电子科技大学智能汽车竞赛技术报告.docx

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电子科技大学智能汽车竞赛技术报告

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

摘要

本文详细介绍了我们队为第八屇Freescale智能汽车大赛而准备的智能车

系统方案。

该方案以Freescale公司的MK60DN512VLL10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。

在赛车的调试方面，通过采用无线蓝牙模块、SD卡、LED状态指示灯等，大大方便了算法调试和加快了调试进度。

经过实际测试，整个赛车系统能在规定的跑道上高速稳定地行驶。

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，

以及调试等内容。

关键词：

智能车、寻线、起跑线、图像采集、PID、路径拟合

Abstract

InthispaperwewilldemonstratethesmartcarsystemschemefortheFifth

nationalsmartcarcontest.

Basedonmicrocontrollers,MK60DN512VLL10,ascontrolunit,thesmartcarsystemruninthespecifiedroadswiftlyandsteady.CMOSimage-sensor,areappliedtoobtainlaneimageinformation.Thenbaseontheinformationfromthesensor,

obtaininganoptimizedbycertainalgorithmandtheinformationofStartlane

andtrigonum.PIDfeedbackalgorithmisappliedtocontroltheangleandspeed.Inthe

processofdebugging,weadoptthewirelessserialport,theSDandthedenoting

LED,whichmadetheprogramdebuggingeasierandmoreeffectual.Inanotherhand,

byoptimizingtheparameterofthemachineofsystem,thesmartcarhasan

excellenceperform.Inthelaterarticle,wewilldemonstratethesystemscheme,the

modulesofsysteminhardwareandsoftwareandthechangeinmachineryofcar.

Keyword:

IntelligentCar,SearchLane,Startlane,Image,Sampling,PID,LaneStrategy

第一章引言

1.1大赛介绍

随着科学技术的不断发展进步，智能控制的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。

智能车技术依托于智能控制，前景广阔且发展迅速。

目前，掌握着汽车工业关键技术的发达国家已经开发了许多智能车的实验平台和商品化的车辆辅助驾驶系统。

有研究认为智能汽车作为一种全新的汽车概念和汽车产品，在不久的将来会成为汽车生产和汽车市场的主流产品。

面向大学生的智能汽车竞赛最早始于韩国，在国内，全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛从2006年开始已经举办了八届，得到了各级领导及各高校师生的高度评价。

大赛为智能车领域培养了大量后备人才，为大学生提供了一个充分展示想象力和创造力的舞台，吸引着越来越多来自不同专业的大学生参与其中。

在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，几个月来的经历，培养了我们电路设计、软件编程、系统调试等方面的能力，锻炼了我们知识融合、实践动手的能力，对今后的学习工作都有着重大的实际意义。

全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。

竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。

本次比赛分为光电、摄像头和电磁三个赛题组，大赛根据道路检测方案不同分为电磁、光电平衡与摄像头三个赛题组。

使用四轮车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组；使用四轮车模通过采集赛道图像（一维、二维）或者连续扫描赛道反射点的方式进行进行路经检测的属于摄像头组；使用指定两轮车模保持车体直立行走的车模属于平衡组。

本论文主要介绍摄像头组的智能车制作。

本技术报告主要包括机械系统、硬件系统、软件系统等，详尽地阐述了我们的设计方案，具体表现在硬件电路的创新设计以及控制算法的独特想法。

智能车的制作过程包含着我们的辛勤努力，这份报告凝聚了我们智慧，是我们团队共同努力的成果。

1.2系统设计框架介绍

1.2.1路径检测总体方案

透镜成像组用摄像头识别路径，同时也可以结合红外传感器辅助摄像头检

测路径，从而有两种方案：

方案一：

单独采用摄像头进行路径检测。

摄像头通过面成像，可以对车前方足够的赛道信息进行采集，有利于赛车

行驶时对前方赛道进行有效的预测，实现最优路径的选择。

摄像头采集图像的这个优点尤其在赛车高速行驶准备入弯时表现得突出，它可以精确判断出不同的弯道从而赛车可采用不同的行驶策略，这对于舵机反应的滞后性有很大的改进。

单独采用摄像头检测路径的缺点是摄像头采集路面信息的频率较低，容易受到光线和赛道外物体的干扰，尤其是对起跑线检测时处理算法要进行优化。

方案二：

采用摄像头和红外传感器进行路径检测。

红外传感器的电路和软件设计简单，使用红外传感器对路径的检测受光线的干扰较少而且采集的信息可靠，还可以获得很高的检测频率，弥补了摄像头

检测频率不高、易受干扰的缺点，在起跑线时可以得到比较可靠的信息。

综上所述,我们采用方案一

摄像头方案的选择：

1.采用CCD摄像头。

CCD摄像头优点是成像质量好，特别是动态效果比

CMOS摄像头的效果要好很多。

但是CCD摄像头的功耗比CMOS摄像头要高，工作电流有100mA左右。

2.采用CMOS数字摄像头。

CMOS摄像头功耗较低，工作电流只有10mA左

右。

并且CMOS摄像头出来直接是数字信号

综上所述，我们采用CMOS数字摄像头。

1.2.2速度控制总体方案

在保证赛车稳定性的前提下，提高速度是获胜的关键，也是我们设计的重

点。

同时赛车的重量和重心的调整也是我们设计时要考虑的问题。

对赛车速度的控制主要有两种方案。

即：

开环控制和闭环控制。

方案一：

开环控制

开环控制是指没有反馈的控制。

即通过预先设定的方案，没有外部反馈地

进行操作。

优点在于操作和控制比较简单，只需要提供理论运行的过程然后编程调整即可实现。

缺点在于理论和实际始终有一定的误差，实践证明开环控制的精度不高，无法切实有效的提高速度。

方案二：

闭环控制

闭环控制是指具有反馈的控制。

在系统运行过程中，需要不断检测赛车速

度的状态，与预期的状态进行比较，当相差到一定程度时，修正误差，精

度很高。

但是缺点在于电路的搭建和程序的编制都比开环控制要复杂。

实现电机的闭环控制传感器主要是采用旋转编码器，在电机转动一定角度的时候形成脉冲，由外部器件捕获这些脉冲，得出与实际运行的差异。

开环速度控制实现起来比较简单，但速度会随着电池电压的变化而变化，不能实现对速度的精确控制。

为了使小车能以不同的速度通过不同的弯道，精确的速度控制是关键。

而且由于赛道上有斜坡，赛车安全通过斜坡的关键是控制上坡和下坡的速度，所以对于采用速度闭环控制的赛车来说通过斜坡就像是通过普通的直道一样的简单，不需要对斜坡进行专门的检测。

综上所述，采用速度闭环控制方案。

1.2.3转向控制

转向模块主要由舵机实现，舵机的响应速度和舵机臂长决定了转向控制的

实时性。

舵机的响应速度与驱动电压和控制舵机的PWM波周期有联系，通过查阅相关资料得知，在电压允许条件下，驱动电压越高舵机的响应速度越快。

调试过程中我们发现直接使用电池电压供电舵机也可以正常工作，我们把控制舵机的PWM波周期调整为16ms，把舵机臂长加长，舵机的响应速度有了很大提高，实现了对赛车的快速转向控制。

1.3本章小结

由以上的分析确定系统的总体方案：

采用CMOS摄像头进行路径检测，舵

机实现小车的转向控制，速度闭环控制方式对小车的速度实施精确控制。

系统的整体框图如图1.3-1所示：

图1.3-1系统的整体框图

本章通过论证和比较，确定了系统的整体方案。

在以下章节中我们将对这套方案进行详细介绍。

第二章智能车机械结构调整与优化

2.1智能车参数要求

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

图2.1.1车模示意图

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。

2.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。

3.伺服电机型号：

S-D5数字伺服，伺服电机数量不超过3个。

4.电机型号：

RS-540

5.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，力的作用减小。

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，以减少整车的重量，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