賽區(qū)-攝像頭組工業(yè)電光一隊(duì)技術(shù)報(bào)告

本人完全了解第九屆“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)于保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽和飛思卡爾半導(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、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在 集中。日期 本組使用大賽 提供的競模，采用飛思卡爾16位微控制器在這份報(bào)告中，主要通過對整體方案、機(jī)械、硬件、算法等方的介紹，詳細(xì)闡述我隊(duì)在此次智能汽車競賽中的思想和創(chuàng)新。具體表現(xiàn)在電路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、算法以及輔助調(diào)試模塊等方面的創(chuàng)新。我隊(duì)成員涉及自動化、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等專業(yè)，在準(zhǔn)備比賽的過，隊(duì)員查閱了大量的專業(yè)資料，反復(fù)地調(diào)試汽車模型的各項(xiàng)參數(shù)。所有隊(duì)員都為此次智能汽車競賽付出了艱苦的勞動。這份報(bào)告凝聚著齊魯工業(yè)大學(xué)智能汽車隊(duì)光電組全體隊(duì)員的心血和智慧。該系統(tǒng)以飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機(jī)為控制，采用硬件二值化方法獲取OV5116模擬頭信息以及角度測量信息主要使用PID及模糊PID算法實(shí)：智能車、MC9S12XS128、OV5116、模糊、目引 摘要 目 第一章方案設(shè)計(jì) 小 第八章結(jié) 附錄A:程序源代 化圖像信號、場同步信號、行同步信號輸入MC9S12XS128微控制器，進(jìn)行進(jìn)一步處理獲得主要的賽道信息；通過光電編來檢測車速，一路采用MC9S12XS128的根據(jù)智能車系統(tǒng)的基本要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1.1所示。在滿足比賽要求的情況下，力求系統(tǒng)簡單高效，因而在設(shè)計(jì)過盡量簡化硬件高速頭本章重點(diǎn)分析了智能汽車系統(tǒng)總體方案的選擇，并介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和總體結(jié)構(gòu)，簡要地分析了系統(tǒng)各模塊的作用。在今后的章節(jié)中，將對整個系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。 根據(jù)比賽規(guī)則要求，維持車模直立也以設(shè)計(jì)出很多的方案，本參考方案假設(shè)維持車模直立、運(yùn)行的動力都來自于車模的兩個后車輪。后輪轉(zhuǎn)動由兩個直流電機(jī)驅(qū)動。因此從控制角度來看，車模作為一個控制對象，它的控制輸入量是兩個電極的轉(zhuǎn)動速度。車模運(yùn)動控制任務(wù)可以分解成以下三個基本控制任務(wù)，如圖2-1所示：(1)控制車模平衡：通過控制兩個電機(jī)正反向運(yùn)動保持車模直立平衡狀態(tài)；(2)控制車模速度：通過調(diào)節(jié)車模的傾角來實(shí)現(xiàn)車模速度控制，實(shí)際上最后還是演變成通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)車輪速度的控制。(3)控制車模方向：通過控制兩個電機(jī)之間的轉(zhuǎn)動差速實(shí)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向控制。車模直立和方向控制任務(wù)都是直接通過控制車模兩個后輪驅(qū)動電機(jī)完成的。假設(shè)車模電機(jī)可以虛擬地拆解成兩個不同功能的驅(qū)動電機(jī)，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、左右方向。在實(shí)際控制中，是將控制車模直立和方向的控制信號疊加在一起加載電機(jī)上，只要電機(jī)處于線性狀態(tài)就可以同時完成上面兩個任務(wù)。車模的速度是通過調(diào)節(jié)車模傾角來完成的。車模不同的傾角會引起車模的加，從而達(dá)到對于速度的控制。車模平衡控制車模平衡控制也是通過負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的，與上面保持木棒直立比較則相對簡單。因?yàn)檐嚹Ｓ袃蓚€著地，車體只會在滾動的方向上發(fā)生傾斜。控制轉(zhuǎn)動，抵消在一個維度上傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。如圖2.2所示2.2車體平衡假設(shè)倒立車模簡化成高度為Lm的簡單倒立擺，它放置在可以左右移動的車輪上。假設(shè)外力干擾引起車模產(chǎn)生角加速度x(t)。沿著垂直于車模地盤方向進(jìn)行受力分析，可以得到車模傾角與車輪運(yùn)動加速度a(t)以及外力干擾加速度x(t)之間的運(yùn)動方程。如圖2-3所示。2.3車模運(yùn)動方程對應(yīng)車模時，系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)為此時系統(tǒng)具有兩個極點(diǎn)一個極點(diǎn)位于s平面的右半平面，因此車模不穩(wěn)定。車模引入比例、微分反饋之后的系統(tǒng)如下圖所示：2.4加入比例微分反饋后的系統(tǒng)框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：，此時兩個系統(tǒng)極點(diǎn)位于，系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點(diǎn)都位于s平面的左半平面。要滿足這一點(diǎn)需要，由此可以得出結(jié)論，當(dāng)時，直立車?？梢苑€(wěn)定。這與前面通過分析所得出的結(jié)論是一致的。車模角度和角速度測量加速度傳感器可以測量由地球引力作用或者物體運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度。競賽規(guī)則規(guī)定如果車模使用加速度傳感器必須使用飛思卡爾公司產(chǎn)生的加速度傳感器。該系列的傳感器采用了半導(dǎo)體表面微機(jī)械加工和集成電路技術(shù)，傳感器體積小，重量輕。陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。競賽允許選用村田公司ENC-03系列的加速度傳感器。它利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會受到科利力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。ENC-03角速度傳感器以及相關(guān)參考放大電路如圖2.4所示。2.4角速度傳感器及參考放大電路由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號，通過以下方法來修正這個信號。通過對比積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步到加速度傳感器所得到的角度。如圖2.5所示。2.5通過重力加速度來矯正陀螺儀根據(jù)前介紹車模角度控制和角度測量方法，可以得到如下車模角度控制方案框圖2.6角度控制框圖該方案中采用重力加速度計(jì)和陀螺儀通過角度互補(bǔ)融合方式獲取車模傾角和角速度，通過兩個比例常數(shù)后，控制電機(jī)驅(qū)動電壓，使得車模產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，維持車模的直立。在此方案中，需要保證重力加速度傳感器安裝Z軸與車模直立中軸線嚴(yán)格垂直。如果出現(xiàn)角度偏差，上述控制實(shí)際結(jié)果是車模與地面不是嚴(yán)格垂直，而是存在一個對應(yīng)的傾角。在重力的作用下，車模會朝著一個方面加速前進(jìn)。為了保持車模的或者勻速運(yùn)動需要消除這個安裝誤差。在實(shí)際車模制作過需要進(jìn)行機(jī)械調(diào)整和軟件參數(shù)設(shè)置。另外需要通過中的速度控制來實(shí)現(xiàn)速度的穩(wěn)定性。在車模角度控制中出現(xiàn)的車模傾角偏差，使得車模在傾斜的方向上產(chǎn)生加速。這個結(jié)果可以用來進(jìn)行車模的速度控制。下一節(jié)將利用這個原理來調(diào)節(jié)車模的速度。車模速度控制對于直立車模速度的控制相對于普通車模的速度控制則比較復(fù)雜。由于在速度控制過需要始終保持車模的平衡，因此車模速度控制不能夠直接通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，而要通過改變車身傾角來實(shí)現(xiàn)。以加速過程為例，將角度控制的輸出量減少一定的量，則車模有了一個向前的傾斜角度，在直立控制的作用下，車輪需要向前加速，此時車模就會向前加速。控制框圖如圖2.7所示。2.7車模速度控制車模方向控制實(shí)現(xiàn)車模方向控制是保證車模沿著競賽道路比賽的關(guān)鍵。通過OV5116頭檢測道路兩邊的黑線可以計(jì)算出車身的位置偏差，并利用電機(jī)差動控制實(shí)現(xiàn)方向控制，從而進(jìn)一步保證車模在賽道上。利用OV5116頭得到的偏差信號分別與兩個車輪的控制信號進(jìn)行加和減，形成左右輪差動控制電壓，使得車模左右輪運(yùn)行角速度不一致進(jìn)而控制車模方向。如圖2.8所示。2.8車模方向控制小結(jié)良好的控制算法是車模穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要的一點(diǎn)，選取了卓晴老師的直立車控制算法，經(jīng)驗(yàn)證確實(shí)穩(wěn)定可靠。第三章智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化此次競賽選用的是東莞市博思電子數(shù)碼科技生產(chǎn)的智能車競賽專用模型車(D型模型車)，配套的電機(jī)型號為-2875。智能車的控制采用的是雙后輪驅(qū)動方案。智能車的外形大致如下：圖3.1

小模型車的性能與機(jī)械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系。良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)是模型車提高速度的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在同等的控制環(huán)境下，機(jī)械機(jī)構(gòu)的好壞對其速度的影響十分顯著。非常重視對智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，經(jīng)過大量的理論研究和實(shí)踐，小車的大部分質(zhì)量都集中在兩輪的輪軸附近，達(dá)到降低重心的目的，從而提高了小車整體的穩(wěn)定性和可靠性。另外，重心的降低也大大的提高了小車的可控制性，控制起來十分簡單、方便，速度提升更加明顯。系統(tǒng)所有硬件電路的電源7.2V2A/h蓄電池提供電路不同頭編然后使用其他進(jìn)行黑白跳邊沿檢測，最終輸出二值化圖像。如圖4.2

圖4.2 液晶

，， 計(jì)數(shù)電

由于使用的是飛思卡爾公司16位單片機(jī)MC9S12XS128只能同時對一路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)因此需要使用CD4520外部計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)然后使用CPU的B口進(jìn)4.5所示圖 硬件電路是模型汽車系統(tǒng)的必備部分。只有穩(wěn)定的硬件電路才能保證程序的正確控制。為此，在設(shè)計(jì)電路之時，考慮了很多問題，采用了模擬部分與數(shù)字部分等措施。的硬件電路的設(shè)計(jì)思想是在保證正確檢測信號的前提下，盡可能精簡電路。OV5116頭控制流否否是是小,不能進(jìn)行整幅圖像搜索,因此硬件二值化與跳邊檢測相結(jié)合,進(jìn)行提取。如圖5.1是彎道 圖5.1彎道圖{{{}}}void{{{if(image[ii][jj]==1&&image[ii][jj+1]==1)ts1=16; if(image[ii][jj]==1&&image[ii][jj+1]==1)ts2=1;}}}在實(shí)際調(diào)試過切彎路徑主要決定了車輛是選擇內(nèi)道過彎還是外道過彎。切內(nèi)道，路經(jīng)最短，但是如果地面附著系數(shù)過小會導(dǎo)致車輛出現(xiàn)側(cè)滑的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，原因是切內(nèi)道時，曲率半徑過小，同時速度又很快，所以模型車需要的向心力會很大，而賽道本身是平面結(jié)構(gòu)，向心力將全部由地面的摩擦力提供，因此賽道表面的附著系數(shù)將對的運(yùn)行狀態(tài)有很大影響。切外道，路徑會略長，但是有的調(diào)整機(jī)會，同時曲率半徑的增加會使得模型車可以擁有更高的過彎速度。對轉(zhuǎn)向的控制使用的是PID算法。下面簡要介紹一下PID控制車跑動中，因?yàn)椴恍枰紤]小車之前走過的路線，所以，舍棄了I控制，PID控制參數(shù)。試湊不是盲目的，而是在控制理論指導(dǎo)下進(jìn)行的。在控制理論中PIPIDPDPID法繼續(xù)進(jìn)行本圈的比賽，因此，不得不對其進(jìn)行檢測，當(dāng)頭檢測到黑白相5.2人字道規(guī)則圖6.1CW界hiwave

，，圖 圖 長寬高21120“飛思卡爾”杯大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了八屆，該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科，培養(yǎng)了學(xué)生的知識融合和實(shí)踐動手能力。在此份技術(shù)報(bào)告中主要介紹了準(zhǔn)備比賽時的基本思路包括機(jī)械，電路，以及最重要的控制算法的創(chuàng)新思想。在傳感器的制作上，實(shí)際測驗(yàn)了多種排布方法的優(yōu)劣，考慮到程序的穩(wěn)定性、簡便性，最后敲定了OV5116頭，并通過反復(fù)實(shí)踐決定了傳感器的位置。在電路方面，以模塊形式分類，在電源管理，電機(jī)驅(qū)動，控制，信號，傳感器這六個模塊分別設(shè)計(jì)，在查找資料的基礎(chǔ)上各準(zhǔn)備了幾套方案，由隊(duì)員分組實(shí)驗(yàn)，最后確定了最終的電路圖。在算法方面，使用C語言編程，利用比賽的開發(fā)工具調(diào)試程序，經(jīng)過小組成員不斷、改進(jìn)，終于設(shè)計(jì)出一套比較穩(wěn)定的程序。在這套算法中，結(jié)合路況調(diào)整車速，做到直線加速，彎道，保證在最短時間跑完全程。準(zhǔn)備初始階段，由于自身知識積累不夠，遇到很多，也犯了不少錯誤。通過不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，最/r