飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛北航神舟一队技术报告.docx
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飞思卡尔杯全国大学生智能汽车邀请赛北航神舟一队技术报告
目录
第一章引言4
第二章智能车硬件设计5
2.1机械设计5
2.1.1CCD支架和安装6
2.1.2测速发电机安装7
2.1.3舵机的安装8
2.1.4车模参数调节9
2.2硬件电路设计10
2.2.1电源电路11
2.2.2CCD传感器电路12
2.2.3电机控制电路14
2.2.4DG128最小系统电路15
2.3创新点15
2.4小结16
第三章智能车软件设计17
3.1智能车控制算法监测平台17
3.1.1监测平台的组成17
3.1.2监测平台的功能18
3.2软件调试平台介绍19
3.3创新点20
3.4小结20
4.1智能车控制思想21
4.2图像处理与赛道识别21
4.3智能车系统软件25
4.3.1智能车系统软件设计思想25
4.3.2软件构成26
4.4创新点28
4.5小结28
第五章总结29
5.1智能汽车技术指标29
5.2目前尚存在的不足与改进方向29
第一章引言
在第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车比赛中，我们采用面阵CCD作为路面检测信息的传感器，以飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128B为核心控制模块，引导改装后的模型汽车按照规定路线行进。
整个智能汽车制作过程中，我们在第二届智能汽车比赛参赛车模基础上，进行了多处改进，主要做了以下工作：
1、硬件平台的搭建：
首先对模型车进行了机械部分的改造和调节，在不违反大赛规则的前提下对舵机进行了机械方面的设计和研究，一定程度上提高了舵机的灵敏度。
在硬件电路方面，精心设计了CCD图像采集和电机驱动电路；同时，为了调试方便和根据场地等外界环境需要，设计了人机交互的键盘输入和LCD输出硬件电路。
2、软件平台的搭建：
在软件设计方面我们搭建了无线调试平台，主要包括无线视频模块和蓝牙无线串口传输模块两部分。
前者提供CCD获取的图像信息，可以录制智能车在赛道上的图像信息，便于分析研究控制算法；后者通过无线串口收发器发送的指令，执行转向及车速控制。
无线调试平台不仅给程序调试带来了很多方便，还保证了赛车在调试过程中的运动轨迹的可控性。
3、控制算法的研究：
通过对CCD图像传感器所摄取的路面图像进行处理，从而获得准确的赛道信息。
同时，在PC机上搭建了控制算法仿真平台，可以把设计好的图像处理算法和控制算法先在PC机进行模拟，待模拟成功后再移植到MC9S12DG128B单片机中去。
我们编写的基于PC机的控制算法监测软件可以直观的监测智能车在不同赛道的运行情况，通过改动相关参数，就可以方便、直观的观察运行效果。
第二章智能车硬件设计
硬件是系统的基础，为了给整个系统提供一个稳定、可靠的硬件平台，我们在硬件设计方面做了很多考虑，主要包括机械部分和电路部分。
2.1机械设计
根据比赛规则，我们对模型车进行了机械设计和改造，主要包括CCD支架和测速电机支架的设计、舵机的安装，以及车模底盘参数的调节。
图2.1赛车整体图
2.1.1CCD支架和安装
CCD支架的作用是合理的安装和固定好摄像头的位置，为了保证获得稳定的视频图像信息，支架必须有足够的强度和刚度，同时要求质量较轻。
安装的高度和角度在调试过程中可以根据需要方便地做出调整。
本文中CCD支架及其安装如图2.1。
支架的两个长杆采用碳素纤维材料，质量轻，强度高。
图2.2CCD支架
2.1.2测速发电机安装
我们采用测速发电机实现对驱动电机转速的检测，可以实时地获得准确的运行速度，同时，也需要考虑测速发电机的安装和固定，保证小车机械上的可靠和灵活。
通过齿轮传动的方式将测速电机上小齿轮与差速齿轮啮合，并且改变传动比，让测速电机和驱动电机等速。
测速发电机安装如图2.2。
图2.3测速发电机支架
2.1.3舵机的安装
舵机响应时间很大程度上决定了小车的灵活性，从而决定着小车在一定赛道条件下的极限速度。
为了加快车轮转向响应速度，我们设计并安装了舵机转向机构。
在并非改变舵机本身结构的条件下，改变了舵机的安装位置，舵机安装高度的最佳值通过试验获得。
舵机支架如图2.3。
图2.4舵机支架
2.1.4车模参数调节
根据汽车理论对底盘参数进行了调节，具体包括车模前后轴的高度、差速齿轮的松紧和主销的角度等。
2.1.5PCB板的改进
为了使小车的结构更加紧凑，有效地降低整车的重心，必须充分利用车架中间的空间位置，使PCB的形状配合小车的固有结构，我们总结去年的比赛经验，对PCB的形状作了较大的改进。
图2.4展示了去年的车模，PCB面积大，安装在后部，重心比较高。
图2.5是今年车模所使用的PCB板，从图2.1赛车整体图可以看到改进的PCB与小车的良好配合。
同时，由图2.5也可以看出，不再采用原有较重的MC9S12DG128开发板，而直接将单片机设计在PCB电路中。
图2.5第二届智能车比赛时的参赛赛车
图2.6本届参赛车模改进的PCB电路板形状
2.2硬件电路设计
硬件电路主要分四部分：
CCD传感器部分，MC9S12DG128最小系统，电机驱动部分，电源电路。
2.2.1电源电路
硬件电路的电源由7.2V的蓄电池提供，而由于电路中不同模块的工作电压和电流容量各不相同，所以需要将电池电压转换成各个模块所需电压。
CCD图像传感器是12V工作电源，由MC34063提供。
该芯片转换效率高,升压的范围也比较广,所需的外围器件也较少,最大能够提供1.5A的电流,足够CCD使用。
电路原理如图2.7。
图2.7MC34063升压斩波电路
S12最小系统板等数字电路需要稳定5V电源，选用了LM2596作为稳压芯片。
当输入大于7V时，输出电压稳定在5V上。
当输入电压小于7V时，输出电压比输入电压低2V。
本系统的电池电压为7.2V，而控制系统要求输入电压范围为5±0.5V。
所以，即使电池电压下降到6.5V，系统依然可以继续工作。
而且该芯片最大的优点就是转换效率高，线形度好。
电路如图2.8所示。
图2.8LM2596稳压电路
2.2.2CCD传感器电路
我们图像采集使用的是模拟输出的CCD传感器，主要采用同步分离芯片LM1881，电路原理图如图2.9所示。
将视频信号通过一个电容接至LM1881的2脚，即可得到控制单片机进行A/D采集的控制信号：
一行同步BURST与奇偶场同步信号O/E。
需要注意的是，CSO信号中的上升沿表示一行视频信号的开始,BURST信号中的下降沿表示一行视频信号的开始,由于S12的IRQ输入端只支持低电平触发和下降沿触发,因此,应该使用BUSRT信号作为行同步信号。
图2.9LM1881视频同步分离电路
于是视频采集的工作就是，将模拟信号转换为数字量，提供给控制程序使用。
由于一行视频信息输出的周期只有约60微秒，如果使用S12内部的AD模块，时间是非常紧张的，一行的图像信息中能采集到的像素数会非常有限，因此图像信息的精度会降低，也就会影响最终的识别和控制。
为此，我们在这一部分也做了精心的设计：
采集高速AD芯片，由外部晶振控制其采集、转换的时间间隔，在约60微秒的行周期内采集两百多个像素点。
大大提高了图像的精细度，为软件上的准确识别工作打下了很好的基础。
以这样快的速度得到的图像信息，如果采用中断的方式进行读取，CPU会非常频繁的进入中断，必然会影响其控制算法程序的正常运行。
最终，我们使用外部扩展内存的方式解决了这个问题。
我们扩展了一个线性的存储器，该存储器的数据输出连接到S12的外部扩展数据口，使S12工作在外部扩展模式。
线性存储器的读写控制由S12的一个引脚即可完成。
经过这样的处理，整个图像采集的工作基本上已由硬件完成，MCU所做的工作只剩下，在需要采集的行即将到来前，控制存储器开始存储，存完这一行之后，控制存储器将数据输出，读出的操作只需申请一个外部变量，连续对其进行读操作即可。
2.2.3电机控制电路
电机控制从控制方法上可以分为开环控制和闭环控制两种。
开环控制在用法上比较简单，只需考虑输出，没有反馈，但是其缺点是速度控制的精度比较低，不能适应不同的赛道环境。
另外一种闭环控制，电机的速度控制信号输出由需要的速度和电机的实际转速二者决定，即需要对电机的实际转速进行采集和反馈。
这种做法的好处是控制精度比较高，对赛道的适应性会好很多。
通常情况下的电机转速的闭环控制，是通过软件的自动控制算法实现的，需要将电机的转速反馈给S12，通过软件上的自动控制算法，由需要的速度同实际的速度的偏差，给出纠正值，达到对速度的稳定控制。
但是这样一来将会增加S12的负担。
而我们的智能车利用CCD进行识别，使微控制器更多的关注图像的采集及处理是我们设计时一直注意的问题。
因此我们在电机驱动电路上下了很大的功夫，最终确定了一种硬件的闭环控制方案。
这种方案在电机实际速度的采集上使用了测速发电机。
测速发电机输出的电压大小表征了电机的实际转速。
这一电压同S12输出的PWM信号的积分值进行比较，由它们的偏差控制电机该加速还是减速。
在电机驱动上，我们用MOS管作为分立元件搭建了H桥驱动电路，如图2.10。
通过逻辑设计，可以让电机处于多种模式下工作，经过赛道试验，电机的加减速效果好，满足要求。
图2.10H桥电机驱动电路
表2.1电机工作模式
模式（nENABLE=0）:
HIN1
nLIN1
HIN2
nLIN2
0,自由正转模式
1,自由反转模式
2,带制动的正转模式
3,带制动的反转模式
4,双极驱动的正转模式
5,双极驱动的反转模式
6,全速前进
7,停止（刹车）
nENABLE=1:
PWM
L
PWM
nPWM
PWM
nPWM
H
L
L
H
nPWM
PWM
nPWM
PWM
nPWM
H
L
H
L
H
L
H
nPWM
PWM
L
L
L
L
H
L
H
nPWM
PWM
L
L
H
2.2.4DG128最小系统电路
DG128最小系统电路主要包括对单片机的供电电路，基本功能电路等标准电路，这里不再具体叙述。
2.3创新点
这部分的创新点主要有以下三部分：
✓将舵机抬高等机械改进，为智能车高效行进提供保证，并在实际运行中也得了证明。
✓CCD图像处理电路，可获得高分辨率图像信息，为控制算法提供有力支撑。
✓使用测速发电机的驱动电机硬件电路，工作稳定且解决了散热问题；双极性驱动模式，大大缩短了智能车加减速的时间。
2.4小结
在硬件设计方面，我们尽量做到可靠、高效，这样才能为整个系统提供一个良好的平台。
第三章智能车软件设计
3.1智能车控制算法监测平台
智能车的控制系统是一个时时控制系统，人的思维很难想象车在行进过程中所处的状态，因此针对某个控制算法，如果在测试中出现问题，很难确定具体出在哪个环节。
这样，一个可以时时反映智能车运行状态的监测平台就显得非常必要了。
3.1.1监测平台的组成
监测平台可以将智能车的采集信息，控制算法计算得到的控制信息以及其他调试时的有用信息发送到PC端，用于观察、记录，以便反复分析、改进。
监测平台工作流程如下：
智能车采集信息、控制信息蓝牙串口PC端数据处理软件
图3.1智能车控制算法监测平台PC端程序界面
3.1.2监测平台的功能
利用监测平台，可以很容易找到控制算法中存在的问题，以便更好的改进控制算法。
实践表明，监测平台可以在改进控制算法中发挥较大的作用。
但由于时间原因，监测平台还十分的简易，只实现了基本功能。
希望今后的使用中不断完善。
3.2软件调试平台介绍
赛车在调试过程中会经常改
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