的眼睛，它識(shí)別賽道信息，將原始數(shù)據(jù)傳遞至單片機(jī)進(jìn)行處理，是整車(chē)的數(shù)據(jù)輸入端。前面已經(jīng)分析過(guò)，我們?yōu)榱嗽黾訑z像頭的前瞻距離,將攝像頭固定在整車(chē)的后方。因?yàn)閿z像頭是小車(chē)最高的部分，所以選擇較輕的材料進(jìn)行支撐也是降低車(chē)輛重心，提高車(chē)輛在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)穩(wěn)定性的重要方面。從橫截面上分析，在等材質(zhì)等橫截面積的情況下，圓形橫截面的長(zhǎng)桿比其他形狀的長(zhǎng)桿在抗彎性（即抗橫向彈性形變）上更為突出，所以選擇圓柱形長(zhǎng)桿作為支撐桿。而輕質(zhì)、硬度較大且彈性形變較小的支撐桿有以下四種材質(zhì)（如下表3.3所示）：

表3.3四種材質(zhì)的支撐桿對(duì)比材質(zhì)鋁桿碳纖維桿竹桿塑料桿密度（g/cm3）2.7021.5281.45-1.50.8?0.95質(zhì)量.Si一般一般輕硬度高高較高較低價(jià)格較低較高較低低導(dǎo)電性導(dǎo)電導(dǎo)電不導(dǎo)電不導(dǎo)電耐腐蝕較高高較低高耐高溫高較高較低低常見(jiàn)程度較不常見(jiàn)不常見(jiàn)較常見(jiàn)常見(jiàn)根據(jù)上表的對(duì)比情況來(lái)看，碳纖維桿最適合作為支撐桿使用，不過(guò)由于購(gòu)買(mǎi)不便我們選擇了性能與之接近的竹桿來(lái)代替。長(zhǎng)度在30cm以內(nèi)，直徑1cm以內(nèi)的竹子桿最常見(jiàn)的就是毛筆桿。我們購(gòu)買(mǎi)了兩支價(jià)格低廉的毛筆并截取中間的圓桿部分，先用鐵絲將其固定在銅柱上，然后通過(guò)螺絲固定銅柱從而使得兩支竹桿堅(jiān)固的樹(shù)立在小車(chē)的后支架上，然后又用硅膠在縫隙處加以固定，以達(dá)到更好的效果（如圖3.3.1所示）

圖3.3.圖3.3.1支撐桿的固定圖3.3.2攝像頭的固定前面已經(jīng)提到由于攝像頭視角只有約90°,在彎道上極易出現(xiàn)采集不到路面信息的情況，所以我們?cè)跀z像頭的底部加上了一個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)。為了盡量減少車(chē)頂?shù)闹亓?，我們選用了一個(gè)6g的小舵機(jī)。該舵機(jī)雖然力矩不大，但是已經(jīng)完全滿足設(shè)計(jì)需求。我們先將旋轉(zhuǎn)舵機(jī)卡在兩個(gè)垂直的支撐軸上，然后使用502膠和硅膠進(jìn)行固定。同樣，我們找到一對(duì)小鐵片，將其一端卡在旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)桿上，彎至合適的角度后另一端用螺絲將攝像頭進(jìn)行固定。為了保護(hù)和支撐攝像頭，我們?cè)跀z像頭和連接鐵片中間加了一塊兒萬(wàn)用板（如上頁(yè)圖3.3.2所示）。此外，為了防止在強(qiáng)光下攝像頭采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，我們?cè)跀z像頭前增加了一片偏振片，其工作原理如下介紹：自然界中的光沒(méi)有偏振性，所以我們把沒(méi)有偏振特性的光稱作自然光。自然光在不同介質(zhì)的界面反射后反射光中振動(dòng)方向垂直于入射面的光線所占比例上升，且振動(dòng)方向與入射面越接近垂直所占比例越大，即為部分偏振光（如圖3.3.3左）。當(dāng)入射角達(dá)到布儒斯特角時(shí)反射光為線偏振光，偏振方向垂直于入射面，反射偏振光與折射光互相垂直（如圖3.3.3右）。利用以上性質(zhì)，我們將偏振片允許通過(guò)的光線振動(dòng)方向調(diào)整為垂直偏振方向，這樣含有大量水平偏振光的反射光就會(huì)被完全濾除掉，并且光線振動(dòng)方向與水平面夾角越小的偏振光濾除的越多。所以我們?cè)诒M量不干擾其他自然光進(jìn)入攝像頭的情況下，濾除了大量的反射眩光，使得攝像頭采集數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，系統(tǒng)的抗干擾能力也有顯著的提高（如下頁(yè)圖3.3.4所示）。圖3.3.4有偏振片（左）與無(wú)偏振片（右）的效果對(duì)比測(cè)速模塊的分析與安裝測(cè)速模塊作為系統(tǒng)的速度反饋也同樣起到了至關(guān)重要的作用。速度反饋的正確與否，直接關(guān)系到車(chē)速是否達(dá)到正確值，所以測(cè)速模塊的穩(wěn)定也是系統(tǒng)整體穩(wěn)定的關(guān)鍵點(diǎn)之一。齒輪的安裝很有講究，首先是要保證齒輪的各個(gè)轉(zhuǎn)軸處于平行的狀態(tài)，稍有偏差就會(huì)增大齒輪間的阻力并發(fā)出刺耳的噪聲，導(dǎo)致齒輪磨偏。其次是在各個(gè)轉(zhuǎn)軸平行的情況下，齒輪間距要適中，因?yàn)辇X輪間距過(guò)大不僅會(huì)造成打齒的情況發(fā)生，發(fā)出很大的噪聲，同時(shí)也容易損壞齒輪；反之，齒輪間距過(guò)小會(huì)導(dǎo)致齒輪間摩擦力增大，不利于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也加速了齒輪的磨損。所以適中的齒輪間距不僅可以減小噪聲，也利于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和精確的測(cè)量與切割，我們制作了一個(gè)齒輪組，該齒輪組的一端連接小車(chē)中間差速器上的主齒輪，另一端連接測(cè)速模塊（如下圖所示）。在齒輪間涂抹一些潤(rùn)滑油后經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證該齒輪組工作正常，基本達(dá)到預(yù)期效果。圖3.4測(cè)速模塊的齒輪組5本章小結(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是車(chē)輛穩(wěn)定的基本前提，良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)讓設(shè)計(jì)者在以后硬件和軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中更加得心應(yīng)手，故有機(jī)械決定硬件、硬件決定軟件之說(shuō)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研究分析后，我們的機(jī)械部分已經(jīng)成形，基本達(dá)到了降低重心、轉(zhuǎn)向靈活、抓地力較大、整車(chē)機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定等四個(gè)目標(biāo)。為以后的硬件和軟件設(shè)計(jì)鋪平了道路，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一切不都是順利的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們就也發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，最主要也是最突出的問(wèn)題是機(jī)械和車(chē)輛方面的理論知識(shí)嚴(yán)重困乏。因?yàn)槲覀冃〗M的成員都是電子專業(yè)的學(xué)生，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和車(chē)輛原理及其調(diào)教都不是很了解。在一周的突擊學(xué)習(xí)過(guò)后，仍然存在一些理論知識(shí)模糊，理論與實(shí)際聯(lián)系不緊密等一系列的問(wèn)題，使得我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)上走了不少的彎路?？傊?，這些問(wèn)題都需要我們?cè)诮窈蟮脑O(shè)計(jì)過(guò)程中去解決。我們需要不斷的努力學(xué)習(xí)，以提高自己的知識(shí)水平和實(shí)踐能力。第四章硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)方案機(jī)械設(shè)計(jì)之后，我們對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的工作也就此展開(kāi)。我們對(duì)硬件系統(tǒng)的既定目標(biāo)是可靠、高效和簡(jiǎn)單?？煽啃允擒?chē)輛穩(wěn)定的先決條件，所以我們?cè)谟布娐吩O(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)中都充分考慮了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。始終做到該接地的地方接地，該屏蔽的地方屏蔽，該進(jìn)行模數(shù)分開(kāi)的地方就將模擬電路與數(shù)字電路分離開(kāi)等等。系統(tǒng)高效是指硬件系統(tǒng)在具有較高可靠性的基礎(chǔ)上提高硬件的性能，從而達(dá)到高效的目的。在可靠、高效、簡(jiǎn)單基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)不僅方便了硬件電路的使用與元器件的選型，也減少了一些不必要的電路，從而減少了一些不確定的因素，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，簡(jiǎn)化后的電路設(shè)計(jì)所占用的電路板面積較小、重量也較輕，既方便安裝也對(duì)整車(chē)重量的減少和車(chē)身重心的降低起到積極地推動(dòng)作用。根據(jù)這三大既定目標(biāo)，我們?cè)诜治鱿到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，科學(xué)認(rèn)真地進(jìn)行了硬件的選型和相關(guān)電路設(shè)計(jì)的工作，下面就從電源管理模塊、圖像采集模塊等八個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。電路設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)電源管理模塊電源猶如整車(chē)的心臟，是提供一切動(dòng)力的源泉。所以電源的穩(wěn)定輸出也直接關(guān)系到小車(chē)的各項(xiàng)性能。為了遵循穩(wěn)定，高效和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)宗旨，我們從各個(gè)模塊所需電壓及主要集成電路芯片的功耗分析（如下頁(yè)圖所示），以便更好的選擇適合的穩(wěn)壓芯片及其電路。電池：本次比賽B型車(chē)模使用的是7.2V2000mA可充電的銀氫電池，實(shí)際電壓從滿電時(shí)的8.0V到少電時(shí)的7.0V不等。攝像頭模塊：我們采用低電壓的攝像頭，僅需要5V電源供電，額定功率約為lOOmW,允許有少量電壓波動(dòng)，但不允許有尖峰脈沖的存在。片外AD：TLC551O采用5V供電，功耗僅21mA,但是需要較穩(wěn)定的電壓源進(jìn)行供電。電池7.2-7.8V圖系統(tǒng)供電分析S12單片機(jī)：因?yàn)镾12XS系列的單片機(jī)可以采用寬幅電壓供電，3.13?5.5V皆可，但由于其片內(nèi)AD可以采用電源電壓作為基準(zhǔn)電壓，故單片機(jī)依然需要穩(wěn)定的電源進(jìn)行強(qiáng)有力的保證。舵機(jī)：前面介紹過(guò)這款舵機(jī)不能使用過(guò)高的電壓，以免燒壞驅(qū)動(dòng)三極管和里面的高速電機(jī)，且轉(zhuǎn)向時(shí)最大額定電流為1.2A,所以選擇5V的大功率穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電。旋轉(zhuǎn)舵機(jī)：該舵機(jī)以小巧、輕便、低功耗為主要特點(diǎn)，4.8-6V供電皆可，轉(zhuǎn)向時(shí)最大額定電流300mAo測(cè)速模塊：額定電壓5-12V,電壓波動(dòng)峰峰值小于5%,額定電流小于30mA,所以選擇較為穩(wěn)定的電壓源。無(wú)線模塊：低功耗設(shè)計(jì)，額定電壓1.9-3.6V,額定電流只有12.3mA。加速度傳感器模塊：額定電壓2.2?3.6V,額定電流0.8mA。根據(jù)車(chē)輛各個(gè)模塊所需電壓分析得出，除了無(wú)線模塊和加速度傳感器模塊可以使用3.3V穩(wěn)壓芯片供電外，其余各個(gè)模塊均可使用5V穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電，且因?yàn)橹鞫鏅C(jī)功耗較大，對(duì)電壓源的輸出功率有較高要求，且對(duì)電源容易產(chǎn)生噪音，所以需要與其他模塊進(jìn)行隔離，適合單獨(dú)供電。還有為了保證單片機(jī)工作穩(wěn)定，與單片機(jī)存在輸入關(guān)系的模塊都與單片機(jī)使用同一個(gè)電壓源供電,其他模塊使用另一個(gè)電壓源供電。如此分析，需要四片穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,其中3.3V一片，5V的三片。下面對(duì)各種常見(jiàn)3.3V和5V穩(wěn)壓芯片進(jìn)行分析，尋找一款最符合穩(wěn)定、高效和簡(jiǎn)單的硬件設(shè)計(jì)宗旨的穩(wěn)壓芯片。表4.2.1常見(jiàn)3.3V、5V穩(wěn)壓芯片對(duì)比穩(wěn)壓芯片78系列LM317系列LM2575系列LM2940系列LM1117系列輸出電壓5V1.2?37V可調(diào)3.3V、5V或1.23?37V可調(diào)5V3.3V、5V或1.25?13.8V可調(diào)額定電流1A1.5A(2Amax)1A(1.5Amax)1A(2Amax)800mA(lAmax)最小壓差3V2V2V0.5VIV輸出紋波較大小小較小較小電路復(fù)雜程度低較低較高低低價(jià)格低較低較高較高較低經(jīng)過(guò)對(duì)比我們可以知道LM2940系列和LM1117系列都是低壓差的三端穩(wěn)壓芯片系列，性能穩(wěn)定且外圍電路只有兩個(gè)濾波電容，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效，最能滿足硬件設(shè)計(jì)宗旨和需求。所以我們?cè)?.3V穩(wěn)壓芯片的選擇上使用了封裝形式為SOT-223的貼片式AMS1117-33芯片，5V穩(wěn)壓芯片選擇封裝形式為T(mén)O-220的三端直插式LM2940CT-5芯片。這兩種芯片具體電路圖如下圖所示（圖左為AMS1117-33,圖右為L(zhǎng)M2940CT-5）。

5VALM1117104AGNDoilVazovillU3LM294O-5A7.2V.1：C7474V5VALM1117104AGNDoilVazovillU3LM294O-5A7.2V.1：C7474V+5QND3/VAAGND圖AMS1117電路圖和LM2940電路圖綜上所述，我們?cè)陔娫茨K的硬件電路如下：S12單片機(jī)最小系統(tǒng)、攝像頭模塊和片外AD采樣模塊共同使用一片LM2940穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電;轉(zhuǎn)向舵機(jī)獨(dú)立使用一片LM2940；測(cè)速模塊、旋轉(zhuǎn)舵機(jī)以及其他模塊則使用另一片LM2940進(jìn)行供電；加速度傳感器模塊和無(wú)線模塊使用一片AMS1117進(jìn)行供電。 圖系統(tǒng)+5V供電模塊圖像采集模塊攝像頭大體上可以分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類(lèi)，它們各具特色，各有長(zhǎng)短，下面我們將進(jìn)行詳細(xì)分析。適合智能車(chē)大賽使用的且市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的數(shù)字?jǐn)z像頭芯片有兩種,它們是OV6620和OV7620,因?yàn)楹笳呤乔罢叩纳?jí)版，所以我們以后者為例進(jìn)行下面的比較。模擬攝像頭芯片最常見(jiàn)的是OV5116,這兩類(lèi)攝像頭性能參數(shù)如下表所示，我們通過(guò)仔細(xì)研究和對(duì)比這個(gè)表格來(lái)選擇更為適合的攝像頭芯片作為圖像采集模塊的核心。表4.2.2數(shù)字?jǐn)z像頭與模擬攝像頭對(duì)比芯片型號(hào)OV7620OV5116傳感器類(lèi)型彩色CMOS黑白CMOS最大分辨率664x492384x288

感光面積4.86x3.64mm3.2x2.5mm自動(dòng)曝光速度1/30-1/157341/60-1/6000最小照度2.5Lux@fl.4(3000K)0.5Lux@fl.4(3000K)自動(dòng)增益控制Max24dBMax+18dB信噪比>48dB>46dB電源電壓5V(±5%)5V(±5%)功耗<120mW<70mW封裝形式48-pinLCC28-pinLCC輸出格式Y(jié)CrCb8/16bit模擬量輸出從上表來(lái)看，OV7620在分辨率、感光面積等性能上超過(guò)了OV5116,而后者在最小照度和芯片面積等性能上超過(guò)了前者，其他指標(biāo)相差并不是很大。性能各有優(yōu)劣，很難決定使用哪一種攝像頭芯片。所以我們同時(shí)購(gòu)買(mǎi)了兩種攝像頭模塊（如下圖4.2.2所示），并在實(shí)踐中檢驗(yàn)?zāi)囊环N更穩(wěn)定、效果更好。圖4.2.2數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620與模擬攝像頭OV5116在實(shí)踐過(guò)程中，我們逐漸發(fā)現(xiàn)了兩種攝像頭的差別：第一，數(shù)字?jǐn)z像頭為8位灰度信號(hào)直接輸出，不需要片外AD轉(zhuǎn)換就可以直接連接單片機(jī)進(jìn)行處理，電路簡(jiǎn)單方便。而模擬攝像頭需要AD轉(zhuǎn)換芯片和視頻同步分離芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)進(jìn)行處理，電路較為復(fù)雜。從這一點(diǎn)來(lái)看數(shù)字?jǐn)z像頭更能滿足簡(jiǎn)單的硬件設(shè)計(jì)宗旨。第二，數(shù)字?jǐn)z像頭的分辨率較高，而模擬攝像頭分辨率較低，但由于S12XS單片機(jī)總線頻率的局限，兩者橫向最大采集分辨率只有200像素點(diǎn)左右，差異不大。第三，數(shù)字?jǐn)z像頭的自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、對(duì)比度及白平衡的效果不是特別理想，尤其是在強(qiáng)光照射下，很難采集到黑線的數(shù)據(jù)，所以必須根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)設(shè)置亮度、對(duì)比度及白平衡效果。而模擬攝像頭在這些方面表現(xiàn)都比較良好，在強(qiáng)光和弱光環(huán)境下均可正常的采集到賽道的數(shù)據(jù)。這一點(diǎn)說(shuō)明模擬攝像頭在適應(yīng)環(huán)境光的方面強(qiáng)于數(shù)字?jǐn)z像頭。第四，數(shù)字?jǐn)z像頭在高速動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)賽道數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性上比模擬攝像頭稍差一些，這一點(diǎn)說(shuō)明模擬攝像頭在動(dòng)態(tài)環(huán)境下性能略優(yōu)于數(shù)字?jǐn)z像頭。總體來(lái)看，雖然數(shù)字?jǐn)z像頭接口電路簡(jiǎn)單方便，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但是其適應(yīng)性和抗干擾性方面不如模擬攝像頭。綜合考慮穩(wěn)定、高效、簡(jiǎn)單這三大設(shè)計(jì)宗旨，我們最終選擇穩(wěn)定性更強(qiáng)的模擬攝像頭作為圖像采集的核心模塊。圖像處理模塊既然選擇了模擬攝像頭作為圖像采集的核心，那么就需要對(duì)模擬攝像頭的輸出信號(hào)進(jìn)行視頻同步信號(hào)的分離和AD轉(zhuǎn)換，常用的視頻同步分離芯片是LM1881o它可以從視頻信號(hào)中分離出行同步信號(hào)，場(chǎng)同步信號(hào)，色同步信號(hào)和奇偶場(chǎng)識(shí)別信號(hào)。電路圖如下：圖LM1881電路圖

由于S12XS單片機(jī)內(nèi)部?jī)?nèi)置了最高12位的16通道AD轉(zhuǎn)換器，下面我們將它與常用的視頻轉(zhuǎn)換芯片TLC5510進(jìn)行對(duì)比，以選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式。表4.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換方式對(duì)比AD轉(zhuǎn)換芯片S12XS內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器TLC5510轉(zhuǎn)換精度12bit8bit最大轉(zhuǎn)換速率<0.5M20M每行最大采集像素?cái)?shù)54>200功耗——128mW電路復(fù)雜程度無(wú)高在比賽前期的準(zhǔn)備過(guò)程中，我們使用的是片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，雖然轉(zhuǎn)換速率不高，但已經(jīng)完全滿足了當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)需求。每行采集54個(gè)像素點(diǎn)，共采集32行數(shù)據(jù)。在直道中，近端黑線寬度約為5個(gè)像素點(diǎn)，遠(yuǎn)端黑線寬度為1?2個(gè)像素點(diǎn)，前瞻達(dá)到60cm。車(chē)輛可以平穩(wěn)順利的在直道、彎道、大小S彎中行駛。但是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入，車(chē)速的不斷增加，我們逐漸感覺(jué)到賽道分辨率較低已經(jīng)成為了限制車(chē)輛繼續(xù)發(fā)展的瓶頸，所以我們果斷更換了AD轉(zhuǎn)換芯片，由這一改進(jìn)不僅使我們突破了賽道分辨率圖片外AD轉(zhuǎn)換模塊片內(nèi)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)為片外專用視頻芯片轉(zhuǎn)換。較低的瓶頸限制，也為以后算法的改進(jìn)提供了極大的幫助。最后我們使用視頻專用高速AD轉(zhuǎn)換芯片TLC5510進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（如右圖所示），每行能夠采集80個(gè)像素點(diǎn)，共采集54行賽道數(shù)據(jù)。在直道中，近端黑線寬度為7?9個(gè)像素點(diǎn)，遠(yuǎn)端黑線寬度為2?3個(gè)像素點(diǎn)，前瞻達(dá)到近這一改進(jìn)不僅使我們突破了賽道分辨率圖片外AD轉(zhuǎn)換模塊圖片外AD轉(zhuǎn)換電路圖DGNDDGNDREFBREFBS214GNUAGNDAGNDANALOGINAGNDVDDA104REFTREFTSC8DGNDC12VDDDTLC55IODONDDGNDVDDADVDDVDDDVDDA2018VD317C4圖片外AD轉(zhuǎn)換電路圖DGNDDGNDREFBREFBS214GNUAGNDAGNDANALOGINAGNDVDDA104REFTREFTSC8DGNDC12VDDDTLC55IODONDDGNDVDDADVDDVDDDVDDA2018VD317C41，VD214VP】13DVDD2.4核心控制模塊S12XS單片機(jī)最小系統(tǒng)板是整車(chē)的大腦和靈魂，它收集并處理所有賽道信息，并發(fā)出指令以指導(dǎo)車(chē)輛正確的轉(zhuǎn)向與加速減速。它的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整輛車(chē)是否處于正確的工作狀態(tài)，所以我們采用購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成模塊的方法，來(lái)確保最小系統(tǒng)的穩(wěn)定。統(tǒng)統(tǒng)板與清華最小系統(tǒng)板左圖所示為龍丘智能公司設(shè)計(jì)的MC9S12XS128MAA單片機(jī)最小系統(tǒng)板,

該板性能較為穩(wěn)定，總線頻率可以穩(wěn)定達(dá)到88MHz,而清華大學(xué)出品的綠色主板總線頻率可以穩(wěn)定達(dá)到96MHz,論穩(wěn)定程度龍丘主板略遜于清華主板。但其優(yōu)點(diǎn)是PCB板面積僅為清華的綠色主板面積的78.6%,且質(zhì)量略輕。為了遵循高效、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原則，我們最終忍痛割?lèi)?ài)，選擇了龍丘主板。但由于清華主板的總線頻率可以超頻至96MHz穩(wěn)定工作，我們選擇了它作為手持式無(wú)線調(diào)試機(jī)的核心主板（如右圖所示）。在高速的總線頻率工作下，手持調(diào)試機(jī)的顯示刷新頻率也提高很多，無(wú)線模塊工作也更為穩(wěn)定。4.2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為電機(jī)提供強(qiáng)大的輸出功率，其性能指標(biāo)主要有最大驅(qū)動(dòng)電流、輸出等效阻抗、最大工作頻率等等。常見(jiàn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有兩種，MC33886與BTS7960,它們兩者的性能對(duì)比如下表所示。根據(jù)這個(gè)表格分析，我們可以輕易的得出初步結(jié)論。表4.2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片參數(shù)對(duì)比驅(qū)動(dòng)芯片MC33886（4片并聯(lián)）BTS7960（2片全橋）輸出等效阻抗120/4=30mfi7+9=16mQ驅(qū)動(dòng)能力20A43A最大工作頻率10kHz25kHz電路復(fù)雜程度較高（如圖）較低（如圖）^pkiFGND210AGNDDNCDNC19PWM1N2WM1N2PWM041PWMWMOTJ10.PWM[NlJ：l：l72V,J1；PWMMC33￡&6cMC36DOUT!OUTIDNCPONDPGND,：IJ9PWMIN2INIV*V*otmovriDNCPONDPGNDAGNDOUTIOUT1DNCPGNDPONDOUT2OUT2^pkiFGND210AGNDDNCDNC19PWM1N2WM1N2PWM041PWMWMOTJ10.PWM[NlJ：l：l72V,J1；PWMMC33￡&6cMC36DOUT!OUTIDNCPONDPGND,：IJ9PWMIN2INIV*V*otmovriDNCPONDPGNDAGNDOUTIOUT1DNCPGNDPONDOUT2OUT2PGNDPONDOUTIOUTIDNCPONDPONDOUT2

OUT2UIPGNDPONDMCJ6BC100UT2PONDPGNDovnOUT2nPONDPGND圖MC33886電路圖圖BTS7960電路圖分析上表和兩張電路圖后我們可以得出以下結(jié)論：第一，由于單片MC33886內(nèi)阻過(guò)大，驅(qū)動(dòng)能力稍顯不足，不能滿足系統(tǒng)快速提升速度和穩(wěn)定運(yùn)行的要求，而四片并聯(lián)雖可解決驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題，但是對(duì)于電路設(shè)計(jì)及焊接精度要求較高。因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)的對(duì)稱性不好會(huì)造成某一塊驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)載過(guò)重、發(fā)熱量過(guò)大等問(wèn)題，從而導(dǎo)致降低整體驅(qū)動(dòng)能力下降。第二，由于MC33886需要4片并聯(lián)，所以PCB板的面積和重量也會(huì)相應(yīng)增大，違背了穩(wěn)定、高效、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)理念。綜上分析，我們決定采用2片BTS7960組成的全橋驅(qū)動(dòng)來(lái)作為電機(jī)的動(dòng)力來(lái)源。首先為了保護(hù)單片機(jī)，防止高電壓擊穿或高電流流過(guò)單片機(jī)并造成單片機(jī)的燒毀，我們?cè)O(shè)計(jì)了電壓隔離電路（如圖所示）；其次，我們充分利

用該款芯片的睡眠功能進(jìn)行無(wú)剎車(chē)制動(dòng)，簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)；然后，我們利用U6Eitof2out21A1 1Y11A2 1Y21A3 1Y31A4 1Y42Al 2Y12A2 2Y22A3 2Y32A4 2Y418ErrorsUiEiiorout416Enor]iiu14^\1,8_120APWM[1iiill9PWM1OUPWM2ii)137PWKI2OUSleepui155Sleepout3/\1ADGND1DGND19o一二1G GND2G VCC10DGND205VEClII74LS244II該款芯片的過(guò)載報(bào)警的功能，避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)造成的不必要的發(fā)熱和電量損失;最后，我們?cè)O(shè)計(jì)了行駛方向指示燈，這樣我們就可以在不連接電機(jī)的情況下知道車(chē)輛的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并根據(jù)指示燈的明暗變化知道電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率的大小，這種設(shè)計(jì)在調(diào)試電機(jī)的過(guò)程中既十分方便也很安全。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，我們也制作了一個(gè)4片MC33886并聯(lián)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板并與BTS7960的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：第一，后者100%占空比的空載轉(zhuǎn)速為4.3m/s,前者僅為3.7m/s,這一點(diǎn)證明了芯片BTS7960的最大輸出電流大于芯片MC33886的最大輸出電流；第二，后者50%占空比的空載轉(zhuǎn)速上比前者高出約15%,并且在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)后者的發(fā)熱量明顯小于前者，這兩點(diǎn)都證明了芯片BTS7960的輸出阻抗要略小于芯片MC33886的輸出阻抗。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論分析基本吻合，所以判定BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（如圖所示）的性能要全面優(yōu)于MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。圖BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2.6測(cè)速模塊常見(jiàn)的測(cè)速模塊有兩種：第一，使用編碼盤(pán)和光電對(duì)管進(jìn)行測(cè)速（如圖）o其工作原理如下圖，由均勻鏤空的圓盤(pán)構(gòu)成編碼盤(pán)，當(dāng)編碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)光電接收管時(shí)而能夠接收到發(fā)射管發(fā)射的光，時(shí)而接收不到，故產(chǎn)生不同的電阻特性，再經(jīng)過(guò)模擬電路的轉(zhuǎn)換和放大后，產(chǎn)生一定頻率的方波信號(hào)供單片機(jī)采集。光敏傳感器圖光電對(duì)管測(cè)速原理第二，使用帶有被動(dòng)輪的測(cè)速電機(jī)進(jìn)行測(cè)速（如圖）o其工作原電壓信號(hào) 數(shù)字信號(hào)力西力回丘.流諉［速⑨機(jī)］理如下圖所示，被動(dòng)輪帶動(dòng)直流測(cè)速電機(jī)產(chǎn)生一定的電壓，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入S12單片機(jī)中進(jìn)行處理。圖測(cè)速電機(jī)測(cè)速原理仔細(xì)分析這兩種測(cè)速方法可知：第一種方法的硬件電路較為簡(jiǎn)單，測(cè)速精度取決于編碼盤(pán)的光柵數(shù)；第二種方法的硬件電路較為復(fù)雜，需要外置AD轉(zhuǎn)換芯片，不過(guò)因?yàn)镾12單片機(jī)內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換功能，所以省去了硬件電路的設(shè)計(jì)，隨著車(chē)速的加快，測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，其輸出電壓也會(huì)不斷增高，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)字信號(hào)數(shù)值也會(huì)增加，但是這種方法最大的缺點(diǎn)在于當(dāng)測(cè)速電機(jī)工作時(shí)間久了會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，當(dāng)測(cè)速電機(jī)溫度升高的時(shí)候，其輸出電壓會(huì)因?yàn)槠鋬?nèi)阻上升而略微降低，線性度會(huì)大打折扣。圖歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)試過(guò)程中，第一種方法也會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題：一個(gè)是在編碼盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，導(dǎo)致輸出波形不穩(wěn)定；另一個(gè)是如果環(huán)境較臟，編碼盤(pán)的鏤空光柵會(huì)進(jìn)入灰塵，影響測(cè)速的精確度。但是，如果使用工業(yè)級(jí)別的光電旋轉(zhuǎn)編碼器就可以解決以上兩個(gè)問(wèn)題，它們采用內(nèi)封閉技術(shù)制作，編碼盤(pán)分辨率較高，軸向摩擦力較小，性能比較穩(wěn)定。最后我們選擇了歐姆龍圖歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器2.6.3所示），其性能參數(shù)如下表所示：表4.2.6光電旋轉(zhuǎn)編碼器性能表型號(hào)E6A2-CWZ3C電源電壓DC5V-12V紋波的峰峰值小于5%消耗電流30mA以下分辨率500脈沖/轉(zhuǎn)輸出相A、B、Z三相輸出狀態(tài)集電極開(kāi)路輸出

最高輸出響應(yīng)42kHz輸出上升或下降時(shí)間lus以下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩ImNm以下軸允許力徑向10N,軸向5N允許最高轉(zhuǎn)速5000r/min直徑25mm質(zhì)量35g由表分析可知除了最高轉(zhuǎn)速較低以外，其他性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)需求。為了準(zhǔn)確得知編碼器實(shí)際最高輸出響應(yīng)數(shù)值，我們做了極限實(shí)驗(yàn)并得出以下結(jié)論:當(dāng)小車(chē)在占空比為100%的情況下無(wú)負(fù)載空轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量出方波輸出頻率為121kHz,計(jì)算得出當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速已達(dá)到14520r/min,兩項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其設(shè)計(jì)指標(biāo)，但是輸出波形上升沿依然穩(wěn)定，下降沿出現(xiàn)了一定的變形，不過(guò)依然可以被單片機(jī)采集到信號(hào)，所以我們判定該光電旋轉(zhuǎn)編碼器可以在正常車(chē)速的情況下穩(wěn)定工作。另外，由于該型號(hào)的編碼器使用集電極開(kāi)路輸出，所以我們需要在信號(hào)輸出端接入一個(gè)上拉電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)供單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，具體電路圖如左圖所示。圖光電編碼器電路4.2.7加速度傳感器模塊加速度傳感器芯片MMA7260QT是飛思卡爾公司推出的一款微型低成本電容式加速度傳感器，它采用零加速度矯正、溫度補(bǔ)償和低通濾波技術(shù)，并且提供1個(gè)休眠模式和4個(gè)可選量程，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需求。為了更好的使用該傳感器，我們根據(jù)理論分析選擇適合的量程：其一，智能小車(chē)能在正常行駛中可以在0.5s內(nèi)從零加速至2.5m/s,故根據(jù)加速度公式得出直線加速度為5m/s2圖加速度傳感器(0.51g)；其二，小車(chē)在以2m/s的線速度進(jìn)行50cm半徑轉(zhuǎn)向的情況下產(chǎn)生的向心加速度為10m/s2(1.02g)；其三，小車(chē)在以1.6m/s的線速度進(jìn)入約15。的上坡時(shí)產(chǎn)生的加速度為4.5m/s2加上重力加速度后為14.3m/s2(1.46g),故選擇14.7m/s2(1.5g)模式即能夠滿足設(shè)計(jì)需求。在電路板設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，我們將加速度傳感器安裝在整車(chē)幾何中心處，這樣它能夠更好的感知車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)，為系統(tǒng)提供正確的反饋信息，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.2.8按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)模塊按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)(如下圖)在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程和策略制定上中起到十分重要的作用：首先，它可以減少系統(tǒng)調(diào)試中頻繁下載程序的麻煩；再者，在不同環(huán)境下小車(chē)的某些性能指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，比如說(shuō)電池電量的不同就會(huì)影響舵機(jī)中間值和電機(jī)初始轉(zhuǎn)速等等，這樣我們就需要對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整以保證小車(chē)的穩(wěn)定。

圖按鍵與撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)際電路按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)模塊電路十分簡(jiǎn)單，但是應(yīng)注意的是由于單片機(jī)某些引腳不支持內(nèi)部上拉電阻，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意增加上拉電阻。6MsIMS圖按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)電路S14SWDIP-86MsIMS圖按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)電路S14SWDIP-8輔助調(diào)試電路智能小車(chē)的輔助調(diào)試電路主要是服務(wù)于無(wú)線發(fā)射模塊，在調(diào)試過(guò)程中，無(wú)線模塊將賽道圖像和車(chē)輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至手持調(diào)試機(jī)上，供我們進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)試。無(wú)線模塊的選型上我們選擇了龍丘科技公司設(shè)計(jì)的nRF24L01無(wú)線發(fā)射模塊，該模塊功耗較低，最高工作頻率為2Mbps,經(jīng)過(guò)GFSK調(diào)制過(guò)后抗干擾能力較強(qiáng)，配外置天線后傳輸距離約50m,其技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求，1NCGNDIR MI101NCGNDIR MI10AGNDIRMO29NflM2M(4438SCM5CSM34CS CENCVCC7CEMl/563.3VR/S12NRF24L01圖4.3.1無(wú)線模塊及其接口電路并且可以與S12XS單片機(jī)直接相連。nRF24L01無(wú)線發(fā)射模塊的及其接口電路如上頁(yè)圖所示。本章小結(jié)本著穩(wěn)定、高效、簡(jiǎn)單的硬件電路設(shè)計(jì)理念，我們完成了硬件電路的設(shè)計(jì),并在繪制PCB電路板的過(guò)程中，根據(jù)實(shí)踐中遇到的問(wèn)題將PCB板進(jìn)行了如下改進(jìn)：第一，將模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)隔開(kāi)以避免數(shù)字高頻信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾;第二，盡量縮短模擬信號(hào)線以避免干擾；第三，對(duì)電路板的正反兩面進(jìn)行全面鋪地，以增加其抗干擾性；第四，使用額定電流較大的波動(dòng)開(kāi)關(guān)作為主電源開(kāi)關(guān)，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為整個(gè)電路板提供安全穩(wěn)定的電源支持；第五，對(duì)主電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)布線進(jìn)行加粗處理，以減少導(dǎo)線內(nèi)阻，從而避免導(dǎo)線過(guò)度發(fā)熱甚至電路板燒毀；第六，增加調(diào)試指示燈，以方便檢測(cè)和調(diào)試。系統(tǒng)主電路板如下圖4.4所示，電路原理圖詳見(jiàn)附錄Bo圖4.4系統(tǒng)主電路板第五章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)方案在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)軟件設(shè)計(jì)也在有條不紊的展開(kāi)，軟件系統(tǒng)的既定目標(biāo)同樣是可靠、高效和簡(jiǎn)單。在這個(gè)目標(biāo)的指導(dǎo)下，我們?cè)诔绦蛄鞒讨刑砑尤哂嗖糠忠栽鰪?qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并把復(fù)雜耗時(shí)的算法上進(jìn)行綜合簡(jiǎn)化以達(dá)到簡(jiǎn)單、高效的目的。軟件系統(tǒng)的詳細(xì)流程圖如下：圖5.1軟件系統(tǒng)流程圖保持原狀態(tài)其他任務(wù)系統(tǒng)初始化圖5.1軟件系統(tǒng)流程圖保持原狀態(tài)其他任務(wù)系統(tǒng)初始化撥檢數(shù)與關(guān)參鍵開(kāi)和定按碼測(cè)設(shè)首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接下來(lái)檢測(cè)參數(shù)設(shè)定使能有沒(méi)有打開(kāi)，如果打開(kāi)則進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定程序，如果沒(méi)有則等待場(chǎng)中斷觸發(fā)后直接進(jìn)入圖像采集程序。接下來(lái)檢測(cè)這一場(chǎng)圖像是否采集完畢，如果沒(méi)有完成則等待行中斷繼續(xù)進(jìn)行圖像采集，如果完成則依次進(jìn)入圖像去噪、黑線提取程序。之后判斷是否檢測(cè)到起止線，如果檢測(cè)到則進(jìn)入停車(chē)程序，沒(méi)有檢測(cè)到則判斷小車(chē)當(dāng)前是否穩(wěn)定（即采集圖像是否滿足控制算法限制條件），如果穩(wěn)定則進(jìn)入控制算法程序和舵機(jī)電機(jī)控制程序，否則保持原來(lái)的狀態(tài)，以保證嚴(yán)重偏離賽道過(guò)后還能正常的行駛，直至找到正確的賽道信息。最后把進(jìn)入無(wú)線發(fā)射程序，將賽道數(shù)據(jù)和車(chē)輛信息發(fā)送至手持調(diào)試機(jī)中。由于系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，我們根據(jù)攝像頭數(shù)據(jù)采集與舵機(jī)、電機(jī)控制的關(guān)系分別構(gòu)想出兩種控制策略：其中舵機(jī)采用增量式PD算法進(jìn)行控制，利用攝像頭進(jìn)行反饋；電機(jī)采用位置式PID算法進(jìn)行控制，利用光電編碼器進(jìn)行反饋。從而構(gòu)成了控制策略的基本框架，詳細(xì)情況將在后面章節(jié)進(jìn)行介紹。圖像采集、處理與路徑識(shí)別前面已經(jīng)分析過(guò)，攝像頭采集的賽道數(shù)據(jù)能否被單片機(jī)正確的識(shí)別決定了小車(chē)能否正常工作，那么系統(tǒng)軟件的根基就是圖像采集、處理及路徑識(shí)別部分。它就像大樹(shù)的根一樣，扎得越深根基就越牢固，系統(tǒng)才能枝繁葉茂，經(jīng)得起任何風(fēng)吹雨打。下面我們就來(lái)一步步的建立起系統(tǒng)的根基。圖像采集與預(yù)處理賽道的圖像信息經(jīng)過(guò)模擬攝像頭、視頻同步分離電路和片外AD采樣電路處理過(guò)后生成了3種數(shù)字信號(hào)為單片機(jī)提供輸入，它們分別是：場(chǎng)掃描信號(hào)，行掃描信號(hào)和8bit的賽道信息。我們使用S12XS單片機(jī)的T口進(jìn)行場(chǎng)掃描信號(hào)和行掃描信號(hào)的輸入捕捉，使用普通I/O口的A口進(jìn)行8bit的賽道信息采集。前文已經(jīng)分析過(guò)，為了得到足夠的賽道信息，我們采用80X52的圖像矩陣作為賽道數(shù)據(jù)的來(lái)源（也就是說(shuō)我們需要從312.5個(gè)有效行信息中采集52圖圖像梯形失真示意個(gè)作為圖像的行，并且每一行采集80個(gè)像素點(diǎn)作為圖像的列），但是由于攝像頭與地面存在一定的傾斜角度，造成攝像頭看的越遠(yuǎn)視野范圍就越寬，所以這個(gè)圖像矩陣存在著梯形失真的問(wèn)題（如上頁(yè)圖所示）?！疤菪问д妗睅?lái)的第一個(gè)問(wèn)題就是圖像遠(yuǎn)端的行分辨率較低，在圖像行信息間隔采樣的過(guò)程中就容易出現(xiàn)視野的盲區(qū)，并且在彎道處采集的賽道信息量過(guò)少，賽道黑線斜率計(jì)算不便等情況。第二個(gè)問(wèn)題是由于遠(yuǎn)端視野過(guò)寬，攝像頭會(huì)采集到賽道外的信息，會(huì)對(duì)攝像頭識(shí)別賽道黑線信息造成干擾（如圖所示）。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，我們使用了非等間距采樣和濾波去噪的方法。圖預(yù)處理后的賽道圖像信息首先介紹一下第一種方法——非等間距采樣法，這種方法針對(duì)解決因?yàn)橘惖缊D像梯形失真而造成行等間距采樣出現(xiàn)攝像頭遠(yuǎn)近端信息量不均衡的問(wèn)題而設(shè)計(jì)，它是行等間距采樣的改良方法。假設(shè)我們從312.5個(gè)有效行中的第10行開(kāi)始進(jìn)行間隔距離為5的等間距采樣，計(jì)算后得知52次采樣后我們得到了第10、15、20 255、260、265行的圖像信息（如圖表5.2.1中紅線所示），這樣就造成了近端分辨率較高而遠(yuǎn)端分辨率較低的情況發(fā)生。如果我們將間隔距離由定值變成減函數(shù)，那么這個(gè)問(wèn)題就會(huì)得到一定程度的緩解。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量和數(shù)據(jù)的二次擬合，我們得到了二次函數(shù)（X?-152X+5851）/557,但是為了簡(jiǎn)化計(jì)算并提高單片機(jī)工作效率，我們將二次函數(shù)進(jìn)行了修正，修正后的二次函數(shù)表達(dá)式為（x2-140x+5400）/512,那么我們同樣假設(shè)從第10行開(kāi)始進(jìn)行間隔距離為（x2-140x+5400）/512的非等間距采樣（x為已經(jīng)采集過(guò)的次數(shù)），計(jì)算后得知52次采樣過(guò)后我們得到了第10、20、30……247、248、249行的圖

像信息（如圖表5.2.1中藍(lán)線所示），由此可知該算法使得圖像遠(yuǎn)端的分辨率有所提高，梯形失真的影響有所降低。圖表5.2.1行提取算法對(duì)比通過(guò)實(shí)踐對(duì)比我們也可以明顯感覺(jué)到非等間距采樣算法在處理彎道數(shù)據(jù)時(shí)由于具有較高的前瞻性，在大小S彎的識(shí)別上體現(xiàn)得較為突出。然后介紹一下濾波去噪算法，這個(gè)算法的基本流程如下。首先為了防止邊界對(duì)程序連續(xù)性判斷的干擾，我們將邊界全部進(jìn)行抹白處理，然后開(kāi)始掃描行上的像素點(diǎn)并判斷是否連續(xù)，若連續(xù)則繼續(xù)掃描下一個(gè)像素點(diǎn)，不連續(xù)則抹白，最后同理掃描列上的像素點(diǎn)并判斷是否連續(xù)，若連續(xù)則繼續(xù)掃描下一行的該列像素點(diǎn)，反之則抹白（如圖所示）。為以后的黑線提取算法作好鋪墊。圖行列濾波去噪程序流程圖

賽道黑線提取算法由于濾波算法并不能完全去除賽道兩側(cè)的干擾，并且在圖像近端和遠(yuǎn)端的黑線寬度不一，不利于斜率的計(jì)算，所以我們想到了用黑線提取算法解決這個(gè)問(wèn)題。黑線提取算法顧名思義是將圖像中的賽道中心黑線提取出來(lái)的一種算法,該算法基本流程如下（圖5.2.2）?首先，因?yàn)閳D像近端不易采集到賽道外的圖像，且黑線寬度較大、清晰分明、出錯(cuò)概率極小，所以先固定提取前兩行的黑線中心，如果采集不到正確的黑線數(shù)據(jù)則丟棄該幅圖像并使舵機(jī)保持原值、電機(jī)降速然后直接進(jìn)行下一幅圖像的掃描。如果采集到正確的黑線信息則繼續(xù)前兩行黑線提行黑度

該索寬

在搜線\數(shù)＞3?」否矯正取前兩行黑線提行黑度

該索寬

在搜線\數(shù)＞3?」否矯正取圖黑線提取算法流程圖從下一行進(jìn)行掃描，如果遇到黑點(diǎn)則繼續(xù)下一個(gè)像素點(diǎn)的判斷，直至檢測(cè)到白點(diǎn)后判斷該黑線的寬度，若在門(mén)限值范圍內(nèi)則判斷黑線中心是否與前一行的黑線中心連續(xù)，如果連續(xù)則繼續(xù)進(jìn)行下一行的提取，反之則繼續(xù)在白點(diǎn)之后繼續(xù)掃描。若該行沒(méi)有出現(xiàn)符合這一標(biāo)準(zhǔn)的黑線，那么將前一行的黑線中心值賦給該行以作矯正。假設(shè)連續(xù)矯正次數(shù)達(dá)到3次，則判斷第一個(gè)矯正行的前一行為斷點(diǎn)行，并記錄斷點(diǎn)值，以作后用。

經(jīng)過(guò)黑線提取后的賽道圖如下所示（以下截圖來(lái)自手持式無(wú)線調(diào)試機(jī)）：直線：左彎:右彎:圖黑線提取后賽道圖路徑識(shí)別與曲率的計(jì)算圖像處理結(jié)束后，就要對(duì)圖像進(jìn)行斜率計(jì)算。有了前面程序堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，我們對(duì)圖像的斜率計(jì)算便有了更準(zhǔn)確保證。為了矯正梯形失真所帶來(lái)的遠(yuǎn)端圖像較窄近端圖像較寬的問(wèn)題，我們采取在以第1行中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)中分段求斜率的方法，選擇第1、9、17、25、33、41、48行作為劃分各段的界線，把原有圖像分為6段。接下來(lái)求出各段圖像中黑線的斜率，然后各段斜率再乘以各自的系數(shù)相加后求平均值即得到總斜率。這種算法不僅解決了圖像失真的問(wèn)題，還可以通過(guò)調(diào)整各段斜率的權(quán)重來(lái)改變小車(chē)的入彎出彎姿態(tài)，可謂一舉兩得。(部分程序代碼如下圖所示，因?yàn)閿?shù)組調(diào)用上使用指針，所以行數(shù)均進(jìn)行了減一運(yùn)算)ucharhangl=8；ucharhang2M16；ucharhang3?24；ucharhang4=32;ucharhan^5=40；ucharhang6=47；floatsiopel=((*(row_mid_black)-*(row-mid_black*hangl))?coufficientl)；〃計(jì)算的斜率floatslope2=((*(row_mid_black*hangl)-e(row_mid_black*hang2))?coefficient2)；floatslope3=((?(row_mid_black*hang2)->(row_mid_black*hang3))?coefficients)；floatslope4=((?(row_mid_black*hang3)->(row_mid_black+hang4))?coefficient4)；floatslope5=((?(row_mid_black*hang4)->(row_mid_black*hang5))?coefficients)；floatslope6=((*(row_mid_black*hang5)->(row_mid_black*hang6))?coefficients)；pwm_LR=mid_black*(*(row_mid_black)-*(row_mid_black*hangl))*1.4*(*(row_mid.blai"pwm_LR<LLFZ)〃大左拐middle?middlell;|nini_plus=2;steer_plus?(((middle-e(rLR?1;圖5.2.3斜率計(jì)算及路徑識(shí)別程序部分代碼我們根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況中計(jì)算出總斜率的數(shù)值，將路徑識(shí)別為5種情況：直線、大左彎、大右彎、小左彎和小右彎。然后根據(jù)