基于攝像頭的尋跡小車設(shè)計(jì).doc

沈 陽 工 程 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 基于攝像頭的尋跡小車設(shè)計(jì)系 部： 自動(dòng)控制工程系 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名： 陳華鑫 指導(dǎo)教師： 祝尚臻 開題時(shí)間： 2010年 4 月 6 日一、總體說明在開題報(bào)告中要求給出你對課題的理解，類似的研究在國內(nèi)外的進(jìn)展情況，你對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步設(shè)想，主要需要解決的技術(shù)難題和解決思路，同時(shí)應(yīng)給出課題的時(shí)間安排。二、開題報(bào)告內(nèi)容1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題的目的、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2課題主要工作（設(shè)計(jì)思想、擬采用的方法及手段）3完成課題的實(shí)驗(yàn)條件、預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)過程中可能遇到的問題以及解決的方法和措施4 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）實(shí)施計(jì)劃(進(jìn)度安排)5 參考文獻(xiàn)三、撰寫要求1報(bào)告字?jǐn)?shù)不少于3000字2報(bào)告內(nèi)容一律用A4紙打印3. 上交時(shí)間為畢業(yè)設(shè)計(jì)第三周周末。一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題的意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(可加附頁)1.1 研究背景1.1.1 智能車的發(fā)展歷史1953 年，美國Barrett Electric 公司制造了世界上第1 臺采用埋線電磁感應(yīng)方式跟蹤路徑的自動(dòng)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(dòng)導(dǎo)向車主要用于自動(dòng)化倉貯系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)的物料運(yùn)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得多樣化，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 被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。單元式AGV主要用于短距離的物料運(yùn)輸并與自動(dòng)化程度較高的加工設(shè)備組成柔性生產(chǎn)線。例如，自動(dòng)導(dǎo)向叉車用于倉貯貨物的自動(dòng)裝卸和搬運(yùn)；小型載貨式AGV 用于辦公室信件的自動(dòng)分發(fā)和電子行業(yè)的裝配平臺。除此以外，AGV 還用于搬運(yùn)體積和重量都很大的物品，尤其是在汽車制造過程中用多個(gè)載貨平臺式AGV 組成移動(dòng)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。下表是19931997 年AGV 在國外各個(gè)行業(yè)的銷售情況。年份1993 1994199519961997汽車制造27.2 27.628.128.629.1航空國防10.6 9.99.28.57.9電子行業(yè)12.112.312.512.612.8服務(wù)行業(yè)20.721.021.321.622工程機(jī)械8.78.68.68.68.6其 他20.720.620.320.119.61.1.2 應(yīng)用前景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高交通資源利用效率，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(shí)科學(xué)發(fā)展觀和建設(shè)節(jié)約型社會(huì)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(diǎn)是空間利用率和能源利用率較高。然而，由于缺乏足夠的時(shí)間、空間、運(yùn)力靈活性，在客流量不足的情況下，系統(tǒng)效率將大大降低，運(yùn)營成本過高，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(shí)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(dòng)駕駛技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的自適應(yīng)巡航并把車開得又快又穩(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(xiǎn)、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(yùn)輸、消防滅火等任務(wù)。在普通家庭轎車消費(fèi)中，智能車的研發(fā)也是很有價(jià)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(huì)自動(dòng)探測前方的障礙物，電腦會(huì)控制車輛自動(dòng)停下來，撞車就不會(huì)發(fā)生了。1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，道路的通行能力、交通的安全性、能源的損耗、環(huán)境污染等問題越來越突出。這些問題的解決引發(fā)了新的研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，比如自動(dòng)車輛駕駛，以及最近提出的完整的方案 - 智能交通系統(tǒng)（ ITS ： Intelligent Transportation System ）將車輛、駕駛員和道路等基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)的結(jié)合在一起，從而可以通過計(jì)算機(jī)控制、人工智能和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)更好的通行能力和更安全的交通。 繁重的駕駛工作和駕駛?cè)藛T的疲勞是交通事故頻發(fā)的重要原因。車輛在交通擁擠的市區(qū)行使駕駛?cè)藛T必須完成大量的換檔和踩離合器的工作，大約在每分鐘完成 20 30 個(gè)手腳協(xié)調(diào)動(dòng)作。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車輛擁有量的增加，非職業(yè)駕駛?cè)藛T的人數(shù)增多，導(dǎo)致交通事故頻繁發(fā)生，交通事故已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的第一公害。交通問題已經(jīng)成為全球范圍令人困擾的嚴(yán)重問題，因此，如何提高交通安全性已經(jīng)成為急需解決的社會(huì)性問題。道路偏離系統(tǒng)、疲勞檢測系統(tǒng)、自動(dòng)巡航控制等都可以大大減輕駕駛?cè)藛T的駕駛工作，提高交通系統(tǒng)的安全性。智能車輛的研究可以大大促進(jìn)其它學(xué)科的迅猛發(fā)展。美國的火星機(jī)器車對于探測火星，以及火星以外的茫茫宇宙具有不可替代的作用。中國政府于 2000 年 11 月發(fā)表的中國航天白皮書中提到，在未來的十年中，“開展以月球探測為主的深空探測的預(yù)先研究”，或者說 2010 年實(shí)現(xiàn)登月是一個(gè)明確的目標(biāo)，因此空間移動(dòng)機(jī)器車將是其中重要的組成部分，對于人類探測月球，開發(fā)和利用月球起到巨大的推動(dòng)作用。二、課題預(yù)期目標(biāo)及主要工作（設(shè)計(jì)思想、擬采用的方法及手段）2.1 控制系統(tǒng)簡介智能車控制系統(tǒng)的硬件以 MC9S12DG128 單片機(jī)為核心，包括電源模塊、路徑檢測模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊、車速測量模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通訊調(diào)試模塊等幾部分。路徑檢測采用CMOS 圖像傳感器結(jié)合光電管的方案，車速測量采用安裝于后軸上的光電編碼器，形成了轉(zhuǎn)向和車速兩個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向控制采用不完全微分PD 控制器，速度控制采用具有開環(huán)、閉環(huán)切換功能的“多模式”速度控制器，速度閉環(huán)時(shí)采用PI 控制算法。轉(zhuǎn)向控制器和速度控制器的設(shè)定值由具有“路徑識別與記憶”功能的主控程序給出，形成了具有分層結(jié)構(gòu)的智能車控制系統(tǒng)。使用面陣CCD進(jìn)行賽道參數(shù)檢測的方案，充分利用S12單片機(jī)內(nèi)部硬件資源AD模塊，直接采集CCD輸出的模擬信號，可以獲得滿足參數(shù)檢測需要的圖像，計(jì)算出賽道參數(shù)，進(jìn)而完成路面信息檢測。利用電位器測得舵機(jī)轉(zhuǎn)向，編碼器測得車速，為S12單片機(jī)控制提供有效的小車狀態(tài)量：轉(zhuǎn)向與車速；控制策略采用了兩種控制方法：基于路徑偏差、車模姿態(tài)的比例微分+預(yù)瞄控制；多維模糊控制。并充分利用S12單片機(jī)內(nèi)部的模糊指令，簡化了軟件設(shè)計(jì)，提高了運(yùn)行速度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可總體分為電源管理部分、控制部分、信號檢測部分和通訊及調(diào)試部分。其中控制部分包括：控制器模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊。信號檢測部分包括：道路信息檢測模塊、方向角檢測模塊、速度檢測模塊。各模塊的功能關(guān)系、邏輯關(guān)系如下：道路信息檢測模塊為控制器模塊獲取路徑參數(shù)，提供小車與跑道的位置信息；控制器模塊則根據(jù)控制策略對驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊和舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊輸出合適的控制信號；而方向角檢測模塊與速度檢測模塊測得描述小車運(yùn)行的狀態(tài)量：舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與角度、小車后輪的轉(zhuǎn)速，并反饋給控制器模塊；通訊及調(diào)試部分用于在線與控制器通訊并調(diào)整控制器的有關(guān)參數(shù)；電源管理模塊為各模供電。2.2主要思路及技術(shù)方案概要2.2.1 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案概要整個(gè)電路的設(shè)計(jì)采用了從細(xì)節(jié)到總體的方法，方便了初學(xué)者對MC9S12的使用。輪胎安裝角度問題采用了 “前輪定位”， 保證汽車的行駛性能，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。霍爾效應(yīng)的應(yīng)用在智能車上也得到了表現(xiàn)，通過霍爾傳感器的特性采用了靈活的方法很好的處理了轉(zhuǎn)速較慢與計(jì)時(shí)快的矛盾，對霍爾傳感器的信號進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)了對速度的有效捕捉。電源芯片33989的運(yùn)用也是一個(gè)亮點(diǎn)，使用SPI輸出啟動(dòng)芯片工作，該芯片的使用使得原本復(fù)雜的電源分配電路變得非常簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。通過MOS管對紅外傳感器進(jìn)行定時(shí)開啟和關(guān)斷，在保證系統(tǒng)不受影響的情況下，節(jié)約了可觀的功耗。紅外傳感器信號通過MC9S12進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換比較，使得減少了大量的信號放大電路，使得硬件結(jié)構(gòu)大大的簡化，也使得電路的穩(wěn)定性增強(qiáng)，擴(kuò)大了采集到的黑色引導(dǎo)線和白色路面信息的差別，更方便機(jī)器的識別。簡單的模糊控制理論和經(jīng)典PID算法的結(jié)合是算法的核心，采用數(shù)字濾波軟件預(yù)判等方法對模糊處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。系統(tǒng)微調(diào)與粗調(diào)的結(jié)合，使得硬件采集信號的誤差和干擾得到很好的解決。2.2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)此智能車輛定位系統(tǒng)用攝像頭拍攝車輛前方的賽道，通過MC9S12DG128 采樣視頻信號，獲得圖像數(shù)據(jù)。然后用合適的算法，如跟蹤邊緣檢測算法，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。本智能車輛定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1 所示。攝像頭視頻采樣輔助電路MC9S12DG128控制處理器電機(jī)輔助電路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 2-1 智能車輛定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖因?yàn)橄到y(tǒng)是一個(gè)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(dòng)電機(jī)、舵機(jī)和電池等車模主要結(jié)構(gòu)不能作改動(dòng)，但是一些機(jī)械結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)仍然會(huì)對小車性能產(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)所用的傳感器包括編碼器和攝像頭，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PID 控制算法和預(yù)判算法等，這部分將在后面詳述。2.2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件位于底層，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)則根據(jù)硬件和控制需求來制定。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賽道的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)通過速度傳感器模塊獲取賽車的速度。采用PID 對舵機(jī)進(jìn)行反饋控制。另外根據(jù)檢測到的速度，結(jié)合速度控制策略，對賽車速度不斷進(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。系統(tǒng)初始化視頻采樣場同步信號檢測速度提取黑線提取舵機(jī)控制速度控制否是圖 2-2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)三、預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)過程中可能遇到的問題以及解決的方法和措施可能遇到的問題及解決方法：1 ccd攝像頭的使用問題，通過查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)別人的使用方法來熟悉其使用方法。2 PID控制算法參數(shù)的選擇問題，主要采用試湊法進(jìn)行參數(shù)的選擇。3 沒有進(jìn)行過嚴(yán)格的報(bào)告書寫、排版，頁面上會(huì)出現(xiàn)一些問題。四、進(jìn)度安排第5周 查找畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)資料，書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告第6、7周 單片機(jī)控制原理和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)問題學(xué)習(xí)第8，9周 CCD信號采集方法的學(xué)習(xí)第1014周 智能車電路原理圖設(shè)計(jì)及編程第15周 書寫畢業(yè)論文第16周 準(zhǔn)備答辯五、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)方法清華大學(xué)出版社，20072卓晴，黃開勝，邵貝貝等學(xué)做智能車-挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯北京航空航天大學(xué)出版社，20073簡荀.模糊控制在三容水箱系統(tǒng)控制中的應(yīng)用研究D，合肥：合肥工業(yè)大學(xué)4王朝盛.基于16位單片機(jī)MC9S12DGl28B智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D，天津：天津工業(yè)大學(xué)5