中国民航大学二队飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告.docx
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中国民航大学二队飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
目录
第一章绪论
1.1比赛背景介绍
1.2智能车整体简介
1.2.1硬件设计概要
1.2.2软件设计概要
第二章车模结构设计及调整
2.1前轮定位
2.2后轮差速机构调整
2.3摄像头的安放位置,高度及重心
2.4舵机连杆的改造
2.6测速传感器的安装
第三章系统硬件设计
3.1主控电路板设计
3.2电源管理模块
3.2.15V稳压模块
3.2.29V稳压模块
3.3图像信息采集模块
3.4电机驱动模块
第四章信息采集
4.1视频信号的采集
4.2速度信息提取
第五章信息处理
5.1视频信号的处理
5.2赛道黑线的提取
5.3入窄道三角标志的处理
5.4十字交叉线的处理
5.5起始线的识别
第六章转向及速度控制算法
6.1转向控制
6.2速度调节
第七章总结
7.1智能车主要参数
7.2体会及结束语
参考文献
第一章绪论
如今半导体在汽车中的应用越来越普及，汽车电子化的发展可以满足人们对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的汽车行业发展的需求。
飞思卡尔半导体是嵌入式半导体设计与制造的全球领导者，一直致力于为汽车电子系统提供全范围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件产品和解决方案。
其产品面向汽车、消费电子、工业和网络市场。
它是排名第一的汽车电子半导体供应商，处于技术于标准开发的前沿，超过40%的新车都使用了飞思卡尔的技术。
飞思卡尔为汽车电子系统所提供全范围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件产品和解决方案，将引领汽车电子朝着更加智能化的方向发展。
飞思卡尔的S12是一个非常成功的芯片系列，在全球以及中国范围内被广泛应用于各种汽车电子应用中。
1.1比赛背景介绍
全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了三届，它是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。
本竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想通过比赛，促进了高等学校的素质教育，培养了本科生获取知识、应用知识的能力及创新意识，培养研究生从事科学、技术研究能力，激发了大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造了条件。
这个大赛的综合性很强，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多个学科交叉的科技创意性比赛。
本竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。
1.2智能车整体简介
智能车系统是由几个不同功能的模块组合而成的控制系统。
系统完成从传感器采集信息、微控制器对信息处理并控制执行机构输出控制量的整个过程。
为了使赛车能够快速、准确的沿着赛道运行，要求微控制器能够将对赛道信息处理，转向伺服电机和直流驱动电机的控制紧密的结合在一起。
从传感器信息采集、信息处理、转向伺服电机控制、电机转速控制，任何一个环节出现问题都会导致赛车不能正确的跟踪赛道行驶甚至偏离赛道。
因此智能车各个模块之间的协调工作是其正常行驶的基础。
智能车系统在结构上包括一下模块：
S12单片机模块、电源模块、电机及其驱动模块、舵机、转速测量模块和CMOS视频采集模块。
该智能车使用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制模块，通过设计相应的外围电路、编写驱动、控制程序以及安装、调整车模等，制作一个能够自主识别并沿赛道行驶的模型汽车。
智能车通过图像传感器感知赛道信息，控制赛车的行进方向和行驶速度。
1.2.1硬件设计概要
智能车控制系统以MC9S12DG128微控制器为核心，包括电源模块、赛道图像采集模块、车速测量模块、电机驱动模块、舵机等几部分。
图1.1为系统控制总图。
图1.1控制系统框图
下面对各主要部分做简要介绍：
（1）微控制器
本系统使用飞思卡尔16位MC9S12DG128微控制器作为核心控制单元。
MC9S12DG128微控制器有着丰富的内部资源，它包含8KBRAM、128KBFlashROM、2KBEEPROM、2个SCI、2个SPI、2路CAN总线、16路10位A/D转换器、1个I2C总线、8路8位/4路16位PWM口、8路16位定时器，有80和112引脚两种封装。
其中很多端口都可以作为普通I/O口使用。
MC9S12DG128主频为16MHz，总线频率为主频一半。
通过设置锁相环可将总线频率最高提高至48MHz。
（2）测速模块
采用光电对管和高精度编码盘来测量速度。
光电对管工作原理简单，安装、使用方便，再配以高精度编码盘，可以得到很准确的测速值，满足使用要求。
（3）COMS图像传感器
由于赛道为白色，中间有黑色引道线，因此只需提取画面的灰度信息就可以实现寻线目的，而不需色彩信息。
另外由于微控制器A/D口的转换速率和其内部RAM空间的限制，选择320×240的CMOS黑白摄像头。
（4）电机驱动模块
MC33886是飞思卡尔的一款H桥电机驱动芯片。
它的开关频率很高，可以达到10KHz。
它的导通内阻很小，只有120mΩ，可以提供5A的电流。
电机驱动采用两块33886并联方式，可以减小单片芯片输出电流，减小芯片的发热。
（5）舵机
舵机内部有驱动控制电路，只需为其提供直流电压和PWM波就可以使其动作，不同的PWM波占空比对应着不同的转角。
工作电压越高舵机反应越迅速，为了尽可能提高舵机反应速度，将舵机直接接到+7.2v电源上。
1.2.2软件设计概要
软件部分主要包括：
信息采集、路径识别、转向和速度控制几个部分。
软件流程可分为以下几个部分：
初始化，获得赛道信息并计算出角度和位置偏差，根据偏差和当前速度控制电机转速和舵机转动。
软件控制流程框图如图1.2下：
图1.2主程序流程图
（1）视频图像信号采集方法
视频图像信号采集作为路径识别的基础，具有重要的地位。
在主程序中采用软件查询的方法，获得场同步信号；采用中断方法捕捉行同步信号。
通过A/D口将模拟视频信号转换成数字量并根据行计数变量按照原图像位置将信息存储于RAM中。
整幅图像采集完毕后将完成标志位置位。
（2）速度测量方法
测量速度的准确直接影响到控制速度的准确度。
由于光电对管测速器精度较高，将它产生的高低电平脉冲送人微控制器的输入捕捉通道计数，通过定时器定时，一定时间后产生中断并读取所测量的速度。
（3）路径识别方法
在判断图像采集完成后，进入路径识别计算。
从图像的最近一行开始检测，并记录下黑点的中心左右边界位置。
根据该行获得的黑线的中心位置来确定下一行检测的起始点，如此循环直到处理完整幅图像。
（4）转向及速度控制算法
根据检测到的黑线位置，可知当前车相对于赛道的位置偏差和角度偏差，进而控制舵机转向。
通过分析黑线的长度、斜率、线性度等信息，然后再结合位置偏差控制车速的大小，使赛车在直道上的速度较快，弯道上的速度较慢，从而保证了赛车在整个行驶过程的稳定性。
车速的调节采用微分先行PID调节算法。
第二章车模结构设计及调整
车模结构的好坏是小车运行动平稳，拐弯流畅的基础。
任何好的算法和软件程序都需要有一个完整的系统来执行，以便达到预期的结果。
小车结构包括：
前轮定位；后轮差速机构调整；重心位置的调整，小车摄像头的安放位置,高度等。
图1为小车外型图。
图1小车整体外型
2.1前轮定位
车轮定位主要参数包括：
主销后倾，主销内倾，车轮外倾和前束。
在车模调整过程中发现，使其前轮略微前束，其余倾角调整保持在1°～3°之间。
能够使小车在正常行驶过程中直道行驶平稳，拐弯轻便流畅。
在华北赛区调试小车时，发现赛道摩擦系数比我校赛道的摩擦系数大，因此小车在拐弯（九十度以上）时，前轮有明显的跳动现象，小车速度越快越明显，严重影响了拐弯的效果及稳定性（小车的前轮前束过小导致）。
通过调整加大前轮前束角，可消除拐弯时前轮跳动现象。
2.2后轮差速机构调整
差速机构的作用是：
在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动，并且可使车转弯时阻力更小。
车模右后轮轮轴轮处装有差速器。
当车辆转弯时，内外两侧车轮的转弯半径明显不同，车轮不打滑的前提就是两侧车轮转速不同。
在摩擦力的作用下，差速机构发挥作用，使两侧车轮都能与地面无滑动的转动，这对于保持车身的稳定性十分重要，同时也能减小轮胎的磨损。
由于车模使用的差速机构是由滚珠组成，在两端预紧力较小时，差动效果较好，但齿轮容易与车轴间打滑，影响速度控制以及加速的响应速度，尤其是小车在瞬间加速时发现差速器有空转现象；如果两端预紧力过大，则又使差速效果很差。
在调整差速机构的预紧力时，应该使其大小合适，既不会影响速度又不会使差速失效。
经过反复试验最佳的差速为：
将小车置于赛道上按住其中的一个轮子不动，拉动小车沿按住的轮子方向转弯另一轮胎在跑道上半滑动为佳，松紧合适。
2.3摄像头的安放位置,高度及重心
汽车重心指汽车重力的作用点，其位置的改变会影响汽车的动力性，制动性，操纵稳定性，平顺性，通过性和舒适性等重要特性。
通过参阅相关文献和测试得出：
重心靠近后轴，对车模的动力性能有益；重心靠近前轴，对车模的制动性和操纵稳定性有益。
车模所需要达到的最快车速也远没有现实中那么高，只有4m/s。
所以在安装传感器、CMOS摄像头、电池和电路板时，都尽量布置于车身中间略靠近前轴。
因为电池是车中可以改变位置的部件中最重的，因此我们将电池前置，使车的重心明显前移。
测试表明这种方法有一定效果。
图2.3摄像头固定图。
图2.3摄像头固定
2.4舵机连杆的改造
舵机是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了提高舵机的灵敏度、减小舵机动作时间，通过改变舵机的安装位置，并增加了舵机连杆的长度，使得舵机连杆顶端动作同样距离时，舵机转角度明显减小，有效缩短了动作时间，提高了转弯的反应时间。
2.5最小系统的安装
为了加强元器件的通用性及维护方便，选择使用了我校过程控制实验室开发的最小系统。
由于外型的需要我们把最小系统及其各模块焊在同一块面包板上，架于减震弹簧的上部并尽量往低处放置设法降低小车重心加强控制的稳定性。
图2.5中国民航大学过程与控制实验室开发的最小系统，它上面有单片机工作所需的晶振电路、锁相环电路、复位电路和各模块电源电路，并将单片机所有有用引脚以插针形式引出，方便扩展外围电路。
图2.5最小系统
2.6测速传感器的安装
速度传感器的安装固定，与我校上一届将测速码盘置于后轮轴（如图2.6.1）相比，选择将金属码盘粘在电机齿轮上（如图2.6.2），随电机一起转动，精度提高了三倍多。
同时，将光电对管固定于后轮电机的支架上，能够使机械齿轮穿过光电对管。
图2.6.1测速码盘置于后轮轴图2.6.2金属码盘粘在电机齿轮上
第三章系统硬件设计
3.1主控电路板设计
为了节省资源缓解开销和方便考虑。
利用了实验室设计的最小系统开发板，如下图3.1所示，在其基础上搭载外围的外围辅助电路、视频分离电路和9v升压电路，拨码盘等；
图3.1主控电路版PCB板
3.2电源管理模块
电源模块主要有：
主电源、舵机电源、摄像头电源、电机驱动电源、测速传感器电源、各芯片供电等组成。
电源模块的作用是为系统中其它各个模块提供所需要的电源。
设计中，除了需要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。
电源的稳定、可靠是整个硬件电路稳定运行的基础。
主电源：
是一块镍镉电池。
它的额定输出电压为7.2V，这种电池一般充满电后电压多在8.2V左右，当电池电压低至7.2V便无法使小车正常行驶。
舵机电源：
由于舵机的反应速度和电压有关，为了使舵机的反应延迟最小，可以采用主电源直接供给的方法，即直接取电池7.2V直流电压。
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