智能小车论文综述.docx
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智能小车论文综述
基于智能小车摄像头组相关分析
摘要本文以Freescale公司的MK60N512VMD100单片机作为系统的控制核心，采用CMOS摄像头采集赛道信息，根据采集到的数据分析行驶路径以及对起跑线进行检测。
采用PID算法对赛车的舵机和直流电机进行闭环控制，并根据跑道的弯曲程度采用不同的控制策略。
在机械结构方面，通过对赛车前轮定位参数的优化，和对舵机输出力臂的改造，进一步提高了赛车的性能。
在文中将介绍系统的整体方案，具体模块的软硬件设计，机械改造等内容。
关键词智能车，硬件电路设计，寻线，起跑线，图像采集，PID
引用格式基于智能小车摄像头组相关分析
CorrelationAnalysisonTheSmartCarofCameraGroup
AbstractBasedonmicrocontrollers,MK60DN512VLL10,ascontrolunit,thesmartcarssystemruninthespecifiedroadswiftlyandsteady.CMOSimage-sensor,areappliedtoobtainlaneimageinformation.Then,baseontheinformationfromthesensor,obtaininganoptimizedbycertainalgorithmandtheinformationofStartlaneandtrigonum.PIDfeedbackalgorithmisappliedtocontroltheangleandspeed.
Inthelaterarticle,wewilldemonstratethesystemscheme,themodulesofsysteminhardwareandsoftware.
KeywordIntelligentCar,hardware,SearchLane,Startlane,Image,Sampling,PID
随着自动化技术在生活中慢慢深入，越来越多的智能产品出现在我们的生活中。
全国大学生“飞思卡尔杯”智能赛车竞赛参赛人数也在逐年上涨，智能小车技术不断地提高推动了智能技术的不断发展。
在大二的时候我们就参加了智能小车讲座，当时还是对智能小车模模糊糊的概念，这学期我们选择了智能小车竞赛讲座，让我们对智能小车技术更加深入的了解。
在智能小车课堂上，参加比赛的原来的学长们进行讲课，让我们对于智能小车有了更加直观的认识。
我发现自己对于智能小车还是很感兴趣的，所以就组队，准备做出自己的智能小车，看着自己做出的智能小车奔跑在赛道应该有一种别样的感受。
虽然现在我们的智能小车还没有完全出来，只是基本的模块的成型，还不能跑动，但是我们相信经过我们的努力，我们不求获奖，只是锻炼一下自己的能力。
在平时上课的时候我们学到的更多的是理论的知识，没有具体的时间，只知道理论是不能够使得知识更加长久的留在自己的大脑中，只有经过这种运用才能够是的有用的知识不会随着岁月逐渐淡去。
在做智能小车的时候，我主要负责的是硬件部分的开发。
有了电路理论以及数字电路，模拟电路，自动控制理论，EDA这些先有课程的知识积淀，使得我们做起小车来轻松不少。
做智能小车也是一个静下心沉淀的过程，看着班里面的同学做智能小车花费的心血，确实觉得这是一个苦差事，没有想象得那样轻松愉快。
我们现在也基本过完了大三的第一学期，各种专业课程的学习也确实使我们很疲倦，所以现在我们没有太多的时间以及精力去研究智能小车。
我们打算在大四的时候好好做一下我们的智能小车。
1.系统硬件电路设计
1.
1硬件电路整体架构框图：
1.2单片机最小系统
我们采用的是MK60N512VMD100微控制器为核心控制单元：
最小系统PCB图
MK60N512VMD100是K60系列MCU。
Kinetis系列微控制器是Cortex-M4系列的内核芯片。
K60内存空间可扩展，从32KB闪存/8KBRAM到1MB闪存/128KBRAM，可选的16KB缓存用于优化总线带宽和闪存执行性能。
最小系统使用K60100PIN封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括PWM接口，外部中断接口，若干普通IO接口。
其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、BDM接口和SPI接口。
用到的接口如下：
电机PWM波输出：
PTC1
电机方向控制：
PTD7
舵机PWM波输出：
PTB1
编码器两相信号输入：
PTB18，PTB19
IRQ输入：
PTB10
O/E场信号输入：
PTB11
摄像头图像信号输入：
PTD5、PTE1
陀螺仪信号输入：
PTE25
键盘输入信号：
PTB2、PTB3、PTB9
拨码开关输入信号；PTD3、PTD4
外部AD接口：
PTC3、PB23、PB21
LCD接口：
PTD6、PTE6、PTE4、PTE2、PTE0
1.3电源电路的设计：
本系统中电源稳压电路分别需要有+5V，+3.3V供电。
+3.3V主要给单片机及、键盘、拨码开关、LCD供电；+5V为摄像头、摄像头模块、电机驱动模块、编码器模块供电；由于整个系统中+5V电路功耗较大，为了降低电源纹波，我们考虑使用线性稳压电路。
另外，TPS7350是微功耗低压差线性电源芯片,具有完善的保护电路,包括过流,过压,电压反接保护。
使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。
图1.3.1TPS7350原理图
+3.3V稳压芯片最初选用小封装的TPS79333，但在使用过程中发现TPS79333一过流就极易烧坏。
后来选用低压差大功率的TPS7333。
图1.3.2TPS7333原理图
1.4图像处理电路
COMS与CCD：
CCD摄像头具有对比度高、动态特性好的优点，但需要工作在12V电压下，对于整个系统来说过于耗电,而且CCD体积大，质量重，会抬高车体的重心，这对于高速情况下小车的行驶非常不利。
与之相比，COMS摄像头具有体积小、质量轻、功耗低，图像动态特性好等优点，因为小车队图像的清晰度，分辨率要求并不高，所以选用COMS摄像头。
对于摄像头的选择，主要考虑以下几个参数：
1芯片大小
2自动增益
3分辨率
4最小照度
5信噪比
6标准功率
7扫描方式
市面上的摄像头主要分为数字和模拟两种，数字摄像头主要有OV7620,OV6620，OV7670,OV7725,模拟摄像头主要有OV5116，BF3003，MT9V136。
大多数摄像头都支持sccb通信，可以很好的实现单片机与摄像头之间的交互。
我们的智能模型车自动控制系统中使用黑白全电视信号格式CMOS摄像头采集赛道信息。
摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。
因此，若要对视频信号进行采集，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。
我们使用了LM1881芯片对黑白全电视信号进行视频同步分离，得到行同步、场同步信号。
在对硬件二值化的研究中，我们也从数字比较器以及模拟比较器几个方向进行了试探性研究，从图像的稳定性及清晰性等方面进行筛选，最终决定采用模拟电路搭建而成的比较器对图像进行二值化处理。
图1.4.1比较电路原理图
图1.4.2LM1881外围电路原理图
LM1881是针对视频信号的同步分离芯片,它可以直接对视频信号进行同步分离,准确地获得所需的视频图像信号,使用者可根据需要对该同步信号进行时序逻辑制.LM1881广泛用于对视频信号的同步分离中,比如便携式图像采集卡、视频监控录像控制仪、基于成像系统的视频图像采集等。
1.5电机驱动电路
桥式电机驱动电路有双极性与单极性之分，双极性电机驱电路输出的电流交流成分过多，容易造成电机发热并且容易是电机消磁。
所以我们最后设计了直流电动机可逆单极型桥式驱动器，其功率元件由四支N沟道功率MOSFET管组成，额定工作电流可以轻易达到100A以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。
图1.5电机驱动模块原理图
1.6测速传感器电路设计
为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使赛车在急转弯时速度不至过快而冲出赛道。
通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速，但是如果开环控制电机转速，会受很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。
这些因素会造成赛车运行不稳定。
通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使得车模运行得更稳定。
由于对车模采用的是闭环控制系统，所以必然涉及到反馈量的检测。
在车模行驶过程中，最重要的一个反馈量就是车模的行驶速度。
刚开始我们采用光电编码器直接测量车轮的速度。
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
光电码器是在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。
当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲。
但在后来速度提高后，受光线和灰尘的影响，这种方法测速的精度大大降低，因此我们改用采用欧姆龙E8A2-CW3C增量式旋转式编码器。
这种编码器不受外界环境影响，精度高，外围电路也非常简单。
主要特性：
1、外壳直径：
30mm
2、精度：
500线
3、主轴直径：
4mm
4、输入电压：
DC5V
此信号编码器内部带有配套电路，外部输出只有一个信号线，智联单片机的脉冲捕捉模块即可，使用极为方便.
1.7保护隔离与电平转换电路
为了避免某些大电流回灌到最小系统而把最小系统烧毁，同时为了能让最小系统输出的电平能符合其它芯片的电压标准，在最小系统信号输出端与芯片输入端之间加入六通道的集成非门74HC14。
图1.774HC14原理图
74HC14是一款高速CMOS器件，74HC14引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC14遵循JEDEC标准no.7A。
74HC14实现了6路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。
特性：
应用：
波形、脉冲整形器
非稳态多谐振荡器
单稳多谐振荡器
兼容JEDEC标准no.8-1A
ESD保护：
HBMEIA/JESD22-A114-A超过2000V
MMEIA/JESD22-A115-A超过200V
温度范围-40～+85℃-40～+125℃
1.8键盘拨码电路
主板上还包括拨码开关电路和键盘接口，接外接键盘。
图1.8拨码开关、键盘接口原理图
在智能仪表中，经常会用到键盘、数码管等外设。
因此，一个稳定、占用系统资源少的人机对话通道设计非常重要。
传统的键盘与数码管解决方案，由于键盘与数码管是分离的，因而电路连接比较复杂，不管是独立式键盘还是矩阵式键盘，都会浪费微控制器的端口资源，而且都需要人为进行去抖动处理，且抗干扰性差。
而数码管部分，不管是静态显示方式还是动态显示方式，在不进行锁存器扩展的前提下。
仍然要占用8根I/O端口线，这将严重浪费系统的端口资源。
ZLG7290可完全克服上述弊端。
它采用I2C总线接口，与微控制器的连接仅需两根信号线，硬件电路比较简单。
而且可以驱动8位共阴数码管或64只独立LED、64只独立按键，并可提供自动消除抖动、连击键计数等功能。
这对于传统的键盘与数码管解决方案，无疑是不可想象的。
强大的功能，丰富的资源，良好的接口，使得ZLG7290比传统的键盘与数码管解决方案且有更大的优越性。
因此，在现代智能仪表的设计中，通过ZLG7290可为系统设计工程师设计出良好的人机对话通道，从而提供了一种理想的解决方案。
ZLG7290的核心是一块ZLG7290B芯片，它采用I2C接口，能直接驱动8位共阴式数码管，同时可扫描管理多达64只按键，实现人机对话的功能资源十分丰富。
除具有自动消除抖动功能外，它还具有段闪烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能，并可提供10种数字和21种字母的译码显示功能，用户可以直接向显示缓存写入显示数据，而且无需外接元件即可直接驱动数码管，还可扩展驱动电压和电流。
此外，ZLG7290B的电路简单，使用也很方便。
用户按下某个键时，ZLG7290的INT引脚会产生一个低电平的中断请求信号，读取键值后，中断信号就会自动撤销。
正常情况下，微控制器只需要判断INT引脚就可以得到键盘输入的信息。
微控制器可通过两种方式得到用户的键盘输入信息。
其一是中断方式，该方式的优点是抗干扰能力强，缺点是要占用微控制器的一个外部中断源。
其二是查询方式，即通过不断查询INT引脚来判断是否有键按下，该方式可以节省微控制器的一根I/O口线，但是代价是I2C总线处于频繁的活动状态，消耗电流多并且不利于抗干扰。
1.9LCD液晶显示屏接口
为了能在比赛时及时发现和矫正由于摄像头位子的变动，我们提出使用图像显示工具来显示采集的图像。
我们选择显示工具时一方面要考虑它的像素是否能满足图像的要求，另外一方面还要考虑它的体积大小和功耗。
除此之外我们还重点考虑了驱动它所需要的硬件资源。
经过比较分析我们最终选择了1.8寸TFT支持SPI通信的LCD。
以下是该显示屏的参数：
LCD有14个接口，但有效接口只有9个，分别是2个电源接口、2个背光接口和5个通信接口。
图1.9LCD接口原理图
1.10红外对管起跑线检测模块：
检测起跑线
在智能车高速运行的过程中，如果用摄像头检测起跑线,很容易出现因为速度过快而检测不到起跑线的问题，为了解决这个问题我们采用红外对管检测，实践表明，在直道上以满占空比运行的小车依然能准确的检测出起跑线。
电路如图:
1.10.1
1.11陀螺仪加速度计模块
为了能准确的检测出路障，我们采用陀螺仪和加速度计进行硬件卡尔曼滤波，单片机读取对应的电压进行路障的判断，如图1.11.1：
小结
硬件电路对整个系统的稳定性有着至关重要的作用。
而电源电路则是重中之重。
因此在电源电路设计过程中，选用多种稳压芯片来保证电源的稳定性。
单片机最小系统是智能车的核心，设计时充分考虑了抗干扰、防静电和运行的稳定性。
2智能车机械结构调整与优化
摄像头组车模运行规则：
车模反方向运行。
车模使用B型车模。
车模运行方向为：
动力轮在前，转向轮在后，摄像头车模如图2.1.1所示
2.1车模尺寸要求：
摄像头组车模改装完毕后，车模尺寸不能超过：
250mm宽和400mm长。
传感器数量要求：
传感器数量不超过16个：
光电传感器接受单元计为1个传感器，发射单元不计算；CCD传感器计为1个传感器；对于车模的车速和姿态进行检测的传感器也计算在内。
伺服电机型号：
S-D5数字伺服，伺服电机数量不超过3个。
电机型号：
RS-540
全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。
2．2智能车整体参数调校
智能车的整体参数，包括车体重心、舵机电机放置位置、高度，传感器排布方式等，都对整个智能车系统的稳定运行起着至关重要的作用。
因此，对智能车机械系统的调节，有助于小车更快更稳定的运行。
小车的布局以精简、可靠、稳定为前提,通过对小车的布局，尽量保证小车左右平衡，以及寻找一个合适的重心，保证小车既能够可靠地抓牢地面，又能够对前轮舵机，后轮电机有较快的响应。
2.3舵机安装
舵机安装直接关系到是否能快速灵敏地转向的问题。
如果舵机调整不到位，将很大程度上限制转向角度和转向响应速度。
舵机安装有两种方式，一种是卧式安装，另外一种为立式安装。
卧式安装为车模默认安装方式，但这样安装会使左右两边轮子连杆不等长，根据杠杆原理可知舵机对长连杆轮子用的力要大些，因此造成了舵机对左右两边转向响应时间不一样。
另外由于卧式安装会使连杆与水平面呈现一定角度，从力学知识可以知道在轮子转向获得的力只是舵机施加在连杆上力的一个水平方向上的分力。
立式安装把舵机架高，增长了力臂，使得小车反应更加灵活，但增大了阻力。
因此，根据舵机性能和实际情况确定高度，将舵机立式正放，不仅提高了其响应速度，还增加了小车底盘空间，易于安放电路板，降低小车重心。
根据舵机形状制作了一个小巧坚固的舵机支架，支架边缘尽量少，减少整车的重量，避免影响赛车提速。
然后将支架以合适的高度固定在底盘上。
如图2.3.1所示。
图2.3.1舵机安装示意图
2.4编码器安装
选用5V工作电压的光电编码器进行速度的测量。
速度传感器用螺钉通过支架固定在后轮支架上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。
然后调节编码器齿轮，使其与差速齿轮紧密咬合，增大测速的精确性，但是咬合过紧也增大了摩擦，减小了对电机做功的利用率，影响小车的快速行驶，因此减小摩擦同时增强齿轮间的咬合是我们主要考虑的因素。
编码器安装示意图如图2.4.1所示：
图2.4.1编码器安装示意图
2．5起跑线检测传感器及陀螺仪加速度计的安装
本小车采用的起跑线检测传感器为红外对管。
识别到赛道黑线,单片机的接收电平由低转换成高如图2.5.1所示：
图2.5.1起跑线检测模块及陀螺仪加速度计安装示意图
2.6智能车机械参数调节
为保证智能小车直线行驶稳定，转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损，需要对小车的四轮定位参数进行调整。
四轮定位内容主要有：
主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束，外侧车轮二十度时，内外转向轮转角差，后轮外倾角，后轮前束。
其中，前轮定位的参数对小车性能有着至关重要的影响，这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。
本文将对这四个参数做详细阐述。
2.6.1主销后倾角
主销：
转向轮围绕主销进行旋转，前轴的轴荷通过主销传给转向车轮,具备这两点的就叫做主销。
主销后倾角：
主销的轴线相对于车轮的中心线向后倾斜的角度。
前轮重心在主销的轴线上由于主销向后倾斜使前轮的重心不在车轮与地面的接触点上，于是产生了离心力，主销后倾而形成的离心力，可以保证汽车直线行驶的稳定性还可以帮助车轮自动回正。
主销后倾角延长线离地面实际接触越远，车速越高，离心力就越大。
在高速行驶中保持汽车直线行驶的稳定性，适当的加大主销后倾角可以帮助转向轮自动回正，可有效扼制转向器的摆振，可使转向便轻，单独适量调一侧的主销后倾角可修理行驶跑偏。
主销后倾角靠离心力保证汽车直线行驶和车轮自动回正。
高速行驶时跑偏可通过主销后倾角调节。
但主销后倾角过大会造成高速时转向发飘。
调整主销后倾角为1°～3°，可通过增减黄色垫片数量来改变。
如图2.6.1所示：
图2.6.1.1主销后倾角
2.6.2主销内倾角
主销内倾角：
在小车前后方向上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹角称为主销内倾角。
由于主销轴线向内倾斜，所以使前轴荷更接近前轮中心线（前轴重心越接近前轮中心线转向越轻）麦弗逊式悬架分为零主销偏移和负主销偏移两种。
当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。
故主销内倾角可保证汽车直线行驶的稳定性，还可帮助车轮自动回正，主销内倾轴线延长线在没超过前轮中心线的前提下，离前轮中心线越近，转向角越大，转向轮抬起的越高，车轮的回正力矩就越大。
从而使转向操纵轻便，同时也减小了由于路面不平而从转向轮输出的力反馈。
主销内倾角靠前轴轴荷保证汽车直线行驶和车轮自动回正。
但主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮主销偏转的过程中，轮胎与路面将产生较大的滑动，从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力，不仅会使转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损。
通常调节主销内倾角不大于8度。
如图2.6.2.2所示：
图2.6.2.2主销内倾角
2.6.3前轮外倾角
前轮外倾角：
在汽车的横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾角。
前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力，使小车转向轻便；另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷，增加了使用寿命，提高了安全性。
一般前轮外倾角为1°左右，但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾角可减小甚至为负值。
如图2.6.3.1所示:
图2.6.3.1前轮外倾角
2.6.4前轮前束
前轮前束：
俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现象称为前轮前束。
车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，使前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。
图2.6.4.1前轮前束
2.7其他部分调整
其他部分调整主要涉及到小车底盘高度、小车重心位置、后轮距、减震器、齿轮咬合、差速器等。
具体调整如下：
1、底盘高度调整：
底盘高度可以影响重心。
适当降低底盘高度可以使小车重心降低，有利于过弯稳定。
实际调整可以通过调整前轮高度、后轮轴高度调节块等方式来调节。
2、重心位置：
重心位置同样影响小车性能。
重心过前，增加转向阻力，引起转向迟滞。
另外，如果小车速度很快的情况下，上下坡道的时候会造成前轮首先着地，很可能造成小车意外事故。
重心过后，则会使小车前轮抓地不足，造成过弯非常不稳定。
我们将电池放在靠近舵机的位置，保持各部分重量均衡。
3、后轮距调整：
后轮距可以通过换装后轮宽度调整块来调整。
合适的后轮宽度会是小车直线性能和弯道性能更优，利于小车稳定。
4、减震器弹簧强度调整：
坡道时候，减震器影响显得尤为突出。
小车平面行驶时，无垂直方向速度，遇到坡道时候，小车会瞬间在垂直方向上出现一个速度，此时减震器在耦合小车前部和小车后部时候会出现一个缓冲区，增加坡道稳定性。
下坡时候则是垂直方向上的速度瞬间减小为0，减震器的作用亦如上坡。
实际调整中，我们通过加装弹簧调节块来调整。
5、齿轮咬合调整：
调整齿轮咬合，以不松动，无卡滞，松紧合适为准。
另外还要保证齿轮间咬合有足够的接触面积。
6、差速器调整：
小车采用的差速器为滚珠式差速器。
合适的差速器调整能够提高小车入弯速度，提高弯道性能。
差速器调整可以通过右后轮轮轴上面的螺丝。
注意调整过松，会严重影响直道加速性能；调整过紧则会使差速器处于无效状态。
差速器滚珠处可以适当添加润滑剂，保证差速器平滑。
7、摄像头的固定：
在摄像头支架杆上的选择也有两种，前一种是碳素杆非常轻，但很容易破碎，后一种采用轻质铝材，牢固耐用，但比起碳素杆还是重了许多。
对比两种材质的支撑杆，结合本届车模的具体情况，决定采用碳素杆材料，从而减轻车模重量。
摄像头一点要居中安装，保证支架铅垂固定。
因为当摄像头不居中时，其采集进来的图像也不是居中的，而处理程序对舵机输出量是居中的，这样就会导致模型车在直道上也会存在左右摆动的问题。
摄像头支架一定要安装牢固，保证在行驶途中和车体之间不会来回晃动，否则摄像头采集的图像就会失真。
摄像头一定要架在一个合理的高度。
这样可以使得模型车在摄像头的角度不是很高的情况下就能靠有利的前瞻采集到前方足够远的路况信息，因为当摄像头的角度过大候，采集进来的图像形变过大，且图像中的干扰信息增多，对模型车的处理算法十分的不利，同时保证采集到的赛道信息清晰可见。
摄像头要经过实际多次调试选择最佳摄像头角度，以及对摄像头视野范围来进行标定。
图2.8摄像头底座安装
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