遼寧工程技術(shù)大學(xué)靖遠(yuǎn)一隊(duì)技術(shù)報(bào)告

1、第三屆“飛思卡爾”杯智能汽車邀請賽大學(xué)生技術(shù)報(bào)告學(xué)校：遼寧工程技術(shù)大學(xué)隊(duì)伍名稱：靖遠(yuǎn)一隊(duì)參賽隊(duì)員：劉丹張強(qiáng)張鳳龍帶隊(duì)教師：張國軍關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究使用的說明本人完全了解第二屆“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)保留、著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組使用技術(shù)報(bào)告和研究的規(guī)定，即：參賽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的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會集中。參賽隊(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日期： 摘要該系統(tǒng)以 Freescale 16 位單片機(jī) MC9MC9S12DG128 作為系統(tǒng)處理器，采用 CMOS 數(shù)字式攝像頭獲取賽道路況信息，利用透

2、射式光電傳感器配合碼盤測速，舵機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)，保證模型車穩(wěn)定運(yùn)行。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，本設(shè)計(jì)做了一些改進(jìn)和創(chuàng)新，對舵機(jī)的安裝位置和高度做了一些調(diào)整，對攝像頭的架設(shè)結(jié)構(gòu)也做了調(diào)整，這對提高車模的穩(wěn)定性打下了基礎(chǔ)。硬件電路部分選用電源管理TPS7350 和TPS76850 為系統(tǒng)的各功能模塊提供工作電源，供電電池為 7.2 伏，采用 TPS7350 為單片機(jī)系統(tǒng)、攝像頭模塊、速度模塊提供 5 伏電源；采用 TPS76850 為舵機(jī)提供 6 伏電源；采用 H 橋模塊穩(wěn)定、有利地驅(qū)動直流電，可獲得電機(jī)的最佳性能：高速、快速響應(yīng)和高起動頻率；這為智能車的穩(wěn)定工作提供了可靠的保證。軟件部分主要包括以下內(nèi)容：(

3、1)攝像頭圖像的數(shù)據(jù)處理算法；(2)路徑識別后的 PID策略，車速的策略，以及對不同路況信息的算法。本系統(tǒng)應(yīng)用 CodeWarrior 開發(fā)工具進(jìn)行編程，用 BDM 進(jìn)行程序，利用串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，應(yīng)用了 LabVIEW 虛擬儀器作為輔助調(diào)試工具，完成了軟件的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試工作，很好的實(shí)現(xiàn)了路徑識別的功能。關(guān)鍵字：CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭，PID，虛擬儀器，路徑識別目錄摘要第一章引言11.11.2智能車大賽背景及應(yīng)用前景1概述1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與方案選擇3第二章2.1 整體設(shè)計(jì)思路32.2 系統(tǒng)各模塊方案選擇. 32.2.1單片機(jī)系統(tǒng)方案選擇.2.3.傳感器方案選擇3測速方案選

4、擇5第三章 模型車機(jī)械設(shè)計(jì)63.1整體布局.3.4.系統(tǒng)電路板安裝6舵機(jī)安裝7攝像頭支架的設(shè)計(jì)安裝83.5. 測速模塊安裝9第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)10電源電路設(shè)計(jì)10單片機(jī)系統(tǒng)及攝像頭電源電路設(shè)計(jì).2 舵機(jī)電源電路設(shè)計(jì).4.5.電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)12攝像頭電路設(shè)計(jì)13測速電路設(shè)計(jì)14系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)16第五章5.1 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)165.2圖像處理.2圖像二值化17圖像去噪聲處理17策略175.3算法17策略19策略.25.3.3經(jīng)典PID車速PID 路徑第六章開發(fā)工具及安裝調(diào)

5、試過程21開發(fā)工具介紹216.16.2 軟件調(diào)試過程216.2.1使用LabVIEW 軟件輔助調(diào)試21第七章第八章車模主要技術(shù)參數(shù)說明23結(jié)論24參考文獻(xiàn)25附錄A：程序源代碼26第一章 引言1.1 智能車大賽背景及應(yīng)用前景大學(xué)生智競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動。大賽綜合性很強(qiáng)，以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽。本競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的和潛能，倡導(dǎo)理論實(shí)際、求真務(wù)

6、實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀的脫穎而出創(chuàng)造條件。大賽的綜合性很強(qiáng)， 是自動、模式識別、傳感、電子、電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽1。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和生活水平的快速提高，人們對汽車的安全性、舒適性要求越來越高。各種先進(jìn)的技術(shù)正在被應(yīng)用和研究，如汽車智能交通系統(tǒng)、汽車主動安全技術(shù)、汽車自動駕駛技術(shù)、車輛巡航技術(shù)等，智能車輛的研究也正在成為世界汽車研究的熱點(diǎn)之一。智能車輛的主要特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下， 能自動地和駕駛車輛繞開物和沿著預(yù)定的路線運(yùn)行。根據(jù)路況信息，經(jīng)過、分析和決策，確定出所應(yīng)做的操作。車輛是一個自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的過程，因此，智能車輛的研究主要是基于模糊

7、理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和神經(jīng)模糊技術(shù)等人工智能的最新理論和技術(shù)開展研究工作的。【2】1.2 概述我們設(shè)計(jì)的智能車在電路設(shè)計(jì)上做了一些改進(jìn)和創(chuàng)新，攝像頭采用數(shù)字式攝像頭，舵機(jī)和攝像頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)也做了調(diào)整，使智能車能夠滿足高速運(yùn)行的條件要求，具有良好的綜合性能。1第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告本文先從總體上介紹了智能車的設(shè)計(jì)思想和方案選擇，然后分別從機(jī)械、硬件、軟件等方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，重點(diǎn)介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)和路徑識別的算法，接著描述了智能車的制作及調(diào)試過程，其中包含我們在制作和調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法，并列出了模型車的主要技術(shù)參數(shù)。2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與方案選擇2.1 整體設(shè)計(jì)思路

8、本智能車以 MC9S12DG128為系統(tǒng)，傳感器采用 CMOS 數(shù)字式攝像頭， 攝像頭拍攝賽道圖像信息后， 經(jīng)信號處理模塊處理后再輸入到MC9S12DG128 做進(jìn)一步處理。車速測量采用透射式光電傳感器，利用 MC9S12DG128的輸入捕捉功能進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)測速；舵機(jī)轉(zhuǎn)向采用分段比例；電機(jī)轉(zhuǎn)速采用 PID，并通過 PWM驅(qū)動電路調(diào)速。對于機(jī)械部分改裝，一方面，我們調(diào)整了舵機(jī)的位置和力臂長度，以發(fā)揮它更好的工作性能；另一方面，為了降低車身重心，提高車模的穩(wěn)定性，我們改變了系統(tǒng)電路模塊的大小和位置以及攝像頭的支架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。2.2 系統(tǒng)各模塊方案選擇 .2.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)方案選擇我們

9、采用了設(shè)計(jì)的 MC9S12DG128系統(tǒng)，因?yàn)殡p列直插式開發(fā)板雖然使用方便，但是電路板集成度不高，還會增加系統(tǒng)的重量和重心高度。將系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)成幾個面積較小的正方形印制電路板，不僅為車身減輕了負(fù)擔(dān)，而且可安裝在離車模底盤非常接近的位置，以降低車模重心，使車模在行駛過程中更平穩(wěn)，為提高車速增加了空間。2.2.2. 傳感器方案選擇賽道檢測方式有光電傳感器和攝像頭兩種。光電傳感器前瞻距離近，分辨率較低，探測精度也很低，功耗大，對低頻變化的環(huán)境光不敏感，對陰影不敏感，占用較多的 AD 端口和通用 IO 口。而攝像頭具有可視距離遠(yuǎn)、信息豐富等特點(diǎn)。所以我們選擇攝像頭作為賽道檢測傳感器。常見的攝像頭有

10、CCD 和 CMOS 兩類，從技術(shù)角度比較，CCD 與 CMOS 有如下四個方面的不同【3】：3第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告1）信息方式CCD 電荷耦合器的電荷信息，需在同步信號下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后，電荷信息轉(zhuǎn)移和輸出需要有時鐘電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復(fù)雜。CMOS 光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號十分簡單。2）速度CCD 電荷耦合器需在同步時鐘的下，以行為一位一位地輸出信息，速度較慢；而 CMOS 光電傳感器光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比 CCD 電荷耦合器快很多。3）電源及耗電量CCD 電荷耦合器大多需要三組電

11、源供電，耗電量較大； CMOS 光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為 CCD 電荷耦合器的 1/8 到 1/10，CMOS 光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。4）成像質(zhì)量CCD 電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用 PN 結(jié)或二氧化硅（SiO2）層噪聲，成像質(zhì)量相對 CMOS 光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于 CMOS 光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使 CMOS 光電傳感器很長一段時間無法進(jìn)入實(shí)用。近幾年，隨著 CMOS 電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的 CMOS 圖像傳感器提供了良好的條件。所有

12、 CCD都屬于模擬元件，但當(dāng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)時卻是數(shù)字信號。如果數(shù)據(jù)是在攝像頭、卡兩部分完成數(shù)字化的，這個攝像頭就是模擬攝像頭。而 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭則是在攝像頭內(nèi)部完成數(shù)字化的，這樣可以減少圖像的噪音。與模擬攝像頭相比，數(shù)字?jǐn)z像頭顯著提高了攝像頭的信噪比、增加了攝像頭的動態(tài)范圍、最大化圖像灰度范圍。相比之下，我們采用數(shù)字式 CMOS 攝像頭作為賽道檢測傳感器。4第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與方案選擇2.2.3. 測速方案選擇速度是閉環(huán)系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。為了使得車模能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，車速要與舵機(jī)配合，以保證車模在各種道路上性能穩(wěn)定。所以要實(shí)時檢測當(dāng)前車模速度，并根據(jù)車模在賽道上所處的情況來

13、調(diào)整速度。車速檢測可用測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、透射式光電檢測和霍爾傳感器檢測等。由于光電編碼器價(jià)格較高，我們采用碼盤加透射式光電傳感器檢測速度，完全可以滿足要求。5第三章 模型車機(jī)械設(shè)計(jì)3.1 整體布局根據(jù)本屆賽道的特點(diǎn)，我們采用了低重心緊湊型的設(shè)計(jì)方案，并架高舵機(jī)以提高響應(yīng)速度； 各系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)成面積較小方形電路板，采用低位主板的布局和針插式安裝方式；同時攝像頭傳感器支架采用了鋁合金支架并采用了自行設(shè)計(jì)的攝像頭處理電路，其整車布局如圖 3.1 所示。圖 3.1 整車布局3.2. 系統(tǒng)電路板安裝如上所述，系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)成幾個面積較小的正方形印制電路板，其安6第三章模型車機(jī)械設(shè)計(jì)裝結(jié)構(gòu)如圖3.2

14、所示，各電路板的安裝采用針插式連接，既起到固定作用又起到線路的連通作用，其實(shí)這樣減輕了車身質(zhì)量，而且還可安裝在離車模底盤非常接近的位置，以降低車模重心，使車模在行駛過程中更平穩(wěn)。圖 3.2 系統(tǒng)電路板安裝圖3.3. 舵機(jī)安裝舵機(jī)以前是平臥的安裝在底板上，由于力臂短，導(dǎo)致了舵機(jī)反應(yīng)速度不夠靈敏，于是舵機(jī)架高改成直立式以增其力臂，提高靈敏度。為了避免舵機(jī)的架高使車輪傳來的阻力矩增大，反而使舵機(jī)反應(yīng)遲緩，經(jīng)過數(shù)次的試驗(yàn)和得出了高度最佳值， 使舵機(jī)固定中點(diǎn)位置可使兩個前輪獲得相同的力臂，使舵機(jī)在轉(zhuǎn)彎時具有更好的性能，舵機(jī)的安裝方式如圖 3.3 所示。7第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告圖 3.3 舵機(jī)安

15、裝圖3.4. 攝像頭支架的設(shè)計(jì)安裝攝像頭的架設(shè)要求角度可調(diào)、高度適度，而且材料要輕，具有一定剛度，與車模底盤可靠固定。經(jīng)過反復(fù)挑選，我們選用空心鋁合金管，下端通過角鐵與底盤固定，非常牢固。頂端也用角鐵做成旋轉(zhuǎn)支架與攝像頭相連接。圖 3.4 為攝像頭傳感器支架的安裝實(shí)物圖。圖 3.4 攝像頭的固定8第三章模型車機(jī)械設(shè)計(jì)3.5. 測速模塊安裝如圖 3.5 所示，在車模的驅(qū)動電機(jī)軸上安一同軸碼盤，碼盤的凹槽數(shù)為 12個。測速傳感器使用的是透射式紅外傳感器，車模測速通過透射式紅外傳感器中接收管的導(dǎo)通和截止來實(shí)現(xiàn)。透射式紅外傳感器電路模塊用固體膠固定在車模后部車身支架上。圖 3.5 測速模塊安裝9第三屆

16、大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1. 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由于車模的重心越低、重量越輕越有利于車的穩(wěn)定性和快速性，采用集成電路既可以使體積減小，使電路美觀，又可以減輕車體重量，使重心降低，有利于提高智能車性能。硬件設(shè)計(jì)時我們考慮到電磁信號的干擾和布線的合理性，在設(shè)計(jì)的過程中都做了相應(yīng)處理。系統(tǒng)硬件電路主要由以下幾個部分，其框圖如圖4.1所示：1)MC9S12DG128 最小系統(tǒng)：采用自行設(shè)計(jì)的,這樣可以減輕車的重量。電源電路：包括 5v 穩(wěn)壓電路、6v 穩(wěn)壓電路；2)3)賽道檢測電路：采用數(shù)字式攝像頭傳感器；4)電機(jī)驅(qū)動電路：電機(jī)驅(qū)動采用 H 橋驅(qū)動；5)舵機(jī)驅(qū)動電路：由于使用的電池

17、是 7.2v，不能直接適用于舵機(jī)，所以需要對舵機(jī)外加穩(wěn)壓電路；車速檢測電路：采用透射式光編碼檢測；6)7.2v電 池 電 源5v穩(wěn) 壓 模 塊單 片 機(jī)車 速 檢 測電機(jī)圖 4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖10攝 像 頭舵 機(jī)電 機(jī) 驅(qū) 動模 塊6v穩(wěn) 壓 模 塊第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.2. 電源電路設(shè)計(jì)電源模塊的設(shè)計(jì)包括：傳感器供電模塊、單片機(jī)供電模塊、驅(qū)動電機(jī)供電模塊以及其它的輔助模塊等。設(shè)計(jì)中要注意電源轉(zhuǎn)換效率、噪聲、干擾等。保證系統(tǒng)硬件電路可靠運(yùn)行。整個硬件電路的電源全部由 7.2V，2A/h 的可充電鎳鎘電池提供。由于電路中的不路模塊所需要的工作電壓、電流各不相同，因此需要多個穩(wěn)壓電路將電池電壓轉(zhuǎn)

18、換成各個模塊的所需電壓。4.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)及攝像頭電源電路設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)和攝像頭電源穩(wěn)壓電路僅為+5V 穩(wěn)壓電路。由于整個系統(tǒng)中+5V電路功耗較小，為了降低電源紋波，故選擇使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，如圖 4.2 所示。在實(shí)際制作過程中，曾選用過集成L7805 時，當(dāng)電機(jī)啟動時，或者電流量突然增加的情況下，經(jīng)常會出現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位的現(xiàn)象。糾其發(fā)現(xiàn)后輪驅(qū)動電機(jī)工作時，造成電池電壓下降較大，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，必須使用低壓降電源穩(wěn)壓，最后選用了 TPS7350。T1R11RESE8TRESETnGND EN IN IN27250KFB34OUT 6P 7.2 POWER INOUT 5+

19、TPS7350+VCCD1C9 0.1uFC10 10uFC11 10uF圖 4.25V穩(wěn)壓電氣原理圖4.2.2 舵機(jī)電源電路設(shè)計(jì)舵機(jī)電源是 6v，我們選用 TPS76850，它完全能滿足該系統(tǒng)中的各項(xiàng)要求，其電氣原理圖如圖 4.3 所示，為了達(dá)到電壓的穩(wěn)定，在輸入端我們串接了一個 10mH 的電感，以減小電壓的不穩(wěn)定造成對系統(tǒng)的擾動。11第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告R1 0D1D2T1250KR218GND EN ININTPS76850PG 2 76FBL3POWER 7 2346VOUTOUT5OUT+ C30.1uF+ C4 10uF10mH+ C5 220uFT2250KR3 1

20、 8GNDPG 2 7EN INFBR43465OUT0INOUT+ C10+ C11 0.1uF+ C12 10uF220uFTPS76850圖 4.3 6V 穩(wěn)壓電氣原理圖4.3. 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)最初采用的是 MC33886， MC33886 是一款用于電機(jī)驅(qū)動的高效單片集成，能夠向負(fù)載電機(jī)提供高達(dá) 5.0A 連續(xù)的直流感應(yīng)電流，最高可以處理10kHz 頻率的 PWM 調(diào)制脈沖。由于MC33886 發(fā)熱問題比較突出，特別是其正反轉(zhuǎn)較為頻繁的時候。考慮到電機(jī) RS380SH 無論電壓還是功率都還有很大的余量， 所以在使用 MC33886 時，可將兩片并聯(lián)使用，以增大輸出電流，提高 RS38

21、0SH 的功率，提高轉(zhuǎn)速。但本設(shè)計(jì)并未采用，而是采用了場效應(yīng)管搭建 H 橋來驅(qū)動電機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是場效應(yīng)管具有內(nèi)阻極小、開關(guān)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。 電路設(shè)計(jì)如圖 4.4 所示。12第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)J1COAX-M POWER 7 2R53 3KR73 3KPMOS-2Q1R8R9Q2 PMOS-21010Q3R109014 IN 2R12Q4 9014J2J3IN 13 3K3 3KCOAX-MQ7COAX-M NMOS-2Q6R13R14D1 D2NMOS-21010R15 10KR1610KJ4COAX-M圖 4.4 電機(jī)驅(qū)動電路4.4. 攝像頭電路設(shè)計(jì)我們所用數(shù)字式攝像頭的型號是 OV6620

22、。其電氣原理圖如圖 4 5 所示：VCCC1 0.1uFRS TR1 3 .3 KC2 0.1uFR2 3 .3 K3 .3 K VCC R3JP1VCC123VCC AGC C3Head er3VCC0.1uFR4 3 .3 K7842L1 1 0 mHAGND AVDD PWDNBW CHSYNC CBAR Y401VCCR53 .3 K Y094013572468JP2VCCY1 Y1 Y2 Y3C410G2 XY329123Head er3VRCAP1 VRCAP3 IC BVTOADVDD ADGND VSYNC CSYS FODD/CLKHREF/VSFRAM IC B 0.1uF

23、 11O1OV6620RGB Y38R8C12 1uFIIC B 1237CS 1 /Y4Y4 13SHARP36Y512L2 1 0 mH Y5 Y6 Y7354681435VCCCS 2 /Y61516CS 0 Y3747R9C5 0.1uFPWDB3P3CLK171832DOVDDVCC DGND 31S CL SDA SCLO132 SDAO HREF456 VSYNC7 8R10R6 3 .3 KVCCJP3 SDAOVSYNC Y1Y3 Y5 Y7VCCVCCXTAL2C6VCCHe d er7 X2+C140uF0 1uF3R7 1 MO2C7C8C9C100.1uF0.1uF0

24、.1uF 0.1uFC13 10uF圖4.5攝像頭電氣原理圖OV66205V 電壓供電，可與系統(tǒng)板上的電源兼容；它是 PAL 制，需要穩(wěn)定的1312DEGND DEVDD S CL SD LMU LT SGND SVDD RES ETA G CEN F REX V RCA P 2 A SU BDGND3 0 DVDD2 9 X CLK228 X CLK217 UV0/G2A6M MA U V 1 /C2 C5 IR65 6 U V 2 Q2 4CIF UV3 2 3UV4 2 2U V 5 /M2 1IR UV6A2BK0 EN U V 7 B1894 34 4S CL4 5SDA4 64 7

25、4 81RS T 2 A G C3 456XTAL1 XTAL2 C110 1uFOSCXTAL1SCLO HREF Y01234567891011 1213 14Y2Y4Y6第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告每秒就有 50 場，20MS 有一幅圖像產(chǎn)生；它是 356×292 像素，即：有 292 行 ，一行有 356 個點(diǎn)； 它的數(shù)據(jù)格式是 YCrCb 4:2:2, GRB 4:2:2 。經(jīng)試驗(yàn)可以得到很好的圖像效果。4.5. 測速電路設(shè)計(jì)采用透射式光電傳感器與碼盤配合信號，由于產(chǎn)生的信號會有許多毛刺，經(jīng)過施密特觸發(fā)器處理后產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波信號送入單片機(jī)，電氣原理圖如圖 4.8 所示。

26、+5+5R1 360R2100KU1 A12P0J674LS14C1 103CESU圖 4.8 測速模塊電氣原理圖通過 MC9S12DG128 單片機(jī)的輸入捕捉功能測取矩形波信號上升沿和下一個上升沿之間的時間 T（對應(yīng)于碼盤轉(zhuǎn)過一個空需要的時間）。已知電機(jī)傳動比為 18/76（小齒輪的齒數(shù)為 18 個、大齒輪的齒數(shù)為 76 個），測得后輪轉(zhuǎn)動一周對應(yīng)的行駛距離為 0.17m，設(shè)碼盤的孔數(shù)為 N，則速度可由以下公式求得：Speed=(0.17*18)/(76*N*T)（公式 4.1）上面的公式事實(shí)上是一種理想情況，它需要滿足的條件是：碼盤的 N 個孔分布均勻，同時每個孔對應(yīng)得弧角也都相同，但事實(shí)

27、上碼盤很難滿足這個條件。為了提高測速的準(zhǔn)確性，采用了求平均的方法，即在每次輸入捕捉中斷時取最近 N 次的時間 T 值相加，取平均得出最終的 T 值代入上式。因?yàn)榇a盤 N 個孔對14第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)的弧角和為 360 固定不變，這種方法避免了由碼盤孔分布不均產(chǎn)生的誤差，但也同時增加了測速的滯后性。經(jīng)過計(jì)算，碼盤轉(zhuǎn)動一周小車大約行駛 4cm，如果小車以 2m/s3m/s 的速度行駛，大約需要 13ms20ms。則由上訴算法帶來的滯后性大約為 6.5ms10ms。這樣的滯后時間在調(diào)速的過程中是可以承受的。15第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)如圖 5.1 所示，為系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖，

28、主要包括：系統(tǒng)參數(shù)的手動調(diào)節(jié)；處理數(shù)字?jǐn)z像頭數(shù)據(jù)；賽道路徑模塊；舵機(jī)模塊；電機(jī)模塊。反 饋路 徑圖 5.1 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)接通電源后，經(jīng)初始化；通過系統(tǒng)參數(shù)的手動調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)能夠按照準(zhǔn)確的設(shè)想方式運(yùn)行；然后通過數(shù)字式攝像頭傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)處理得出當(dāng)前賽道路徑信息；同時，電機(jī)測速模塊測得模型車當(dāng)前的運(yùn)行速度，反饋給系統(tǒng)；最后，經(jīng)路徑系統(tǒng)綜合當(dāng)前賽道路徑信息和車模速度值作出相應(yīng)的處理，來電機(jī)和舵機(jī)的運(yùn)行。16舵 機(jī) 擺 角電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速處理數(shù)字?jǐn)z像頭數(shù) 據(jù)系 統(tǒng) 參 數(shù)手 動 調(diào) 節(jié)系 統(tǒng) 初 始 化第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.2 圖像處理由于攝像頭的圖像干擾很多，梯形失真也很嚴(yán)重。需要對

29、圖像進(jìn)行濾波等處理。5.2.1 圖像二值化在得到正確灰度圖像后，二值化程度的關(guān)鍵就在閥值的設(shè)定。所說的閾值就是將灰度或彩色圖像轉(zhuǎn)換為高對比度的黑白圖像，比閾值亮的像素轉(zhuǎn)換為白色；而比閾值暗的像素轉(zhuǎn)換為黑色。5.2.2 圖像去噪聲處理找出二值化以后的圖像每一行中的黑域，如果只有一個黑域，則記下黑域起始點(diǎn)對應(yīng)的列號和結(jié)束點(diǎn)對應(yīng)的列號，求平均值即為黑線中心，如果黑域大于或者等于兩個該行圖像，信息有錯，則利用該行相鄰行找出正確的黑線位置。 如果連續(xù)幾行都為錯，則放棄這幾行，直到找出正確行為止 ，再將剛才放棄的部分黑線補(bǔ)上。視野長度，中間各行相鄰兩采樣點(diǎn)之間的距離根據(jù)其行號按比例計(jì)算出來【4】。5.3策

30、略5.3.1 經(jīng)典 PID算法PID是工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器。問世至今 70 多年來，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)的主要技術(shù)之一。反饋的 PID原理框圖如圖 5.2 所示。17第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告R +Y執(zhí) 行 器-e圖 5.2反饋的 PID原理圖反饋 e 代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個誤差信號被送到器，器算出誤差信號的值和微分值，并將它們與原誤差信號進(jìn)行線性組合，得到輸出量 u。dedtpi òu = k e + kedt + k（公式 5.1）d其中， k p 、 ki 、 kd 分別稱為比例系數(shù)、系數(shù)、微分系數(shù)。 u 接著被送到

31、了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號 u ，這個新的輸出信號被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號，這個過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。PID 各個參數(shù)作用基本介紹：增大微分項(xiàng)系數(shù)可以加快動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，但容易引起震蕩。一般增大比例系數(shù)能夠減小上升時間，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。增大系數(shù)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但會使瞬時響應(yīng)變差。增大微分系數(shù)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調(diào)，并且瞬時響應(yīng)。對連續(xù)系統(tǒng)中的項(xiàng)和微分項(xiàng)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，是將上式轉(zhuǎn)換成差分方程，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器。位置式 PID用矩形數(shù)值算法。代替上式中的項(xiàng)，對導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字 PID器的基本算式（位置算式）- en-1nen1un

32、= k p (en + T åek T + Td)（公式 5.2）Tk =1i18器u第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)其中 T 是采樣時間，kp 、Ti 、Td 為三個待調(diào)參數(shù)，在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時，處理成以下形式：rout=(Proportion*( Error.LastError)+(Integral*Error)+(Der ivative*dError)（公式 5.3）增量式 PID算法對位置式加以變換，可以得到 PID 算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式（增量式）：+ Td1Du = u - u= k ( e - e) +e(e - 2e+ e（公式 5.4）)nnn -1pnn-1n-1n- 2nnT

33、Ti在 實(shí) 際 代 碼 實(shí) 現(xiàn) 時 ， 處 理 成rout=(Proportion*( Error.LastError)+(Integral*Error)+(Der ivative*dError)的形式。運(yùn)用 PID的關(guān)鍵是調(diào)整三個比例系數(shù)，即參數(shù)整定。PID 整定的方法有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定器參數(shù)。由于智能車整個系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布參數(shù)系統(tǒng)，要建立精確的智能車運(yùn)動數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且對車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行不斷修正，模型參數(shù)變化較頻繁，可操作性不強(qiáng)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單，本設(shè)計(jì)采用了這

34、種方法，先后實(shí)驗(yàn)了幾種動態(tài)改變 PID 參數(shù)的方法。5.3.2 車速 PID策略我們對速度的采用了死區(qū)的增量式 PID 算法，而在實(shí)際測試中，選擇了帶死區(qū)的 PID 算法是防止它調(diào)節(jié)過于頻繁，導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。增量式 PID 算法存在不能起速的問題，為此在程序中附加了當(dāng)偏差過大時賦予值最大的語句。在速度中采取的基本策略是彎道降速，直道提速。在實(shí)際測試中，發(fā)現(xiàn)小車直道和彎道相互過度時加比較靈敏，與舵機(jī)轉(zhuǎn)向配合較好。其策略為：（公式 5.5）control =control+(rout/set_integration)19第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告通過測試也存在局限性。車在彎道進(jìn)直道后的和直道入

35、彎道的速度控制不能達(dá)到最好的效果，彎道入直道不夠快速，直道入彎道的時機(jī)也不夠及時。設(shè)計(jì)中做了進(jìn)一步的改進(jìn)，根據(jù)入彎時黑線位置的特點(diǎn)改變二次曲線中最高點(diǎn)（直道的最高速度）和最低點(diǎn)（彎道的最低速度）的大小，使得效果更合理。5.3.3 路徑策略由于攝像頭的前瞻性很好，故采用PD，基本的行駛策略是使保持在引導(dǎo)線的中心線上，但這只適用于直道，對于普通彎道與大S彎道，如果不改變策略，肯定會影響全程時間，所以根據(jù)不同道路曲率調(diào)整舵機(jī)的參數(shù)，選取最優(yōu)路線以減少路程，路線如圖5.3所示，實(shí)線為實(shí)際道路，虛線為選取的行駛路線。圖5.3 大S最優(yōu)線路圖對小S彎道可按直道處理， 便可提速節(jié)省時間，路線如圖5.4所示。

36、圖5.4 小S最優(yōu)線路20第六章 開發(fā)工具及安裝調(diào)試過程6.1 開發(fā)工具介紹Codewarrior 是Metrowerks 公司開發(fā)的軟件集成開發(fā)環(huán)境（簡稱IDE）。飛思卡爾所有系列的微器都可以在codewarrior IDE 下進(jìn)行軟件開發(fā)【5】。開發(fā)可以在不同的操作系統(tǒng)下使用codewarrior IDE 來開發(fā)的軟件。這些操作系統(tǒng)包括Windows， Macintosh， Solaris，和 Linux。IDE 在不同操作系統(tǒng)下的界面完全相同。IDE 支持高級語言，比如： C，C+，和Java。另外還支持大多數(shù)微器的匯編語言。它的開發(fā)環(huán)境界面統(tǒng)一，IDE 支持許多通用的桌面或處理器。ID

37、E 的功能可以通過加入各種插件來擴(kuò)展。現(xiàn)在IDE 支持的插件包括： 編譯器，器，預(yù)先器，后器，常用的面板， 版本以及其他工具。插件可以讓CodeWarrior IDE 支持不同的語言和處理器。在軟件開發(fā)過程中，通常需要經(jīng)過以下幾個步驟：新建：創(chuàng)建新項(xiàng)目，源文件；編輯：按照一定的規(guī)則編輯源代碼，注釋；編譯：將源代碼編譯成碼，同時還會檢查語法錯誤和進(jìn)行編譯優(yōu)化；：將編譯后的的模塊成一個二進(jìn)制可執(zhí)行文件；調(diào)試：對軟件進(jìn)試并發(fā)現(xiàn)錯誤；在軟件開發(fā)中，每個過程都會用到不同的工具。如果每個工具都單獨(dú)存在，這樣就會給開發(fā)帶來很多不便。所以公司為開發(fā)提供了非常方便的集成開發(fā)環(huán)境。開發(fā)可以在同一個工作平臺上完成以

38、上全部的工作。6.2 軟件調(diào)試過程6.2.1 使用 LabVIEW 軟件輔助調(diào)試在調(diào)試過程中我們應(yīng)用了LabVIEW編程軟件進(jìn)行。在LabVIEW環(huán)21第三屆大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告境下，程序是圖形化編程介面，可清楚的觀察到過程。LabVIEW是一種功能齊全的圖形化編程語言，LabVIEW以其獲得專利的數(shù)據(jù)流編程模式為您擺脫基于文本編程語言的順序架構(gòu)的桎梏，所以又稱以LabVIEW 為代表的圖形化程序語言為“G”語言。LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言(“G”語言)編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與

39、文本的順序行所不同，結(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流確定了LabVIEW的執(zhí)行次序。用戶可以輕松地創(chuàng)建可并行執(zhí)行多種操作的程序框圖。此外，LabV IEW 并行執(zhí)行的本質(zhì)令多任務(wù)和多線程的執(zhí)行得以簡化。使用LabV IEW 的調(diào)試工具，用戶可數(shù)據(jù)在程序中的移動并精確掌握數(shù)據(jù)通過線纜在函數(shù)間移動的情況。這種方式與基于文本的語言不同，基于文本的語言要求用戶每個函數(shù)用以跟蹤程序的執(zhí)行狀況，而 LabV IEW 擁有所有的通用編程環(huán)境，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和處理。LabV IEW 有一個內(nèi)置編譯器，可在編輯時間編譯所有代碼。選擇 LabV IEW 開發(fā)測試和測量應(yīng)用的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用 LabV I

40、EW 開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的速度比使用其它編程語言快 4 到 10 倍【6】。經(jīng)測試，我們在軟件和硬件上，又做了相應(yīng)的改動，最終得到了很好的控制效果。22第七章 車模主要技術(shù)參數(shù)說明表 7.1模型車技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表23項(xiàng)目參數(shù)車模幾何（長、寬、高）（毫米）290×180×250車模軸距/輪距（毫米）115車模平均電流（勻速行駛）(毫安)1800電路電容總量（微法）1800.23傳感器種類及個數(shù)攝像頭 1 個，光電 1 個，度 1 個新增加伺服電機(jī)個數(shù)0賽道信息檢測空間精度（毫米）10賽道信息檢測頻率（次/秒）50除MC9MC9S12DG128 之外其它主要TPS7350，TPS768

41、50，MC33886，MMA7260，車模重量（帶有電池）（千克）1.3第八章 結(jié)論該系統(tǒng)以Freescale 16位單片機(jī)MC9MC9S12DG128 作為系統(tǒng)處理器，采用CMOS數(shù)字式攝像頭獲取賽道路況信息，采用透射式光電傳感器測速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)，使模型車能夠穩(wěn)定快速運(yùn)行。文中介紹了對機(jī)械結(jié)構(gòu)的一些調(diào)整，系統(tǒng)各模塊的工作原理和設(shè)計(jì)思路，以及系統(tǒng)制作過程中所用到的開發(fā)工具和其他輔助工具等。通過對智能車的測試，達(dá)到了系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)體現(xiàn)在CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭，數(shù)字?jǐn)z像頭是在攝像頭內(nèi)部完成數(shù)字化的，這樣可以減少圖像的噪音。與模擬攝像頭相比，數(shù)字?jǐn)z像頭顯著提高了攝像頭的信噪比、增加

42、了攝像頭的動態(tài)范圍、最大化圖像灰度范圍。本設(shè)計(jì)經(jīng)過查找資料，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，組裝車模，算法分析，編寫程序各階段工作，直到系統(tǒng)成型?？偨Y(jié)整個設(shè)計(jì)過程，從中我們得到了實(shí)踐和鍛煉機(jī)會，更培養(yǎng)了一定的科研能力。由于水平和經(jīng)驗(yàn)不足，時間有限，許多算法還沒有深入研究，許多設(shè)計(jì)思路沒有完全實(shí)現(xiàn)，需要在以后研究中不斷的完善。24參考文獻(xiàn)1 卓晴，黃開勝，邵貝貝等.學(xué)做智能車“飛思卡爾”杯C.北京：北京航空航天大學(xué)，2007.2尹念東. 智能車輛的研究及前景J.上海汽車 技術(shù)導(dǎo)向，1994.2008.34余星毅，徐斌，余春賢，譚興聞.吉林大學(xué)愛德 2 隊(duì)技術(shù)報(bào)告.5Codewarrior使用指南.6程學(xué)慶.Lab

43、VIEW圖形化編程與實(shí)例應(yīng)用M.北京：中國鐵道，2005附錄 A：程序源代碼/*遼寧工程技術(shù)大學(xué)靖遠(yuǎn)一隊(duì)智能車程序文件名:main.c硬件:MC9SDG128B編譯：CodeWarrior*/#include <hidef.h>/* common defines and macros */#include <mc9MC9S12DG128.h>#include<string.h>/* derivative information */#pragma LINK_INFO DERIVATIVE "mc9MC9S12DG128b"#

44、include "printp.h"/.#define #define #define #define #define #define #define #define#definered clr_redyellowPORTK_BIT1=1; PORTK_BIT1=0;PORTK_BIT2=1;clr_yellow PORTK_BIT2=0;blue clr_blue strait_roadcurve_roadPORTK_BIT3=1; PORTK_BIT3=0; 24s_curve_road6#define turn_midile 250#define c_midile 2

45、40 #define AD0 0X0C #define AD1 0X1C #define AD2 0X2C #define AD3 0X3C #define erase#define prog #define sector_erase #define mass_erase#define sector_modify char AD_wData = 0;static unsigned char count=0 ;0x05;0x20;0x40;0x41;0x60;static unsigned char speed_con=0; /計(jì)數(shù)調(diào)用速度函數(shù)static unsigned char line=

46、25;static unsigned char arrange=0;static unsigned char line_2=25; static unsigned char arrange_2=0;26static unsigned char see=23;static unsigned char see_turn=16，see_curve=12; static unsigned char ii=0;static int run=0;static unsigned static unsigned static unsigned static unsigned static unsigned s

47、tatic unsigned static unsigned static unsigned static unsignedstatic unsignedchar image_2748;char road_recognise=0;/road style recognise char imag48;char image_22748; char interrupt_control=20; char turn_proportion=0; char turn_label=0;char image_recognise=0，s_curve_recognise=0; char angle_velocity=

48、0，angle_v=0;int turn_recognise=0;unsigned char (*image_point)48;static unsigned char image_line=0，image_arrange=0，slop_min=0;c o n s t i n timage_error_co26=0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，13，16，19，22，26，30，34，39， 44，49，55，61，67，73，80;co n stin timage_co26=100，104，108，112，116，120，124，128，132，136，140，152，164，

49、176，188，204，220，236，256，276，296，320，344，368，392，420 ;constint angle_co48=0， 9， 17， 26， 34， 43， 52， 60， 69， 78， 86， 95， 104，113，122，131，140，150，159，168，178，188，197，208，218，228，238，250，260，272，283，294，306，318，331，343，356，369，383，397，411，426，441，457，473，490，507，525;const unsigned int time_space30=672， 672， 672 ，576， 576， 576，480， 480， 480，384， 384，1440，1344，1248，1152，1056，960，864，768，672，576，480，384，288，192，96 ;const unsigned int image_cau26 =10，10，10，10，9，9，9， 8， 8， 8，7， 7， 6， 6， 6， 6， 5， 5， 5， 4 4， 4， 4， 4