第六届飞思卡尔智能车大连大学连大影舞者队技术报告.docx
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第六届飞思卡尔智能车大连大学连大影舞者队技术报告
第六届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车邀请赛
技术报告
学校：
大连大学
队伍名称：
连大—影舞者
参赛队员：
黎伟康
王朝辉
黄小华
带队教师：
陈波
胡玲艳
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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：
黎伟康
王朝辉
黄小华
带队教师签名：
陈波
胡玲艳
日期：
2011.8.8
摘要
该系统以Freescale16位单片机MC9S12XS128作为系统控制处理器，采用CCD摄像头获取赛道路况信息，利用透射式光电传感器配合码盘测速，控制舵机实现系统的闭环控制，保证模型车能够稳定运行。
在机械结构上，本设计做了一些改进和创新，对舵机的安装位置和高度做了一些调整，对摄像头的架设结构也做了调整，这对提高车模的稳定性打下了基础。
硬件电路部分选用电源管理芯片LM2940-5.0和LM358与9530组成的降压稳压电路为系统的各功能模块提供工作电源，供电电池为7.2伏，采用LM2940-5.0为单片机系统、摄像头模块、速度采集模块提供5伏电源；采用LM358与9530组成的降压稳压电路为舵机提供6.2伏电源；采用全桥模块稳定、有利地驱动直流电动机，可获得电机的最佳性能：
高速、快速响应和高起动频率；这为智能车的稳定工作提供了可靠的保证。
软件部分主要包括以下内容：
（1）摄像头采集图像的数据处理算法；
（2）路径识别后的控制策略，介绍了经典PID控制策略，车速以及后轮差速的控制策略，以及对不同路况信息的控制算法。
本系统应用CodeWarrior开发工具进行编程，用BDM进行程序下载，利用无线串口传输的数据进行在线调试完成了软件的设计、编程和调试工作，很好的实现了路径识别的功能。
关键字：
CCD摄像头，PID控制，路径识别
目录
摘要III
第一章引言1
1.1智能车大赛背景及应用前景1
1.2概述1
第二章系统设计思路与方案选择2
2.1整体设计思路2
2.2系统各模块方案选择2
2.2.1单片机系统方案选择2
2.2.2.传感器方案选择2
2.2.3.测速方案选择3
第三章模型车机械设计4
3.1整体布局4
3.2.系统电路板安装5
3.3.舵机安装6
3.4.摄像头支架的设计安装7
3.5.测速模块安装8
第四章系统硬件设计9
4.1.系统整体结构9
4.2.电源电路设计10
4.2.1单片机系统及摄像头电源电路设计10
4.2.2舵机电源电路设计11
4.3.电机驱动电路设计12
4.4.摄像头数据采集电路设计13
4.5.测速电路设计13
第五章系统软件设计14
5.1系统软件整体结构14
5.2图像处理15
5.2.1图像二值化15
5.2.2图像去噪声处理15
5.3控制策略15
5.3.1经典PID控制算法15
5.3.2车速PID控制策略16
5.3.3路径控制策略17
第六章开发工具及安装调试过程18
6.1开发工具介绍18
6.2软件调试过程18
6.2.1使用LabVIEW软件辅助调试18
第七章车模主要技术参数说明20
第八章结论21
参考文献22
附录A：
程序源代码23
第一章引言
1.1智能车大赛背景及应用前景
全国大学生智竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动。
大赛综合性很强，以迅猛发展的汽车电子为背景，是教育部倡导的大学生科技竞赛。
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，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、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队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。
大赛的综合性很强，是自动控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛[1]。
随着科学技术的迅猛发展和生活水平的快速提高，人们对汽车的安全性、舒适性要求越来越高。
各种先进的技术正在被应用和研究，如汽车智能交通系统、汽车主动安全技术、汽车自动驾驶技术、车辆巡航技术等，智能车辆的研究也正在成为世界汽车研究的热点之一。
智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物和沿着预定的路线运行。
根据路况信息，经过判断、分析和决策，确定出所应做的操作。
操纵车辆是一个自学习、自适应的过程，因此，智能车辆的研究主要是基于模糊控制理论、人工神经网络技术和神经模糊技术等人工智能的最新理论和技术开展研究工作的。
[2]
1.2概述
我们设计的智能车在电路设计上做了一些改进和创新，摄像头采用CCD摄像头，舵机和摄像头的机械结构也做了调整，使智能车能够满足高速运行的条件要求，具有良好的综合性能。
本文先从总体上介绍了智能车的设计思想和方案选择，然后分别从机械、硬件、软件等方面的设计进行论述，重点介绍了硬件电路的设计和路径识别的算法，接着描述了智能车的制作及调试过程，其中包含我们在制作和调试过程中遇到的问题及其解决方法，并列出了模型车的主要技术参数。
第二章系统设计思路与方案选择
2.1整体设计思路
本智能车以S12XS128芯片为系统控制核心，传感器采用CCD摄像头，摄像头拍摄赛道图像信息后，经信号处理模块处理后再输入到S12XS128做进一步处理。
车速测量光电编码器，通过两个外接脉冲累加器电路对两后轮车速进行测量；舵机转向采用分段比例-微分控制；电机转速采用PID控制，并通过PWM控制驱动电路调速。
对于机械部分改装，一方面，我们调整了舵机的位置和力臂长度，以发挥它更好的工作性能；另一方面，为了降低车身重心，提高车模的稳定性，我们改变了系统电路模块的大小和位置以及摄像头的支架结构，优化了系统性能。
2.2系统各模块方案选择.
2.2.1单片机系统方案选择
我们采用了自己设计的S12XS128控制系统，因为双列直插式开发板虽然使用方便，但是电路板集成度不高，还会增加系统的重量和重心高度。
将系统模块设计成较小的正方形模块板，采用插针方式插在电路板上，这样易于当出现问题时能立即更换。
而且可安装在离车模底盘非常接近的位置，以降低车模重心，使车模在行驶过程中更平稳，为提高车速增加了空间。
2.2.2.传感器方案选择
摄像头分数字CMOS摄像头和模拟的CCD摄像头两种。
数字摄像头有电路简单，无需AD转换的优点，但当车模高速运行的过程中容易出现图像不稳定的问题。
而模拟摄像头虽然需要12V升压供电和AD转化，但其动态性能较好。
所以，我们最终选择了动态性能较好的CCD摄像头作为传感器。
2.2.3.测速方案选择
速度采集是闭环控制系统中必不可少的环节。
为了使得车模能够平稳地沿着赛道运行，车速要与舵机配合，以保证车模在各种道路上性能稳定。
所以要实时检测当前车模速度，并根据车模在赛道上所处的情况来调整速度。
车速检测可用测速发电机、光电编码器、透射式光电检测和霍尔传感器检测等。
在实际运用中我们对这几种方式进行了比较发现光电编码器的精确度更高，因此最后我们采用了光电编码器分别对两电极进行测速。
第三章模型车机械设计
3.1整体布局
模型车由车模、电源模块、驱动电机、转向舵机、电机驱动模块、路径识别模块、测速功能模块、单片机以及相应的端口接线等几部分组成。
智能车的车体长290mm，宽170mm，高390mm，重1165g。
用了CCD摄像头一个。
其中，路径识别电路采用CCD图像寻迹方案，用一个摄像头实现轨迹信息的采集，赛道路径信息检测频率约为25Hz。
图3.1整车布局
根据本届赛道的特点，我们采用了低重心紧凑型的设计方案，并架高舵机以提高响应速度；各系统模块设计成面积较小方形电路板。
同时固定摄像头传感器的材料我们采用了质量较小，强度较大的碳纤维管。
其整车布局如图3.1所示。
3.2.系统电路板安装
如上所述，我们将系统做成两个模块，分别为核心芯片控制模块和直流电机驱动模块，其安装结构如图3.2所示。
这样减轻了车身质量，以降低车模重心，使车模在行驶过程中更平稳。
图3.2系统电路板安装图
3.3.舵机安装
舵机以前是平卧的安装在底板上，可是由于力臂短，导致了舵机反应速度不够灵敏，于是我们将舵机架高改成直立式以增其力臂，提高灵敏度。
舵机的安装方式如图3.3所示。
图3.3舵机安装图
3.4.摄像头支架的设计安装
为了保持车体寻迹具有较好的前瞻性，并且固定方法简单、轻巧，我们最终选择了碳纤维管，把摄像头放在了车体较后的位置，撑出高度340mm。
图3.4为摄像头传感器支架的安装实物图。
图3.4摄像头的固定
3.5.测速模块安装
如图3.5所示，在车模的驱动电机传动齿轮上分别安装编码器。
图3.5测速模块安装
第四章系统硬件设计
4.1.系统整体结构
由于车模的重心越低、重量越轻越有利于车的稳定性和快速性，采用集成电路既可以使赛车体积减小，使电路美观，又可以减轻车体重量，使重心降低，有利于提高智能车性能。
硬件设计时我们考虑到电磁信号的干扰和布线的合理性，在设计的过程中都做了相应处理。
系统硬件电路主要由以下几个部分构成，其框图如图4.1所示：
S12XS128最小系统：
采用自行设计的；
电源电路：
包括5v稳压电路、6v稳压电路；
赛道检测电路：
采用CCD摄像头传感器；
电机驱动电路：
电机驱动采用全桥驱动；
舵机驱动电路：
由于使用的电池是7.2v，不能直接适用于舵机，所以需要对舵机外加稳压电路；
6）车速检测电路：
采用光电编码器检测；
图4.1系统结构框图
4.2.电源电路设计
电源模块的设计包括：
传感器供电模块、单片机供电模块、驱动电机供电模块以及其它的外围辅助模块等。
设计中要注意电源转换效率、噪声、干扰等。
保证系统硬件电路可靠运行。
整个硬件电路的电源全部由7.2V，2A/h的可充电镍镉电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压、电流各不相同，因此需要多个稳压电路将电池电压转换成各个模块的所需电压。
4.2.1单片机系统及摄像头电源电路设计
单片机系统仅为+5V稳压电路。
由于整个系统中+5V电路功耗较小，为了降低电源纹波，故选择使用串联型稳压电路，如图4.2所示。
在实际制作过程中，曾选用过集成芯片L7805时，当电机启动时，或者电流量突然增加的情况下，经常会出现单片机复位的现象。
纠其原因发现后轮驱动电机工作时，造成电池电压下降较大，造成系统不稳定。
为提高系统工作稳定性，必须使用低压降电源稳压芯片，最后选用了LM2940芯片。
图4.25V稳压电气原理图
4.2.2舵机电源电路设计
舵机电源是6v，起初我们选用LM2575可调输出电路如图4.2.2所示。
但我们发现在实际运用中这个电路电压容易不稳定，这对舵机的稳定性及灵敏度有很大的影响。
于是我们决定找出合适的稳压电路来做这一模块。
经试验最后我们采用LM358与9530组成的降压稳压电路为舵机提供6.
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