摄像头组 长春理工大学 天狼五号.docx

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摄像头组长春理工大学天狼五号

第九届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

基于摄像头检测的寻线智能车设计

学校：

长春理工大学

队伍名称：

天狼五号

参赛队员：

饶杨海

郭阳阳

吴至成

带队教师：

郝子强

王英志

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞速赛有关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：

参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名：

饶杨海

郭阳阳

吴至成

带队教师签名：

郝子强

王英志

日期：

2014年8月12日

目录

摘要2

第一章引言2

1.1智能车竞赛背景2

1.2智能车比赛意义3

1.3本文的主要内容及安排3

第二章设计原理简述4

第三章整体方案设计5

3.1系统构思5

3.2整体方案选定6

第四章智能车硬件部分9

4.1机械结构整体设计9

4.2MCU控制模块12

4.3摄像头安装15

4.4速度检测传感器设计16

4.4.1速度检测传感器电路设计16

4.4.2速度检测传感器电路设计18

4.4.3速度检测传感器的安装19

4.5陀螺仪与加速度计20

4.5.1加速传感器20

4.5.2陀螺仪20

4.5.3陀螺仪与加速度计的安装20

4.6驱动模块设计21

4.6.1电机驱动电路设计21

4.6.2电机及电机驱动板的安装23

4.7电源模块设计23

4.8调试电路单元24

4.8.1OLED显示屏24

4.8.2蓝牙25

4.8.3OLED及蓝牙安装25

第五章智能车软件部分26

5.1智能车控制系统总体方案26

5.2整体程序流程图27

5.3路径识别模块软件设计28

5.4智能车电机控制算法28

5.4.1PWM控制原理28

5.4.2智能车速度控制策略29

5.4.3PID控制算法29

5.4.4PID控制算法子程序30

5.5循迹控制策略细述31

5.5.1一般弯道控制31

5.5.2人字区域控制32

5.5.3过障碍控制34

第六章系统调试36

6.1开发工具及系统调试36

6.2在线调试36

6.3串口及蓝牙调试38

第七章赛车主要技术参数39

第八章总结41

参考文献43

附录A部分源程序代码I

基于摄像头检测的寻线智能车设计V

摘要

该智能寻迹小车以MK60DN512ZVLL10单片机最小系统为核心，辅以电源模块、图像采集模块、电机驱动模块和运行调试模块。

小车通过美国omnivision公司的摄像头OV7620采集赛道信息，经过不断改进机械结构并优化算法，小车可以完美地识别各种赛道信息。

经过图像处理后，通过转向控制策略与PID算法驱动电机速度，实现路径的检测与识别。

同时通过调整小车的重心、使小车的稳定性与行进速度达到最优。

系统属于以能量转换为主，由直流电机输入能量与电机，通过小车不同的运动输出能量，是典型的机电一体化系统。

这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、硬件电路、软件算法、机械结构、调试参数等方面进行介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现了我们在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法。

这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。

关键词：

智能汽车MK60DN512ZVLL10摄像头PID算法

第一章引言

1.1智能车竞赛背景

汽车作为现代的交通工具，为社会的发展和进步做出了很大的贡献。

现阶段，汽车工业的发展水平和汽车的持有量已经成为衡量一个国家工业发达程度的标志。

二十一世纪，汽车研究的主要方向是智能化汽车。

专家们普遍认为，新一轮汽车产业竞争的焦点，将是基于信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术等的智能汽车的研究设计开发。

大学生智能模型车竞赛是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以单片机为核心的大学生课外科技竞赛。

大赛要求使用组委会统一提供的车模，采用飞思卡尔32位单片机MK60DN512ZVLL10作为核心控制单元，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛道用时最短，而且技术报告评分较高的参赛队就是获胜者。

2006年，我国举办了第一届智能车竞赛。

首届比赛采用MC9S12DG128作为主控芯片，相比于MK60DN512ZVLL10有512K的程序存储空间，MC9S12DG128只有128K程序存储空间。

首届智能车竞赛共有来自全国57所高校的112支参赛队参加。

如今，“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛已成功举办了八届，得到了高校师生的高度评价。

随着赛事的逐年开展，竞赛由原先前四届比赛分为光电组和摄像头组外，第五届比赛新增了电磁组，扩大创意组规模；赛道变窄，提高小车控制难度[1]。

而第九届比赛中，赛道新增人字元素，坡道增高，摄像头组车模变为直立车，控制难度较以往大幅增加。

1.2智能车比赛意义

全国智能车大赛初步模拟了一个人驾驶汽车的思维和控制过程，智能车比赛就是要求参赛人员能够去进行这样的研究，专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，以实现让车模能够自动寻迹并自动控制运动，最终实现小车智能化。

该赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生综合运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发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结协作的人文精神。

竞赛综合性很强，在提高参赛大学生的综合能力的同时，也在一定程度上推动了智能汽车产业的发展与进步。

1.3本文的主要内容及安排

本文首先介绍了研究背景、比赛规则和设计构思。

阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器——MK60DN512ZVLL10单片机寄存器资源。

相比于其它类型的单片机，32位的MK60DN512ZVLL10的功能更加强大，引脚较多，处理速度明显加快，能够很好地满足智能车控制系统的需要。

本文共分八部分，具体章节安排如下：

第一部分绪论,介绍了本次比赛的背景和意义，简述智能车制作技术的发展现状，介绍了本文的主要研究工作与章节安排。

第二部分简要介绍摄像头平衡小车的设计原理。

第三部分简要介绍了针对特定路线的控制思想和策略。

第四部分智能车机械结构的设计。

第五部分智能车软件设计包括路径检测传感器的选用、速度检测传感器的设计、MCU控制模块的设计、驱动模块的设计、电源模块的设计、显示模块的设计。

第六部分对系统调试的介绍。

第七部分介绍赛道的主要技术参数。

第八部分总结。

第二章设计原理简述

本系统以竞赛组委会提供的E车模为主体，以飞思卡尔公司的MK60DN512ZVLL10为核心控制芯片。

赛道采集部分使用美国OV公司的摄像头OV7620，由于赛道是黑白的，中间白色，两边两条黑线，通过大津法得到赛道黑白的阈值并将图像二值化处理，然后从左到右依次找到正最大值和负最大值，此最大值就为左边界和右边界，因此就很容易德提取赛道中线即可获得路径信息，将中线作为参考，看赛车偏离中线位置的大小来控制电机，电机左右差速就可以达到控制方向的目的，从而准确循迹。

在此基础上，通过优化路径选择，尽量以切线形式通过各个弯道，达到缩短行车时间的目的。

电源部分采用竞赛官方规定的标准车模电池7.2V2000mAhNi-Cd蓄电池供电，通过LM2940将7.2V电压转为5V电压，再通过ASM117将5V电压转为3.3V，以满足不同模块的功能需要。

平衡部分主要靠PID算法调节，通过采集加速度传感器和陀螺仪平滑滤波得到的角度，找到车平衡时的零偏位置，检测小车偏离平衡位置的角度大小差量来控制电机向前走向后走，来达到平衡。

速度部分是由单片机通过编码器采集脉冲数计算出速度，再计算出当前速度与设定速度的差量，通过PID控制车子的速度。

第三章整体方案设计

本章简要地介绍了智能车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。

3.1系统构思

智能小车的设计涉及了不同的领域，主要设计的领域有：

机械电子、计算机以及光学。

其中机械电子是智能小车的基础，光学是智能小车的关键，计算机是智能小车的核心。

它们之间的关系如图2.1所示。

图3.1智能小车不同领域关系结构图

智能小车又可以分成四个结构，即感知系统、能源系统、控制系统、执行系统。

图3.2智能小车结构图

智能模型车的单片机通过传感器采集路面信息，通过算法控制电机运行，以达到寻迹的目的。

系统属于以能量转换为主，输入能量和信息，输出不同形式能量的系统。

其中由直流电机输入能量，输出的能量是小车的运动。

3.2整体方案选定

制作智能车，需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件和在线开发手段，以飞思卡尔32位单片机MK60DN512ZVLL10作为核心控制单元，自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路以及微控制器控制软件的编程等。

系统结构简图如图3.2所示，图中箭头方向表示信号传递方向。

直流电机

电源管理模块

可充放电源

图3.3系统结构简图

3.2.1单片机控制模块

系统核心为单片机最小系统，是数据采集和输出控制的最重要的部分。

单片机最小系统以MK60DN512ZVLL10单片机为核心，主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O接口等。

通过丰富的I/O接口和内部强大的数据处理能力，实现信号采集和系统控制。

3.2.2电源模块

整个设计中，电源采用7.2V电压、2000mAh电池容量、Ni-Cd镍镉蓄电池作为系统能源。

电源模块是系统的能量来源，它分别向电机、传感器模块和单片机模块提供独立的电源，防止相互之间的电源干扰。

3.2.3传感器模块

传感器模块包括平衡传感器、路径传感器、速度传感器。

平衡传感器以加速传感器7361和陀螺仪ENC03组成，单片机通过对陀螺仪和加速传感器的值进行AD采集、融合，再把融合得到的角度反馈给电机，从而到达角度控制的目的。

路径传感器采用摄像头OV7620，将摄像头采集到的道路信息，通过图像处理算法提取出边界信息，通过相应的控制策略，控制小车的速度和方向，使小车能够沿着赛道的轨迹跑。

速度检测传感器是电机闭环控制中的重要部分，在传感器选型上，充分考虑了传感器的精度、控制延时、体积和重量等方面。

在满足系统要求的基础上，以简化结构为主要条件，选择合适的速度检测传感器，并设计了相应的硬件电路。

3.2.4电机控制模块

电机是模型车的动力源。

直流电机驱动模块接收速度控制信号，驱动芯片采用由MOS管搭建的H桥作为驱动，利用速度控制策略，控制电机正反转，以控制智能车前进与后退。

3.2.5速度测量模块

速度测量模块包括无线串口模块、OLED显示等，为模型车参数确定提供试验条件。

速度检测模块通过摄像头编码器实时测量智能车车速，用于系统车速的闭环控制，以精确控制车速。

3.2.6运行调试模块

运行调试模块采用MDKKeil4软件集成运行环境作为开发工具对飞思卡尔的MK60DN512ZVLL10微控制器进行软件开发。

并且通过MDK的在线调试工具，对传感器不同排布的特性进行详细的了解，并辅助制定控制策略。

经过多次试跑可以得到小车运行参数，包括运行速率、传感器探测值、输出转向值、输出速度值等，然后将运行参数发送至电脑，在电脑上运用labview作图分析。

第四章智能车硬件部分

智能车系统主要分为以下几个部分：

中央处理器单元、路经检测单元、速度检测单元、直流电机驱动单元、调试电路单元、电源单元等。

4.1机械结构整体设计

考虑到重心的问题，系统主控板设计地越小越好。

下图是主控板PCB布线图。

4.1-1主控板PCB布线图

最初我们即采用碳素杆固定摄像头，并用购买的电池扣固定电池，将电池伸出车体，由于规则要求电池距车轮最近距离不超过3cm，因此电池不能伸出太多。

因此车子呈“√”状。

相比较前几届小车的扁平化机械结构，“√”状的小车重心更稳，速度提升范围大。

为了使小车重心进一步降低，经过反复修改，我们在之前的基础上有进行改装，将原来的整块主控板上的电机驱动模块锯下，并把主控板主要部分的位置由原来紧贴车模改放到电机上方，车子整体机械结构仍

呈“√”状，具有重心低，稳定性好的特点，有利于小车速度的提升。

图4.1-2改装前整机的效果图

图4.1-3改装后整机的效果图

4.2MCU控制模块

控制模块主体是单片机MK60DN512ZVLL10最小系统，主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O接口等。

S12XS产品满足了用户对设计灵活性和平台兼容性的需求，并在一系列汽车平台上实现了硬件和软件可重用性。

K60核心板PCB图如图4.4-1所示。

图4.2-1K60核心板PCB图

图4.2-2MK60DN512ZVLL10核心控制板实物图

4.2.1MCU控制模块电路设计

MCU最小系统包括其5V电源输入电路、时钟电路、复位电路、RS232电平转换电路、BDM调试电路等。

MCU内部最高总线速度为40MHz

本设计在最小系统的基础上，开发设计了外围电路，包括传感器采集电路、驱动电路、调试电路、电源电路、显示电路等。

图4.2.1-13.3V电源无线模块

图4.2.1-2BDM调试接口电路

图4.2.1-3单片机最小系统板接口

4.3摄像头安装

路径检测传感器是针对于特种路线识别的传感器，工业上应用与自动导引小车（AutomaticGuidedVehicles）的定线寻迹。

摄像头车要检测的赛道环境是由通过摄像头0V7620采集赛道的图像信息完成的。

关于摄像头0V7620的安装位置，我们做了一些实验：

若摄像头位置安装的比较高时，摄像头的视野比较远，但是智能车的重心较高，智能车跑起来稳定性差，尤其在转弯处容易侧翻。

若摄像头安装位置较低时，虽然智能车稳定性明显提高了，但是摄像头的视野太短，不利于后期智能车的提速。

最终我们采取了折中的做法，将摄像头用碳素杆支撑在智能车的顶端，贴上海绵作为摄像头的防撞保护，智能车的稳定性明显提高，视野也满足我们目前的要求。

图4.3-1摄像头位置安装图

4.4速度检测传感器设计

在智能车竞速系统中，速度控制是至关重要的一个步骤，无论是直道加速还是弯道减速，都涉及到对电机速度的检测，而对电机转速的检测则有多种方法。

4.4.1速度检测传感器电路设计

速度传感器常见的有以下三种方案：

方案一：

霍尔传感器。

霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压经过信号变换器整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。

方案二：

编码器。

在后轮齿轮传动上粘贴一个黑白相间的光码盘，通过固定在附近的反射式红外传感器读取光码盘转动的脉冲。

方案三：

测速发电机。

输出电动势与转速成比例的微特电机。

改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。

在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速。

通过比较以上三种，我们测速装置采用一个小型的编码器。

电机转动时带动传动盘转动，测速装置就产生一系列脉冲，把这一系列的高低电平送到cd4520口，单片机的直接在规定时间内读取cd4520数据，可以计数出相应的速度值。

编码器示波器输出波形如图5.4，安装方式如图4.5。

图4.4.1-1编码器示波器输出波形

图4.4.1-2编码器结构图

4.4.2速度检测传感器电路设计

测速传感器通过与主驱动电机的啮合得到当前电机的转速，然后通过内置的摄像头编码盘输出占空比可调的TTL电平。

图4.5中的三端精密可调电阻用于控制输出信号中的占空比，在调出最满意的波形信号之后电路的输出端就能输出TTL电平，然后通过MCU的计数器直接计算累加的脉冲数量（单位时间内累计的脉冲数量与电机转速成正比）。

图4.4.2-1速度检测传感器设计

4.4.3速度检测传感器的安装

我们将两个小型编码器分别用热熔胶固定在主控板左右两侧，齿轮完美啮合。

图4.4.3-1编码器安装位置

4.5陀螺仪与加速度计

4.5.1加速传感器

4.5.2陀螺仪

4.5.3陀螺仪与加速度计的安装

我们利用钢尺将陀螺仪与加速度计固定在主控板下方，靠近固定摄像头的碳素杆，由于碳素杆具有一定导电性，我们将两者用黑色绝缘胶布隔开。

当小车直立达到平衡时，陀螺仪与加速度计正好垂直于地面。

图4.5.3-1陀螺仪与加速度计的安装

4.6驱动模块设计

电机是整个智能车系统中能耗最大的模块，其驱动性能制约着整个系统的行进速度。

4.6.1电机驱动电路设计

在往届比赛中，绝大多数队伍采用的方案是通过并联多片MC33886驱动芯片提高电机的驱动能力。

但是由于设计电路的不合理性使得流过多片MC33886驱动芯片的电流不均匀，经常出现一片过流，而另外的没有满载的情况。

我们采用BTS7970搭建的电路来提高整体电路的驱动能力。

通过单片机输出占空比可调的脉冲信号，实现对电机转速的控制。

这样电路的内阻很小，而且允许通过的电流很大，可以提供很强的驱动能力。

图4.6.1-1电机驱动电路图

图4.6.1-2光耦HCLP2630电路图

4.6.2电机及电机驱动板的安装

图4.6.2-1电机及电机驱动板的安装

4.7电源模块设计

小车通过标准车模电池7.2V2000mAhNi-cd蓄电池供电，用LM2940的稳压芯片和ASM117-3.3芯片。

由于小车不同功能模块所需要的工作电压和电流各不相同，因此需要用稳压电路将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。

设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，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。

可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。

图4.6-1电源分配图

电源具体分配如下：

VCC-5V

电机驱动：

光耦HCLP2630，电机驱动芯片BTS7970

红外对管：

LM339，RPR220

VCC-3.3V

测速：

CD4013，CD4520，74HC165

OLED显示屏及蓝牙模块

蜂鸣器

图4.6-25V、3.3V数字、模拟供电电路

4.8调试电路单元

在小车行进过程中，我们需要不断获取其状态以及各个参量的值，

便于找出问题并修改参数使小车达到最好的状态。

硬件方面我们主要采用的调试单元有蓝牙及OLED显示屏

4.8.1OLED显示屏

一个好的系统，人机交互必不可少。

在小车模型中，我们采用OLED搭配五向按键作为人机交互接口，以便根据小车的运行状况及时修改参数。

OLED接口如下：

图4.8.1-1OLED接口定义

4.8.2蓝牙

竞赛组委会规定小车不能使用无线设备，由于蓝牙在小车行进过程中发送数据非常方便，因此我们还是在OLED显示屏上预留了蓝牙接口，待到正式比赛时再取下即可。

4.8.3OLED及蓝牙安装

OLED显示屏及蓝牙安装图如下

图4.8.3-1OLED及蓝牙安装

第五章智能车软件部分

高效稳定的软件程序是智能车平稳快速寻线的基础。

本智能车采用工字电感线圈作为寻迹传感器，传感器数据处理就成为了整个软件系统的核心内容。

在智能车的转向和速度控制方面，我们使用的是经典的PID控制算法，配合使用理论计算和实际参数补偿的方法，使在寻迹中智能车达到了稳定快速的效果。

5.1智能车控制系统总体方案

软件设计时控制系统的核心，在具有良好的硬件基础上，好的算法才能充分发挥作用，粗略思想则更进一步决定了比赛的成绩。

算法上的灵活运用可以用来弥补硬件上的一些不足，所以硬件基础和策略算法是相辅相成的，最终目的是实现算法和硬件的相协调。

智能车系统的控制算法及软件设计由以下几个部分组成：

路径识别检测、速度检测、PWM电机控制算法、速度控制策略、转向控制策略等。

道路检测由摄像头0V7620传感器完成。

电机和测速部分使用了单片机的PWM模块、SPI模块和外部中断等。

小车主程序框图如图5.2。

图5.1-1主程序框图

控制策略的选择对智能小车的行驶性能也是至关重要的。

速度固然越快越好，但也要使小车能够平稳完成比赛。

譬如，直道入弯前速度需要减慢，以免冲出赛道；而从弯入直时则应让小车加速，在直道上能以较高速度完成。

5.2整体程序流程图

图5.2-1整体程序流程图

5.3路径识别模块软件设计

路径识别是智能小车的核心内容，是决定小车能否顺利完成比赛的关键部分。

程序主要思想是将智能车顶端的摄像头0V7620采集的一场一场的图像信息发送到单片机,单片机先计算得到各个像素点灰度值的直方图，再通过大津法遍历0~255个点寻找最佳阈值，以阈值对图像进行二值化处理，经滤波得到的赛道边界等信息，从而提取出中线。

动态阈值是。

得到阈值后将图像二值化处理，再从左到右扫描，若有三个以上像素点连续为黑则判定为边界，这样可以很大程度上滤除噪点的影响，二值化处理后就需要提取两边的黑线。

在把左右两边黑线的位置取均值，就是中线的位置了。

人字区域识别交叉口的60度尖角即可。

5.4智能车电机控制算法

一般情况下小车的实际速度与期望速度之间会有一定的差异，而且该差异会随着路径曲率的变化而发生变换。

为了使得小车能够以最快速度跟踪期望速度，调速过程中采用了PID控制。

实际使用速度控制策略，构成闭环速度控制系统，利用PWM控制电机转速，使得小车能够在稳定运行的前提下尽可能提高响应速度，从而缩短调速过程。

5.4.1PWM控制原理

脉宽宽度调制（PWM）技术控制的原理就是通过直流斩波，利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源。

按照一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变的一个周期内的“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

图5.4.1-1电机控制示意图

5.4.2智能车速度控制策略

速度控制及执行系统硬件部分由H桥电机驱动系统、电机、传动齿轮。

系统的控制对象为模型汽车、系统执行器为电机、系统测量环节为速度检测。

系统框图如下：

图5.4.2-1闭环速度控制系统框图

5.4.3PID控制算法

比例积分微分控制是过程控制中应用最广泛的一种控制规律[5]。

实际经验及理论分析充分证明这种控制规律用于多数被控对象能够获得较满意的控制成果。

（1）比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时，在比例控制器中系统输出存在稳态误差。

控制器的输出信号Uo与输入信号ΔUi（即偏差）的大小成正比，即

（公式5.1）

（2）积分（I）控制

在积分控制器中，控