湖北汽車工業(yè)學(xué)院CCD組鷹眼一號(hào)技術(shù)報(bào)告2011

1、第六屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生 智能汽車競賽 技 術(shù) 報(bào) 告 學(xué) 校：湖北汽車工業(yè)學(xué)院隊(duì)伍名稱：鷹眼一號(hào)參賽隊(duì)員：曾 勇 甘永超 徐萍萍帶隊(duì)老師：楊正才 姜 斌 2011年8月10日關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第六屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車邀請賽關(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： 指導(dǎo)老師簽名： 日 期：2011-8-13目錄目錄第一章第一章 引言引言 .5 5

2、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、有關(guān)賽場的規(guī)定.71.2.4、分賽區(qū)、決賽區(qū)比賽規(guī)則.71.2.5. 其他 .9第二章第二章 主要思路及技術(shù)方案概要主要思路及技術(shù)方案概要 .13132.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).132.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu).14第三章第三章 電路設(shè)計(jì)說明電路設(shè)計(jì)說明 .15153.1 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì).153.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì).163.3 轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計(jì).163.4 攝像頭供電模塊電路設(shè)計(jì).173.5 最小系統(tǒng)模塊 .17第四章第四章 視頻采集和圖像處理視頻采集和圖像處理 .18184.1 視頻采集.184.1.

3、1 攝像頭工作原理 .184.1.2 攝像頭的選擇 .194.1.3 信號(hào)分離電路 .194.2 圖像處理.214.2.1 目標(biāo)指引線的提取.214.2.2 虛線目標(biāo)線的提取.22第五章第五章 模型車機(jī)械設(shè)計(jì)說明模型車機(jī)械設(shè)計(jì)說明 .22225.1 車體的具體參數(shù).225.2 前輪傾角調(diào)節(jié).225.3 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié).235.4 舵機(jī)安裝方式.235.5 其他機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié).24第六章第六章 控制策略控制策略 .24246.1 轉(zhuǎn)向控制.246.2 速度控制.25第七章第七章 開發(fā)與調(diào)試開發(fā)與調(diào)試 .27277.1 軟件開發(fā)平臺(tái) CODEWARRIOR IDE.287.2 在線編程軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4、 .297.3 串口調(diào)試軟件應(yīng)用 .29結(jié)語結(jié)語 .3030參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： .3131附錄源代碼附錄源代碼 .3131第一章 引言1.1 智能車的由來、應(yīng)用前景智能車的由來、應(yīng)用前景1953 年，美國 Barrett Electric 公司制造了世界上第一臺(tái)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)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)和柔性專配系統(tǒng)的物料運(yùn)輸。在 20 世紀(jì) 70 年代和 80 年代初，A

5、GV 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(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)備組成柔性生長線。例如，自動(dòng)導(dǎo)向叉車用于倉儲(chǔ)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(tái)。除此之外，AGV 還用于搬運(yùn)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(tái) 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

6、臺(tái)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(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)行成本過高，難以

7、大力推廣和應(yīng)用?；仡櫰嚢l(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)汽車的自適巡航并把車開得開

8、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)停下來撞車不會(huì)發(fā)生了。1.21.2 智能車大賽的介紹智能車大賽的介紹1.2.11.2.1 大賽簡介大賽簡介受教育部高等教育司委托，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)主辦全國大學(xué)生智能車競賽。該項(xiàng)比賽已列入教育部主辦的全國五大競

9、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(xiàng)賽事，在韓國已舉辦過多屆，其專業(yè)知識(shí)涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等諸多學(xué)科，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)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(dòng)作用。在前兩屆比賽中參賽選手必須使用大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的競賽車模，以Freescale 公司生產(chǎn)的 16 位微控制器 MC9S12XS128 作為核心控制單元，我對(duì)用了 MC9S12XS128 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，最終實(shí)

10、現(xiàn)一套能夠自主識(shí)別路線，并且可以實(shí)時(shí)輸出車體狀態(tài)的智能車控制軟硬件系統(tǒng)。各參賽隊(duì)伍之名次以賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時(shí)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(dòng)停在出發(fā)線的 3 米內(nèi)。本文所述的內(nèi)容即為本屆比賽而準(zhǔn)本的技術(shù)方案。1.2.21.2.2、有關(guān)賽場的規(guī)定、有關(guān)賽場的規(guī)定1. 賽道基本參數(shù)（不包括拐彎點(diǎn)數(shù)、位置以及整體布局）見附件三；2. 比賽賽道實(shí)際布局將在比賽當(dāng)日揭示，在賽場內(nèi)將安排采用與制作實(shí)際賽道相同的材料所做的測試賽道供參賽隊(duì)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試；1.2.31.2.3、裁判及技術(shù)評(píng)判、裁判及技術(shù)評(píng)判競賽分為分賽區(qū)（省賽區(qū)）和全國總決賽兩個(gè)階段。其中，全國總決賽階

11、段是在全國競賽組委會(huì)秘書處指導(dǎo)下，與決賽承辦學(xué)校共同成立競賽執(zhí)行委員會(huì)，下轄技術(shù)組、裁判組和仲裁委員會(huì)，統(tǒng)一處理競賽過程中遇到的各類問題。 所有競賽組織委員會(huì)工作人員，包括技術(shù)評(píng)判組及現(xiàn)場裁判組人員均不得參與任何針對(duì)個(gè)別參賽隊(duì)的指導(dǎo)或輔導(dǎo)工作（提供微控制器培訓(xùn)除外），不得泄露任何有失公允競賽的信息。在分賽區(qū)（省賽區(qū)）階段中，裁判以及技術(shù)評(píng)判由各分賽區(qū)（省賽區(qū)）組委會(huì)參照上述決賽階段組織實(shí)施。1.2.41.2.4、分賽區(qū)、決賽區(qū)比賽規(guī)則、分賽區(qū)、決賽區(qū)比賽規(guī)則分賽區(qū)和總決賽的比賽規(guī)則相同，都具有電磁組、光電組和攝像頭組比賽。三個(gè)賽題組比賽一般在同一個(gè)場館同時(shí)進(jìn)行，所遵循的比賽規(guī)則是相同的，但如果

12、受到主辦方場館條件限制，三個(gè)賽題組也可安排在不同場館分別進(jìn)行。三個(gè)賽題組分別獨(dú)立進(jìn)行成績排名。 分賽區(qū)和總決賽的現(xiàn)場比賽均包括初賽與決賽兩個(gè)階段。下面列出的現(xiàn)場預(yù)賽、決賽階段的比賽規(guī)則適用于各分賽區(qū)及總決賽的三個(gè)賽題組。1初賽與決賽規(guī)則 1）初賽規(guī)則比賽場中有三條賽道。參賽隊(duì)根據(jù)比賽題目分為三個(gè)組，并以抽簽形式?jīng)Q定組內(nèi)比賽次序。比賽分為兩輪，三個(gè)賽題組同時(shí)在三個(gè)賽道上進(jìn)行比賽，每支參賽隊(duì)伍可以在每輪比賽之前有 10 分鐘的現(xiàn)場調(diào)整時(shí)間。在此期間，參賽隊(duì)伍只允許對(duì)賽車的硬件（不包括微控制器芯片）進(jìn)行調(diào)整。第二輪比賽在同一賽道沿逆向進(jìn)行。在每輪比賽中，選手首先將賽車放置在起跑區(qū)域內(nèi)賽道上，賽車至少

13、靜止兩秒鐘后自動(dòng)啟動(dòng)。每輛賽車在賽道上跑一圈，以計(jì)時(shí)起始線為計(jì)時(shí)點(diǎn)，跑完一圈后賽車需要自動(dòng)停止在起始線之后三米之內(nèi)的賽道內(nèi)，如果沒有停止在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)，比賽計(jì)時(shí)成績增加 1 秒。每輛賽車以在兩個(gè)單輪成績中較好的一個(gè)作為賽車最終初賽成績；計(jì)時(shí)由電子計(jì)時(shí)器完成并實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)參賽隊(duì)伍數(shù)量，由比賽組委會(huì)根據(jù)成績選取一定比例的隊(duì)伍晉級(jí)決賽。晉級(jí)決賽的賽車在決賽前有 10 分鐘的調(diào)整時(shí)間。在此期間，參賽隊(duì)伍只允許對(duì)賽車的硬件（不包括微控制器芯片）進(jìn)行調(diào)整。技術(shù)評(píng)判組將對(duì)全部晉級(jí)的賽車進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)檢查，如有違反器材限制規(guī)定的(指本規(guī)則之第一條)當(dāng)時(shí)取消決賽資格，由后備首名晉級(jí)代替。由裁判組申報(bào)組織委員會(huì)批

14、準(zhǔn)公布決賽名單。全部車模在整個(gè)比賽期間都統(tǒng)一放置在車模的展示區(qū)內(nèi)。2）決賽規(guī)則參加決賽隊(duì)伍按照預(yù)賽成績進(jìn)行排序，比賽順序按照預(yù)賽成績的倒序進(jìn)行。決賽的比賽場地使用一個(gè)賽道。決賽賽道與預(yù)賽賽道形狀不同，占地面積會(huì)增大，賽道長度會(huì)增加。每支決賽隊(duì)伍只有一次比賽機(jī)會(huì)，在跑道上跑一圈，比賽過程與要求同預(yù)賽階段。計(jì)時(shí)由電子計(jì)時(shí)器完成并實(shí)時(shí)顯示。預(yù)賽成績不記入決賽成績，只決定決賽比賽順序。沒有參加決賽階段比賽的隊(duì)伍，預(yù)賽成績?yōu)樽罱K成績，參加該賽題組的排名。3)比賽過程規(guī)則按照比賽順序，裁判員指揮參賽隊(duì)伍順序進(jìn)入場地比賽。同一時(shí)刻，一個(gè)場地上只有一支隊(duì)伍進(jìn)行比賽。在裁判員點(diǎn)名后，每隊(duì)指定一名隊(duì)員持賽車進(jìn)入比

15、賽場地。參賽選手有 30 秒的現(xiàn)場準(zhǔn)備時(shí)間。準(zhǔn)備好后，裁判員宣布比賽開始，選手將賽車放置在起跑區(qū)內(nèi)，即賽車的任何一部分都不能超過計(jì)時(shí)起始線。賽車應(yīng)在起跑區(qū)靜止兩秒鐘以上，然后自動(dòng)出發(fā)。賽車應(yīng)該在 30 秒之內(nèi)離開出發(fā)區(qū)，沿著賽道跑完一圈。由計(jì)時(shí)起始線兩邊傳感器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)時(shí)。賽車跑完一圈且自動(dòng)停止后，選手拿起賽車離開場地，將賽車放置回指定區(qū)域。 如果比賽完成，由計(jì)算機(jī)評(píng)分系統(tǒng)自動(dòng)給出比賽成績。4)比賽犯規(guī)與失敗規(guī)則 比賽過程中，由比賽現(xiàn)場裁判根據(jù)統(tǒng)一的規(guī)則對(duì)于賽車是否沖出跑道進(jìn)行裁定。賽車前兩次沖出跑道時(shí)，由裁判員取出賽車交給比賽隊(duì)員，立即在起跑區(qū)重新開始比賽。選手也可以在賽車沖出跑道后放棄比賽

16、。比賽過程中出現(xiàn)下面的情況，算作模型車沖出跑道一次。裁判點(diǎn)名后，30 秒之內(nèi)，參賽隊(duì)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 60 秒之內(nèi)沒有跑完一圈；比賽過程中如果出現(xiàn)有如下一種情況，判為比賽失?。嘿愜嚊_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；決賽后，賽車沒有通過現(xiàn)場技術(shù)檢驗(yàn)。如果比賽失敗，則不計(jì)成績5)比賽組織說明現(xiàn)場正式比賽前，每個(gè)參賽隊(duì)伍都有現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性調(diào)試階段。調(diào)試跑道與比賽跑道形狀不一樣。比賽開賽之前，所有車模都由比賽組委會(huì)收集并存放在同一保管區(qū)域，直到比賽結(jié)束。在比賽期間，大賽組委會(huì)技術(shù)處將根據(jù)

17、情況對(duì)參賽車模進(jìn)行技術(shù)檢查。如果違反了比賽規(guī)則的禁止事項(xiàng)，大賽組委會(huì)有權(quán)取消參賽隊(duì)伍的成績。1.2.5. 其他其他 1比賽過程中有其他作弊行為的，取消比賽成績； 2參加預(yù)賽并晉級(jí)決賽的隊(duì)伍人員不允許改變； 3本規(guī)則解釋權(quán)歸競賽秘書處和比賽組織委員會(huì)所有。附件一：智能競賽車模的規(guī)定禁止改動(dòng)車底盤結(jié)構(gòu)、輪距、輪徑及輪胎；禁止采用其它型號(hào)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，禁止改動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳動(dòng)比；禁止改造車模運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，包括滾珠軸承；禁止改動(dòng)舵機(jī)，但可以更改舵機(jī)輸出軸上連接件；禁止改動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電池，車模前進(jìn)動(dòng)力必須來源于車模本身直流電機(jī)及電池；禁止增加車模地面支撐裝置。在車模靜止、動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，只允許車模原有四個(gè)

18、車輪對(duì)車模起到支撐作用。為了安裝電路、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(dòng)電路限制車模控制電路須采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 8 位、16 位 MCU 作為唯一的微控制器。16 位 MCU 只能采用 9S12XS128（封裝不限），也可以選用 16 位 DSC或 8 位 MCU（8 位 MCU 可以使用 2 片）。核心控制模塊可以采用組委會(huì)推薦的9S12XS128 模塊，也可以選用飛思卡爾公司微控制器自行設(shè)計(jì)制作控制電路板。每臺(tái)模型車的電路板中只允許使用一種型號(hào)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(shí)使用 8 位和

19、16 位微控制器。除了上述規(guī)定的微控制器之外不得使用輔助處理器以及其它可編程器件；伺服電機(jī)數(shù)量不超過 3 個(gè)；傳感器數(shù)量不超過 16 個(gè)：光電傳感器接受單元計(jì)為 1 個(gè)傳感器，發(fā)射單元不計(jì)算；CCD 傳感器計(jì)為 1 個(gè)傳感器；磁場傳感器在同一位置可以有不同方向傳感器，計(jì)為一個(gè)傳感器。直流電源使用大賽指定的電池；禁止使用 DC-DC 升壓電路直接為驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及舵機(jī)提供動(dòng)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；本競賽智能車中，除單片機(jī)最小系統(tǒng)的核心子板、攝像頭、舵機(jī)自身內(nèi)置電路外，所有電路均要求為自行設(shè)計(jì)制作，禁止購買現(xiàn)成的功能模塊。如果自制電路采用 PCB

20、 印制電路板，必須在銅層（TopLayer 或 BottomLayer）醒目位置放置本參賽隊(duì)伍所在學(xué)校名稱、隊(duì)伍名稱、參賽年份，對(duì)于非常小的電路板可以使用名稱縮寫，名稱在車模技術(shù)檢查時(shí)直接可見?？梢赃x擇參數(shù)：1. 開發(fā)軟件可以選擇 CodeWarrior 調(diào)試軟件，也可以另行選擇；2. 開發(fā)調(diào)試硬件可以選擇秘書處統(tǒng)一推薦的 BDM 工具，也可以另行選擇；3. 電路所使用元器件（傳感器、各種信號(hào)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(jì)選擇。附件三：賽道基本參數(shù)（不包括拐彎點(diǎn)數(shù)目、位置以及整體布局）1. 賽道路面用專用白色基板制作，在初賽階段時(shí)，跑道所占面積在 5m7m左右，決賽階

21、段時(shí)跑道面積可以增大。2. 賽道寬度不小于 50cm。3. 鋪設(shè)賽道地板顏色不作要求，它和賽道之間可以但不一定有顏色差別。4. 跑道表面為白色，中心有黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬 25mm5。引導(dǎo)黑線大部分為連續(xù)黑線，部分線段會(huì)是虛線。虛線的規(guī)格如下： 虛線段可能出現(xiàn)在賽道的直線部分，也可能出現(xiàn)在賽道的轉(zhuǎn)彎部分，如下圖所示：每段虛線長度不超過 1 米。虛線不會(huì)出現(xiàn)在十字交叉路口、坡道中。5. 賽道中心黑色線下鋪設(shè)有直徑 0.1-0.8mm 漆包線，其中通有 20KHz，100 mA 的交變電流。頻率范圍 20K1K，電流范圍(10020mA)。6. 跑道最小曲率半徑不小于 50cm。7. 跑道可以交

22、叉，交叉角為 90。8. 賽道直線部分可以有坡度在 15之內(nèi)的坡面道路，包括上坡與下坡道路。 9. 賽道有一個(gè)長為 1m 的出發(fā)區(qū)，如下圖所示，計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長度 10cm 黑色計(jì)時(shí)起始線，賽車前端通過起始線作為比賽計(jì)時(shí)開始或者結(jié)束時(shí)刻。在黑色計(jì)時(shí)起始線中間安裝有永久磁鐵，每一邊各三只。磁鐵參數(shù)：直徑 7.5 - 15mm，高度 1-3mm，表面磁場強(qiáng)度 3000-5000 高斯。 起跑線附近的永磁鐵的分布是在跑道黑色中心線兩邊對(duì)稱分布。相應(yīng)的位置如下圖所示：第二章 主要思路及技術(shù)方案概要2.12.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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 MC9S

23、12XS128 采樣視頻信號(hào)，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(duì)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：攝攝像像頭頭視頻采樣視頻采樣輔助電路輔助電路MC9S12XS128 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理舵機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電路舵機(jī)舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)圖2.1 智能車定位系統(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)，但是一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)仍然會(huì)對(duì)小車的性能產(chǎn)生影響，為此我們對(duì)這些細(xì)節(jié)進(jìn)行了一定的調(diào)整。系

24、統(tǒng)所用的傳感器包括光電（1 個(gè)用于測速）、JY043W（黑線識(shí)別）和攝像頭（路徑識(shí)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2.22.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)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)硬件和控制需要來制定。系統(tǒng)的基本軟件流程為：首先，對(duì)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(shí)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(duì)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

25、所示。系統(tǒng)初始化場同步信號(hào)檢測視頻采集速度采集圖 2-2 系統(tǒng)的基本軟件機(jī)構(gòu)第三章 電路設(shè)計(jì)說明3.13.1 系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)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(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓換成各個(gè)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(hào)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(shí)際工作時(shí)，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.

26、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(dòng)模塊提供電源。12V 電壓。采用攝像頭進(jìn)行路徑檢測時(shí)，需要12V 工作電源。整個(gè)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)3.23.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)根據(jù)汽車機(jī)械式差速器的原理，在過彎時(shí)，汽車內(nèi)外車輪行駛的路徑不同，所以長短不一，這樣導(dǎo)致兩輪的轉(zhuǎn)速不一樣，差速器就是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)決汽車在行駛過程中的相互干擾。我們這套車模提供的是雙電機(jī)，為了讓汽車具有差速功能，我們通過控制雙電機(jī)來模擬電子差速，來保障小的常行駛。3.33.3 轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計(jì)車速傳感器為對(duì)射式光電傳感器，具體電路如圖 3-3。

27、由光電對(duì)管采集輸出為類似正弦波的信號(hào)，為使最終的車速信號(hào)為單片機(jī)所能處理的數(shù)字信號(hào)，在光電對(duì)管輸出端接電壓比較器 LM2903。 圖 3-3 車速傳感器電路3.43.4 攝像頭供電模塊電路設(shè)計(jì)攝像頭供電模塊電路設(shè)計(jì)圖3-4 攝像頭供電模塊電路3.5 最小系統(tǒng)模塊最小系統(tǒng)模塊圖3-5 最小系統(tǒng)電路圖第四章 視頻采集和圖像處理4.14.1 視頻采集視頻采集視頻采集模塊由攝像頭、1881 視頻采集信號(hào)分離芯片以及 S12 的 AD 模塊構(gòu)成。視頻信號(hào)是 AD 采集的基礎(chǔ)，下面先介紹視頻信號(hào)的特征，然后再展開。4.1.14.1.1 攝像頭工作原理攝像頭工作原理攝像頭分為黑白和彩色兩種，根據(jù)賽道特點(diǎn)可知

28、，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(jì)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(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)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(hào)，該電

29、壓信號(hào)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(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如0.3V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)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(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)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(hào)才真正到來。攝

30、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(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時(shí)則只掃描偶數(shù)行。圖 4-1 攝像頭視頻信號(hào)4.1.24.1.2 攝像頭的選擇攝像頭的選擇因?yàn)?S12 單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換時(shí)間在不超頻的情況下最短為 7us,所以如果選用一個(gè)分辨率為 320 的攝像頭，則單行視頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間約為20ms/320=62.5us，AD 對(duì)單行視頻信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)將不超過62.5/7+1=9 個(gè)。若使用分辨率越高的，則其采到的點(diǎn)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(huì)減少單片機(jī) AD 采樣單行信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，削弱了橫向分辨能

31、力。現(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(hào)的持續(xù)時(shí)間至多為 20ms/300=66us，AD 采樣每行視頻信號(hào)的點(diǎn)數(shù)至多為66/7+1=10 個(gè)（不超頻的情況下），這對(duì)賽車定位來說是不夠的，所以在選用攝像頭時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量選擇分辨率低的攝像頭，這樣做會(huì)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(hào)的點(diǎn)數(shù)，提高橫向分辨能力。在本次設(shè)計(jì)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。4.1.34.1.3 信號(hào)分離電路信號(hào)分離電路要對(duì)有效地對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣，首先要處

32、理好的問題是如何提取出攝像頭信號(hào)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?yàn)樾型矫}沖、消隱脈沖或場同步脈沖信號(hào)的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號(hào)的電平，所以據(jù)此可設(shè)定一個(gè)信號(hào)電平閥值開判斷 AD 采樣到的信號(hào)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(hào)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(shí)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(hào)的時(shí)序信息，如行同步脈沖、場同步脈沖和奇、偶場信號(hào)信息等，并將它們轉(zhuǎn)換成TTL 電平直接輸出給單

33、片的 I/O 口作控制信號(hào)之用。1881 的端口接線方式如圖 5-2 所示。圖 4-2 LM1881其中，引腳 2 為視頻信號(hào)的輸入端，引腳 1 為行同步信號(hào)輸出端（圖 5-3 中的 b）。引腳 3 為場同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)的場同步脈沖到來時(shí)，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(hào)端輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場時(shí)，該端為高電平，當(dāng)處于偶場時(shí)，為低電平。事實(shí)上，不僅可以用場同步信號(hào)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 4-3 LM1881 信號(hào)時(shí)序圖4.24.2 圖像處理圖像處理4.2.14.

34、2.1 目標(biāo)指引線的提取目標(biāo)指引線的提取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(diǎn)是其左、右兩像素為一黑一白，兩像素值的差的絕對(duì)值大于某閥值，大于可根據(jù)試驗(yàn)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(duì)值小于該閥值。這樣，只要我們對(duì)兩數(shù)組每行中任何相鄰兩點(diǎn)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(diǎn)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(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)開

35、始依次向右進(jìn)行閥值判斷：由于實(shí)際中黑白賽道邊緣可能會(huì)出現(xiàn)模糊偏差，導(dǎo)致閥值并不是個(gè)很簡單介于兩相鄰之間，很可能要相隔兩個(gè)點(diǎn)。因此：第 line 為原點(diǎn)，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(gè)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(yàn)表明：只要閥值取得合適，該算法不僅可靠，而且

36、實(shí)時(shí)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。4.2.24.2.2 虛線目標(biāo)線的提取虛線目標(biāo)線的提取這屆比賽同以往規(guī)則還有另外一處不同，這在比賽規(guī)則中已經(jīng)有所介紹。為了將虛線識(shí)別開來，而不使小車在虛線處跑出賽道，我們對(duì)虛線做特殊處理。根據(jù)線是由點(diǎn)連成的，由點(diǎn)生成線。點(diǎn)線結(jié)合將虛線模糊掉，這樣在循跡中實(shí)線虛線也就沒有什么差別。第五章 模型車機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一定要對(duì)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)

37、感性的認(rèn)識(shí)，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。從而再針對(duì)具體的設(shè)計(jì)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(diǎn)和調(diào)整方案。5.15.1 車體的具體參數(shù)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(dòng)部分?？刂撇捎们拜嗈D(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)方案。車模具體參數(shù)如下：表5-1 車?；境叽鐓?shù):基本參數(shù)尺寸（cm）軸距198前輪距122后輪距138車輪直徑52車長286車寬163傳動(dòng)比18/765.25.2 前輪傾角調(diào)節(jié)前輪傾角調(diào)節(jié)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在車模過彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐囕嗈D(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(duì)前輪的安裝角度

38、，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(gè)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(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時(shí)就越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動(dòng)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(shí)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(dòng)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

39、好。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使轉(zhuǎn)向自動(dòng)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(shí)后傾回正作用大，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對(duì)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(gè)外八字角度，這個(gè)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(huì)自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象

40、就會(huì)減少。5.35.3 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)這套車模采用雙電機(jī)差速，點(diǎn)擊直接與車輪相連。因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速相當(dāng)大，為便于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換，我們采用了齒輪減速，即二級(jí)齒輪傳動(dòng)。為了使雙電機(jī)差速具有很好的差速效果，這就需要兩邊輪性能無比接近。不但需要保證電機(jī)本身的性能接近，而且由兩電機(jī)傳到輪的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也要區(qū)別不大，保證傳動(dòng)過程機(jī)械阻力，靈活度相當(dāng)。所以齒輪調(diào)節(jié)很重要。在調(diào)節(jié)中，需要保證傳動(dòng)軸的同軸度，讓他在允許的誤差范圍內(nèi)，這將減小齒輪打齒現(xiàn)象。齒輪軸的距離也要適中，過大會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合面減小，不利于力的傳遞；過小會(huì)是齒輪嚙合過緊，傳動(dòng)受阻；同時(shí)也要保證結(jié)構(gòu)緊蹙，在有限的空間里容納下雙電機(jī)。5.

41、45.4 舵機(jī)安裝方式舵機(jī)安裝方式舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng)中延遲較大的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了減小此時(shí)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(diǎn)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(duì)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(duì)的一對(duì)稱面上。這樣安裝的優(yōu)點(diǎn)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(duì)來說靠后，減輕舵機(jī)的負(fù)載。 5.55.5 其他機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)其他機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)小車機(jī)械性能的好壞會(huì)

42、影響到小車跑車的姿態(tài)，靈活性。對(duì)小車的整體布局的布置就相當(dāng)必要，為提高小車與地面的附著力，讓小車有好的抓地力，同時(shí)也保證小車在過彎時(shí)不發(fā)生側(cè)翻。我們想出各種辦法來降低底盤，底盤的高度需要適中?？紤]到坡道的影響，當(dāng)小車在上坡時(shí)，如果底盤過低，會(huì)在梯形坡拐角處被卡住，因此小車底盤不能太低。第六章 控制策略6.16.1 轉(zhuǎn)向控制轉(zhuǎn)向控制為了保持系統(tǒng)的快速性，本系統(tǒng)采用比列 P 控制方法對(duì)小車的舵機(jī)進(jìn)行控制，在獲得一場圖像的白線的中點(diǎn)后，去中心線的最近一點(diǎn)（Xi,Yi）最遠(yuǎn)一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值（Xj,Yj），則由方向偏差圖 8 可以得出方向偏差：tan=W/L=(Xj-Xi)/(Yj-Yi)tan 的大小反

43、應(yīng)了小車前方道路與當(dāng)前位置的方向關(guān)系，其值越大表明當(dāng)前小車與路徑的夾角 也越大。出了夾角 ，還應(yīng)考慮白線中心與小車軸線（設(shè)為 D/2）的偏離程度 D，即 D=Xi-D/2,因此小車在道路上行駛時(shí)，它與白線中心相對(duì)位置可由小車的方向偏差 tan 和位置偏差來描述，這兩個(gè)參數(shù)為小車的轉(zhuǎn)角控制提供了依據(jù)，其控制示意圖如圖 9 所示，基于以上分析，小車多級(jí)采用開環(huán)雙比例 P 控制策略，計(jì)算公式如圖 2 所示：Angel=K1*(Xi-Xj)/(Yi-Yj)+K2*(Xi-D/2)式中：比例系數(shù) K，K：可通過實(shí)驗(yàn)得出。得到舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制值后，再將轉(zhuǎn)角映射成相應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角 PWM 信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)小車的路勁

44、跟蹤。這種開環(huán)雙比例 P 控制方法保證了小車在任意道路上能快速穩(wěn)定的沿白線行駛。6.26.2 速度控制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 車速傳感器本次車模配備了兩個(gè)電機(jī)，為獲取兩個(gè)車輪的速度，我們安裝了兩個(gè)光柵測速，將它們的測速之和作為車速。這個(gè)值就為 PID 調(diào)速需要調(diào)節(jié)的目標(biāo)值。那么對(duì)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(jì)算公式為：n=KP(en-en-1)+Kien+Kd（en-2en-1+en-2）其中，n 為第 n 次輸出增量；en 第 n

45、 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(yàn)；并采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，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(dòng)穩(wěn)定速度調(diào)節(jié)時(shí)間大約只有 300ms 響應(yīng)較快，并且調(diào)速穩(wěn)定，速度基本在目標(biāo)速度的 5% 之間波動(dòng)。圖 6-5 PID調(diào)節(jié)速度圖形第七章 開發(fā)與調(diào)試前面的章節(jié)中，已經(jīng)對(duì)小車的 CCD 傳感器方案從硬件設(shè)計(jì)到軟件構(gòu)架都做了詳盡的介紹和分析，但是這只是如同河的兩岸只能遙遙相對(duì)卻無法相互溝通。所以在對(duì)算法進(jìn)行開發(fā)和軟硬件聯(lián)調(diào)的過程中就需要

46、一整套的軟件開發(fā)與調(diào)試工具。在整個(gè)開發(fā)調(diào)試過程中，除匯編語言開發(fā)的方式以外，使用Metrowerks 公司為 MC9S12 系列專門提供的全套開發(fā)工具（Metrowerks CodeWarrior IDE） 。采用 MATLAB 作為輔助開發(fā)調(diào)試工具，對(duì)大量的數(shù)據(jù)分析。7.17.1 軟件開發(fā)平臺(tái)軟件開發(fā)平臺(tái) CodeWarriorCodeWarrior IDEIDECodeWarrior 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，支持摩托羅拉匯編語言、ANSI C 語言和C+語言?，F(xiàn)在最新版本以到 CodeWarri

47、or V4.7，本系統(tǒng)在軟件開發(fā)過程中使用的是 CodeWarrior V4.7。其主要包括集成開發(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(xiàng)目工程管理、專家生成系統(tǒng)、C 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。CodeWarrior IDE 能夠自動(dòng)地檢查代碼中的明顯錯(cuò)誤，它通過一個(gè)集成的調(diào)試器和編輯器來掃描你的代碼，以找到并減少明顯的錯(cuò)誤，然后編譯并鏈接程序以便計(jì)算機(jī)能夠理解并執(zhí)行你的程序。每個(gè)應(yīng)用程序都經(jīng)過了使用象 CodeWarrior 這樣的開發(fā)工具進(jìn)行編碼、編譯、編輯、鏈接和調(diào)試的過程。其主界面如圖 6.1 所示。圖 6.1 CodeWarrior 主界面7.27.

48、2 在線編程軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用在線編程軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用用戶在對(duì)程序編譯完成后，可用兩種方式講 S19 文件下載到單片機(jī)：（1）通過專用的背景調(diào)試器（BDM）下載；（2）通過串口由事先寫入到單片機(jī)內(nèi)的監(jiān)控程序（BootLoader）下載。本系統(tǒng)采用 BDM 下載方式。在源程序員編譯、鏈接通過之后就可以程序下載了。通過 USB 口與調(diào)試工具相連。調(diào)試工具通過 BDM 插頭與目標(biāo)板連接。IDE 調(diào)試過程：編譯匯編連接程序下載調(diào)試 進(jìn)入調(diào)試窗，界面如圖 5.2 所示。圖 6.2 程序調(diào)試窗口界面7.37.3 串口調(diào)試軟件應(yīng)用串口調(diào)試軟件應(yīng)用為實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件流程，可通過 SCI 將單片機(jī) RAM 或 FLASH

49、 中的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)通過串口調(diào)試軟件接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中應(yīng)用的串口調(diào)試工具為串口調(diào)試軟件 ComMaster，其主要有以下幾個(gè)功能： 可靈活選擇、設(shè)置串行端口及波特率 發(fā)送、接收 16 進(jìn)制數(shù)或 ASCII 字符 定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù) 測試串口設(shè)備/串口線路 模擬數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的各種誤碼,丟失字符,調(diào)試串口的通信協(xié)議 監(jiān)視程序?qū)Υ诘脑L問流程串口調(diào)試軟件 ComMaster 的控制臺(tái)界面如圖 6.3 所示。圖 6.3 串口調(diào)試軟件 ComMaster 界面結(jié)語很高興能夠參加 2011 年第六屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能車大賽，此項(xiàng)比賽是對(duì)智慧和毅力的雙重挑戰(zhàn)。通過本次車模的制作，

50、我們收獲頗多。根據(jù)賽車總體方案，針對(duì)性的查找了大量資料，設(shè)計(jì)制作了賽車各模塊的測試電路。通過實(shí)驗(yàn)測試設(shè)計(jì)方案的可靠性，針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行修改，最終確定了各模塊的方案，并完成設(shè)計(jì)。至此，賽車的所有硬件部分已經(jīng)設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都滿足大賽組委會(huì)的要求，并在測試賽道上順利完成了自主的尋跡行駛， 整個(gè)過程完全由我們參賽隊(duì)員自己制作，并在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)督促下順利完成。我們的小車并不十分完善，還

51、有很多需要改進(jìn)的地方，有些問題任然存在，我想整個(gè)比賽過程也就是不但發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程。參加這個(gè)比賽的意義也就是培養(yǎng)我們不但發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。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，2005.73 陳家瑞。汽車構(gòu)造M。第2 版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005.14 余志生，汽車?yán)碚揗。第4 版。北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2006.55 王曉明。電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.56 蘇明，陳倫軍，林浩。模糊PID 控制及其MATLAB 仿真J.

52、現(xiàn)代機(jī)械，2004 年第4 期7 胡晨暉，陸佳南，陳立剛。第二屆“飛思卡爾”智能車大賽技術(shù)報(bào)告J.2007。108 附錄源代碼*部分源代碼*LCM1010 initialize;*LCM1010_initialize: * KCB control and status flag;*;/設(shè)置為輸入 BCLR KBUpDown_D,#KBUpDownBite;* BCLR KBIncrease_D,#KBIncreaseBite BCLR KBDecrease_D,#KBDecreaseBite;指示燈 BSET ZhiShiDeng_D,#ZhiShiDeng_Pin BSET ZhiShiDe

53、ng_P,#ZhiShiDeng_Pin*;*;定義輸出BSET LCM1010_CS_P,#LCM1010_CS_ADR ;CS=1 BSET LCM1010_CS_D,#LCM1010_CS_ADR* CLR LCM1010_Command CLR LCM1010_DATA CLR LCM1010_Addr CLR LCM1010_NumRTS*Definition LCD*LCD_start: MOVB #%00100100,LCM1010_Command;寫入模塊專用初始化命令定義模塊 JSR WriteCommand MOVB #%00011000,LCM1010_Command;定

54、義內(nèi)部 RC 振蕩方式 JSR WriteCommand MOVB #%00000001,LCM1010_Command;開振蕩器 JSR WriteCommand MOVB #%00000011,LCM1010_Command;開顯示器 JSR WriteCommand RTS*KCB CONTURE LCD*System_Set:*;*InstrumentSetting_01: MOVB #%00000000,LCM1010_Addr MOVW #00100,LCM1010_DataBB MOVW STEERING_CENTER,LCM1010_DataAA;/舵機(jī)中指（第一個(gè)參數(shù)的設(shè)定）

55、 JSR DisplayWriteData JSR LCD_delay100ms JSR LCD_delay100ms JSR LCD_delay100msCheckSetting_01: BRCLR KBUpDown_P,#KBUpDownBite,InstrumentSetting_01End;/ BRCLR KBIncrease_P,#KBIncreaseBite,IncreaseSetting_01 BRSET KBDecrease_P,#KBDecreaseBite,CheckSetting_01DecreaseSetting_01: JSR LCD_delay BRSET KBDe

56、crease_P,#KBDecreaseBite,CheckSetting_01 JSR LCD_delay100ms LDD LCM1010_DataAA SUBD #2 ;單次遞減量 STD LCM1010_DataAA STD PWMDTY0 JSR DisplayWriteData BRA CheckSetting_01IncreaseSetting_01: JSR LCD_delay BRSET KBIncrease_P,#KBIncreaseBite,CheckSetting_01 JSR LCD_delay100ms LDD LCM1010_DataAA ADDD #2 ;單次累

57、加量 STD LCM1010_DataAA STD PWMDTY0 JSR DisplayWriteData BRA CheckSetting_01InstrumentSetting_01End: JSR LCD_delay BRSET KBUpDown_P,#KBUpDownBite,CheckSetting_01 JSR LCD_delay100ms JSR LCD_delay100ms JSR LCD_delay100ms MOVW LCM1010_DataAA,STEERING_CENTER ;設(shè)置成功后給該參數(shù) MOVW STEERING_CENTER,PWMDTY0*;*Instr

58、umentSetting_02:MOVB #%00000000,LCM1010_AddrMOVW #00200,LCM1010_DataBB LDD CCDHighSpeed ;第二個(gè)參數(shù)的設(shè)置STD LCM1010_DataAAJSR DisplayWriteDataCheckSetting_02: BRCLR KBUpDown_P,#KBUpDownBite,InstrumentSetting_02End BRCLR KBIncrease_P,#KBIncreaseBite,IncreaseSetting_02 BRSET KBDecrease_P,#KBDecreaseBite,Chec

59、kSetting_02DecreaseSetting_02: JSR LCD_delay BRSET KBDecrease_P,#KBDecreaseBite,CheckSetting_02 JSR LCD_delay100ms LDD LCM1010_DataAA SUBD #2 ;單次遞減量 STD LCM1010_DataAA JSR DisplayWriteData BRA CheckSetting_02IncreaseSetting_02: JSR LCD_delay BRSET KBIncrease_P,#KBIncreaseBite,CheckSetting_02 JSR LCD

60、_delay100ms LDD LCM1010_DataAA ADDD #2 ; ;單次累加量 STD LCM1010_DataAA JSR DisplayWriteData BRA CheckSetting_02InstrumentSetting_02End: JSR LCD_delay BRSET KBUpDown_P,#KBUpDownBite,CheckSetting_02 JSR LCD_delay100ms JSR LCD_delay100ms JSR LCD_delay100ms LDD LCM1010_DataAA;- STD CCDHighSpeed ;設(shè)置成功后給該參數(shù) ;