中国农业大学 农之魂二队智能汽车邀请赛 技术报告.docx
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中国农业大学农之魂二队智能汽车邀请赛技术报告
摘要
本文以第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了智能汽车控制系统的软硬件结构和开发流程。
包括车模机械结构的设计调整，摄像头的选择与安装，电源管理电路、驱动电路的设计，图像处理和控制策略分析及调试方法介绍等内容。
该系统以MC9S12XS128微处理器为控制核心，采用数字摄像头检赛道测路径走向，结合所测车速信息控制舵机转向，应用PID控制算法调节车速。
经过大量底层和上层测试，实验结果表明，该方案可行。
关键词：
智能车、飞思卡尔、MC9S12XS128、PID、摄像头
ABSTRACT
UnderthebackgroundofthefifthsessionoftheFreescaleSmartCarCompetition,thispaperintroducesboththehardwareandsoftwareconstruction,aswellasthedevelopmentprocessoftheintelligentcarcontrolsystem.Indetailitreferstothecarmodel’smechanismstructureadjustment,theselectionofcameraanditssettlementscheme,thedesignofpowermanagementcircuitsandmotordriveunit,theanalysisofimageprocessing,controlalgorithmandstrategyoptimization,thedebuggingmethodisalsointroduced.ThesmartcarcontrolsystemusesMC9S12CXSS128MCUasitscorecontroller.Accordingtothepathinformationgotbydigitalcameracombinedwiththecar’smovingspeedmeasuredbythephotoelectricsensor,steeringengineofthecarissetwithasuitableangle,atthesametime,speedisadjustedproperlyandautomaticallybyanapplicationofPIDalgorithm.Aftercyclictestsonthesystemfrombottomtouppersides，theresultsoftestsindicatethatourdesignschemeisavailable.
Keywords:
smartcar,freescale,MC9S12CXSS128，PID,CCD
摘要II
ABSTRACTIII
目录IV
第一章引言1
1.1背景介绍1
1.2概述1
第二章系统整体结构设计3
2.1系统分析3
2.2整车布局3
2.3系统结构4
第三章机械结构设计及调整方案5
3.1车身高度5
3.2前轮Toe角度6
3.3前轮Camberlink7
3.4后轮Camberlink7
3.5前、后减震器位置8
3.6差速器9
3.7轮胎优化调整9
3.8重心调整与车上设备的布置10
3.9摄像头的固定和安装10
3.10舵机安装结构的调整11
3.11本章小结11
第四章硬件系统设计12
4.1单片机最小系统12
4.2电源稳压模块13
4.3摄像头模块15
4.4电机驱动模块16
4.5速度传感器17
4.6本章小结17
第五章软件系统设计18
5.1程序整体架构18
5.2图像处理19
5.3控制策略21
5.4本章小结22
第六章系统调试23
6.1软件调试平台23
6.1.1编辑界面23
6.1.2编译调试窗口24
6.2无线传输模块24
6.2.1模块介绍25
6.2.2接口电路管脚说明26
6.2.3模块引脚和电气参数说明26
6.3电池放电检测27
6.4拨码开关模块28
6.5本章小结28
第七章赛车基本参数29
第八章结论30
鸣谢31
参考文献32
附录I
部分源程序I
第一章引言
1.1背景介绍
现在半导体在汽车中的应用越来越普及，汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。
它包括了汽车电子控制装置，即通过电子装置控制汽车发动机、底盘、车身、制动防抱死及动力转向系统等，到车载汽车电子装置，即汽车信息娱乐系统、导航系统、汽车音响及车载通信系统等等，几乎涵盖了汽车的所有系统。
汽车电子的迅猛发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。
作为全球最大的汽车电子半导体供应商，飞思卡尔公司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。
飞思卡尔公司在汽车电子的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。
其中在8位、16位及32位汽车微控制器的市场占有率居于全球第一。
飞思卡尔公司生产的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。
为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托（教高司函[2005]201号），由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能汽车竞赛。
该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，是以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动。
该竞赛己成功举办了四届，得到了原教育部副部长吴启迪教授、教育部高教司领导、各高校师生的高度评价，已发展成为有全国26个省（自治区）、直辖市230余所高校广泛参与的全国大学生赛事。
第三、第四届比赛连续获得教育部、财政部“国家教学质量与教学改革工程”资助。
1.2概述
第五届全国大学生智能汽车竞赛将于2010年8月21、22日在杭州电子科技大学举行，比赛要求使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国总决赛的场地比赛。
中心目标是不违反大赛规则的情况下以最短时间完成单圈赛道。
本文主要对车模的整体设计思路：
硬件与软件设计及车模的装配调试过程作简要的说明。
由于该项赛事在国内已成功举办了四届，所以往届的比赛模式及各参赛队的优异表现成为了我们小组本次参加比赛的主要参考对象。
智能车竞赛的赛道是一个具有特定几何尺寸约束、磨擦系数及光学特性的白底面板，其中心贴有对可见光及不可见光均有较强吸收特性的黑色条带，宽度为2.5cm。
智能车通过实时对自身运动速度及方向等进行调整来“沿”赛道运动。
运动策略的制定主要是依靠对传感器得到的道路及行驶信息进行采集、分析、决策、执行四个步骤来进行的。
这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们备赛过程中的思想和创意，具体表现在传感器固定的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对车辆行驶状况稳定性的调试也让我们付出了艰辛的劳动。
这份报告凝聚了我们的心血和智慧，是我们小组成员共同努力后的成果。
在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。
第二章系统整体结构设计
2.1系统分析
整个智能车系统的设计可分为：
机械部分、硬件电路部分和控软件制部分。
机械方面，本次比赛所使用的车模是一款大赛统一提供的带有差速器的四轮驱动模型赛车，由于赛车本身为越野车型，而比赛赛道路面平坦，故我们小组决定对车模的减震系统进行适当改造，根据固定需要和测试过程中出现的一些问题做了其它改造。
比赛要求参赛队伍通过设计基于单片机的自动控制系统控制车模在封闭的跑到上自主寻线运行，在保证模型车稳定即不冲出跑道的前提下，在最短时间内跑完一圈即成绩最好。
由此可见，设计自动控制器是制作智能车的核心环节。
车模和控制器可以看作是一个自动控制系统，它由传感器，信息处理与控制单元，执行机构三个部分组成。
其中，由信息处理与控制单元（即单片机）所进行的信号处理和控制决策是智能车控制的关键所在。
以单片机为核心，配有传感器，执行机构以及它们的驱动电路构成了控制系统的硬件部分。
在严格遵守规则中对于电路设计和制作的限制，保证智能车可靠运行的前提下，电路应该尽可能的紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性。
2.2整车布局
今年摄像头组采用了新的B型车模，B型车模采用的是国内厂商生产的1：
16的电动越野遥控车的底盘部分，突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂，相比于往年比赛采用的A型车模结构上复杂程度有所增加。
同时可调整参数也有所增加，主要的可调整参数为：
车身高度、前轮Toe角度、前轮Camberlink、后轮Camberlink、前后轮减震器位置、差速器等。
由于今年B型车模的复杂结构，我们本着尽量少做机械结构上的改动，尽量轻量化的原则完成了车模的整车布局，其主要特点如下：
（1）更改舵机的传动结构，以提高舵机的响应速度；
（2）拆掉前后轮减震，以降低车模重心；
（3）采用高强度复合型材料加固车模底盘；
（4）摄像头置于车模尾部，减少赛车前方盲区。
2.3系统结构
系统结构主要包括以下几个部分：
（1）单片机HS128最小系统；
（2）道路检测传感器部分；
（3）舵机及后轮电机驱动部分；
（4）电源稳压电路。
图2
第三章机械结构设计及调整方案
模型车的机械结构和组装形式是整个车身的基础，对于智能车的运行有直接影响。
纵观前几届比赛可以发现，由于在机械结构改装和车身零件调校上的轻视，很多队伍在比赛中表现不佳。
经过吸取往届参赛队伍失利的惨痛教训，我们今年对B型车模的机械结构进行了仔细分析和设计调整，取得了不错地效果。
B型车模采用的是国内厂商生产的1：
16的电动越野遥控车的底盘部分，突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂，相比于往年比赛采用的A型车模结构上复杂程度有所增加。
同时可调整参数也有所增加，而通过调整这些参数，可以改变车辆的性能。
整个机械设计与调整主要分为以下几个方面:
1，车身高度；2，前轮Toe角度；3，前轮Camberlink；4，后轮Camberlink；5，前、后减震器位置；6，差速器；7，轮胎优化调整；8，重心调整与车上设备的布置；9，摄像头的固定和安装；10舵机安装结构的调整。
3.1车身高度
车身高度指的是当车子满载的时候，底盘离地面的高度。
可以通过旋转前、后桥中的一粒内六角螺丝来调整车身高度。
但实际中我们需要大幅度降低底盘高度，通过六角螺丝调整远远达不到我们想要的效果。
而通过去掉减震的方法可以大大降低车身高度，由此增强车模稳定性。
3.2前轮Toe角度
Toe角度（束角）是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。
车轮前端向内倾（内八字），称为Toe-in，车轮前端向外倾（外八字），称为Toe-out。
不同的Toe角度会改变车辆的转向反应和直道行驶的稳定性。
可以通过改变前万向节拉杆（图6所示）的长度来改变Toe角度。
3.3前轮Camberlink
Camberlink是指前上桥两端的固定位置。
Camberlink决定了车轮的Camber角度，以及悬挂移动时Camber角度的改变量，和悬挂系统的几何特性。
Camberlink位置会影响车辆的稳定性和抓地力。
可以通过调整前上桥的拉杆（图6所示）的长度来改变前轮的Camberlink。
3.4后轮Camberlink
Camberlink是指后上桥两端的固定位置。
Camberlink决定了车轮的Camber角度，以及悬挂移动时Camber角度的改变量，和悬挂系统的几何特性。
Camberlink位置会影响车辆的稳定性和抓地力。
可以通过调整后悬挂长柄万向节上的拉杆的长度来改变后轮的Camberlink，如图7所示；也可通过改变后悬挂长柄万向节车身一端的固定位置来获得不同的Camberlink，如图8所示。
图8B型车模后视图
由于车模是由塑料制成，其本身的刚性不足限制了对车模进行微调的程度。
而且对于调整前轮Toe角度、前后轮CamberLink都需要精密的角度测量仪器。
综合以上因素，我们决定放弃对车模的前轮Toe角度、前后轮CamberLink进行精密调节。
而是以保证车模前后车轮尽量水平、对称为主。
3.5前、后减震器位置
通过调整前、后减震器上端的固定位置以可以获得不同的减震效果，从而获得不同的抓地力。
考虑到我们比赛使用的赛道为平坦路径，并且降低重心可以加强赛车的稳定性等因素，我们最终决定去掉用于减震作用的弹簧。
3.6差速器
差速器有差速作用和限滑作用：
差速作用使两轮可以相对转动，并使两轮转动速度的平均值等于整驱动轴的转动速度；限滑作用在两轮相对转动时产生阻力，以限制两轮速度差，防止其中一个轮子发生过度打滑和空转。
齿轮差速通常可填充差速油。
差速油可以使齿轮在相对转动啮合时产生阻力。
不同的差速油会带来不同的差速效果，通过在前、中、后三个差速器中使用不同的差速油，可以获得不同的转向特性。
为了找出合适的差速油，我们尝试了KYOSHO生产的轴承油、京商生产的摩擦油、30000#差速油膏和普通润滑油等不同的产品，通过对其进行对比发现固体的差速油膏比较适合长久的润滑效果。
3.7轮胎优化调整
轮胎是车身与地面直接接触的部件，直接影响智能车附着力（俗称抓地力）与过弯性能。
我们知道智能车附着力的好坏对于车身加减速性性能及过弯时瞬态、稳态响应优劣有较大影响。
在整个车体调整过程中，轮胎优化是很重要的。
由于组委会限定了轮径及轮胎的改动，我们的调整主要针对车模现有轮胎。
在调车过程中，我们可以发现，新轮胎在使用一段时间后，智能车的附着力会增加，之后逐渐减少。
这是由于随着轮胎地使用，胎面表面会变得粗糙，中间的分模面也会磨损掉，整个胎面看上去比较平整，此时胎面的附着性能达到最佳。
因此，我们可以事先进行人为前期磨损，使其达到好的附着性能。
另外，高速过弯，特别是摄像头车过弯时由于地面对轮轮胎侧向力很大，易使轮胎脱离轮毂，这时可以考虑将轮胎粘在轮毂上或是在轮胎使用一定时间后对其进行更换。
3.8重心调整与车上设备的布置
在电机和电池相同的情况下，车体重量对于车的加减速性能有着至关重要的影响，因此在车身支架及设备布置时应该尽量减少不必要的配置，使车总重尽量减少。
车体重心高低主要影响车身运动中的稳定性，对于平顺性也有一定影响。
重心调整主要目标是在过坡的前提下尽量降重心。
可以通过压缩减震或者去掉减震来实现。
另外将车上设备尽量布置在车体转动中心上，有利于车体在过弯时的响应。
为了降低整车重心，需严格控制CCD及其安装架的重量。
首先，在CCD摄像头的选择上采用了镜头固定在电路板上的裸板CCD，去掉了CCD外壳的重量。
然后是设计了轻巧的铝合金CCD夹持组件，便于摄像头的拆卸，并采用了碳纤维管作为安装CCD的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比。
3.9摄像头的固定和安装
摄像头通过透镜将前面的道路图像呈现在传感器上，因此它具有相对较远的道路检测前瞻距离及范围。
调整摄像头安装的高度以及方向，可以改变其检测道路的范围。
我们通过读取单片机内部采集到的图像信号来辅助调整摄像头。
增加摄像头的安装高度可以减小图像的梯形失真，但摄像头过高会是整个系统重心增高，影响车模运行的稳定性。
所以摄像头的最终位置需要在调车过程中不断调节，以确定出最合适的位置。
对于摄像头的固定，我们采用了碳纤维管作为安装CCD的主桅，以及自行设计的铝合金CCD夹持组件，其立体图和三视图如下所示：
3.10舵机安装结构的调整
我们在实际调制中发现，若加长舵机柄，即可增大模型车行进中的车轮转向速度。
这样虽然在舵机转速不变的情况下加快了车轮的转角速度，但是给舵机转向增大了负荷。
在实际调试中，出现过舵机里面齿轮被损坏的情况。
所以为了保证舵机的可靠性，我们最终折中选取了比较恰当的传动杆长度，经长时间验证，可以确保舵机的可靠使用。
3.11本章小结
本章主要介绍了赛车各个部分的机械结构。
机械机构对于整车的性能至关重要，根据往届的经验，要想取得好成绩，模型车的机械结构的参数优化占有很大的关系。
其中，前轮定位参数优化、转向舵机力臂增大和底盘重心位置调整对于车模的机械性能有着较大的影响。
只有在较好的机械结构的前提下，控制算法才能发挥出其应有的效果。
总而言之，调整舵机安装时以最大相应速度、较低负载为目标，至于放置位置则根据整车的重心调整决定，前轮和后轮差速则需在转弯性能和加减速性能之间权衡，齿轮传动机构和速度传感器安装则以较低的电机负载和适当的齿轮啮合度为目标，除了以上部分的调整外，还可对主悬架弹簧松紧和底盘高度进行适当调整，通过增加避震弹簧的刚性、降低底盘高度，改善了赛车的行驶表现。
对各个部件的调整需从整车的角度考虑，不能单独分开各个击破，需要相互协调、取舍。
第四章硬件系统设计
硬件电路设计是自动控制器的基础，整个智能车控制系统是由三部分组成的：
S12XS为核心的最小系统板、主板、电机驱动电路板。
最小系统板可以插在主板上组成信号采集、处理和电机控制单元。
为了减小电机驱动电路带来的电磁干扰，我们把控制单元部分和电机驱动部分分开来，做成了两块电路板。
主板上装有组成本系统的主要电路，它包括如下部件：
电源稳压电路、摄像头接口、舵机接口、电机驱动器接口、激光对管接口、键盘接口、无线模块接口、电源接口、单片机最小系统板插座、指示灯、按键、开关等。
下面将对我们小组硬件设计中的几个主要模块进行介绍。
4.1单片机最小系统
单片机最小系统部分使用MC9S12XS128单片机，80引脚封装，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。
图13单片机最小系统原理图
单片机引脚规划如下：
PORTA1-5：
按键
PORTT0-2：
LED测试灯
PORTB0-7：
摄像头数据线
PORTE2-7：
无线传输模块
PE2：
奇偶场信号
IRQ：
行同步脉冲输入信号。
PT6：
光电编码器脉冲输入信号。
PWM0、1：
舵机角度控制信号输出。
PWM2、3、4、5：
电机速度控制信号输出。
4.2电源稳压模块
电源模块为系统其它各个模块提供所需的电源。
设计中，除了要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转化效率、降低噪声、防止干扰和电路简单方面进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
本系统全部硬件电源由7.2V、2000mAh的可充电镍镉蓄电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
电源稳压电路主要分为如下三类：
（1）+3.3V电压，主要为无线传输模块RF905提供电压；
（2）+5V电压，主要为单片机及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA；
（3）+6V电压，主要为舵机提供工作电压，实际工作时，舵机所需电压一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。
（4）7.2V电压，这部分直接取自电池两端电压，主要为电机驱动模块提供电源。
由于整个系统中+5V电路功耗较小，为了降低电源纹波，我们考虑使用线性稳压电路。
另外，驱动电机工作时，电池电压压降较大，为提高系统工作稳定性，必须使用低压降电源稳压芯片，常用的低压降串联稳压芯片主要有2940、1117等等。
2940虽然压降比1117更低,但是纹波电压较大。
相比之下，1117的性能更好一些,具有输出电压恒定，压降较低的优点，而且无需专门考虑散热问题。
图14lm1117稳压电路
图15lm1117ADJ稳压电路
电源模块由若干相互独立的稳压电路组成，我们采用如图16所示的星型结构，可以有效减小各模块间的相互干扰。
图16电源模块的电路结构
4.3摄像头模块
在选择摄像头时，我们参照上届比赛的经验和前几届比赛各参赛队的摄像头选择，对目前可选的各种摄像头进行了比较和实验。
目前市面上常见的摄像头主要有CMOS和CCD两种，上届比赛我们采用的是CMOS摄像头。
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，且图像稳定性不高；CMOS摄像头体积小，耗电量小，图像稳定性较高。
因此，经过实验论证之后我们决定采用CMOS摄像头。
对于CMOS摄像头又分数字和模拟两种。
参照往届比赛的经验，我们对大部分参赛队伍选用的数字摄像头OV6620进行实验，对数字摄像头的可行性进行论证。
实验之后，得出结论：
数字摄像头OV6620可以直接输出8路数字图像信号，使主板硬件电路的简化成为可能，且能够达到50帧/S的帧速率。
OV6620的主要特征：
（1）OV6620需要稳定的5V电压供电，和系统板上的供电电源兼容。
（2）NAL制，每秒25帧，一帧两场，那么每秒就有50场。
意味着20MS就有一幅图像产生。
356x292pixels，理解为：
有292行，一行有356个点。
（3）视野和可视距离：
这个和镜头的选择有关，据我们测试，f=3.6MM时视野应该有25度左右，f越大视场越小。
可视距离需要调节镜头对焦。
经我测试可视距离可以看十几米，毕竟相素值只有10万多，用单片机读可以看到3-4M的距离。
这里解释一下为什么用单片机读会打折扣。
因为黑线宽度只有2.5CM，太远了黑线会很细，采点之后就分辩不出是噪声还是有用信号了。
在1米左右时，黑线宽度可用8个点表示。
注：
以上数据均是24MBUSCLK下每行可取150个点时测得，没有翻转摄像头。
（4）内部有IIC可编程。
可以调整摄像头的参数，比如最大灰度，对比度，暴光率控制等等。
其本质是SCCB协议的寄存器写入,需要对摄像头做跳线处理，并用MCU的I/O口模拟SCCB协议。
4.4电机驱动模块
驱动电路的驱动芯片采用的是英飞凌的BTS7960B半桥驱动芯片（如图17所示），该芯片负载电流可以达到43A，而内阻只有16mΩ。
芯片资料如下：
BTS7960是一款针对电机驱动应用的完全集成的大电流半桥芯片。
它是NovalithICTM系列的成员之一，它的一个封装中集成了一个P通道场效应管在上桥臂和一个N通道场效应管在下桥臂以及一个控制集成电路。
由于上桥臂采用的是P通道开关，对于电荷泵的需求也就不复存在了，因此电磁干扰减至了最小。
由于集成在内驱动集成电路具有逻辑电平输入，与微控制器的连接变得非常简单，且该驱动集成电路还具有电流检测诊断、转换率调整、死区时间生成以及过热、过压、欠压、过流和短路保护。
BTS7960在较小的电路板空间占用的情况下为大电流保护的PWM电机驱动提供了一种成本优化的解决方案。
图17BTS7960B
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