山东大学威海分校奔牛队智能汽车竞赛技术报告.docx
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山东大学威海分校奔牛队智能汽车竞赛技术报告
摘要
第三届全国大学生智能车竞赛要求采用指定的标准车模，以Freescale半导体公司生产的8位或16位单片机控制赛车在未知赛道上完成快速自主行驶。
该项赛事紧跟汽车技术智能化发展趋势，对提高参赛大学生动手能力具有重要意义。
本系统选用MC9S12DG128B作为唯一的处理、控制单元，采用CMOS摄像头对赛道图像进行采集，以双边缘提取算法获得黑色引导线位置，用比例方式控制舵机的转向，通过速度传感器获取智能车当前速度，采用Bang-Bang算法控制电机驱动芯片MC33886实现对智能车速度的控制。
对机械结构进行了合理改装，对传感器、硬件电路的安装进行了精心设计。
实验表明，目前系统在硬件电路稳定性、机械结构调整、驱动电机控制、舵机控制、赛道信息提取和处理上都获得了较好的效果。
关键词：
智能车，CMOS摄像头，边缘检测，速度传感器，Bang-Bang控制
摘要III
目录IV
第一章引言1
第二章系统整体设计3
2.1系统硬件结构3
2.2系统软件结构4
第三章机械结构调整5
3.1齿轮传动机构的调整5
3.2舵机的基本资料：
5
3.3舵机的机械调整6
第四章硬件电路部分7
4.1电源部分7
4.1.1降压电路部分7
4.1.2升压电路部分9
4.2视频分离部分9
4.2.1摄像头的工作原理10
4.2.2摄像头的两个重要指标11
4.2.3视频分离电路的设计11
4.3电机驱动部分12
4.3.1驱动芯片33886使用概述12
4.3.2驱动电路的设计13
4.4测速部分14
4.5PCB布板说明14
4.6单片机端口说明15
第五章软件部分17
5.1时钟与视频采集部分17
5.2黑线提取17
5.3舵机控制19
5.4测速部分20
5.5速度控制20
5.5.1速度控制20
5.5.2速度分配20
5.6起始线检测21
第六章总结与展望23
6.1总结23
6.2车模技术指标23
6.3不足之处和改进方向24
参考文献25
附录：
源代码27
第一章引言
进入21世纪以来，随着信息技术的飞速发展，形形色色的智能技术在汽车上得到推广应用，充分体现出其安全、可靠、舒适、方便及快捷的优越性能。
作为全球最大的汽车电子半导体供应商，飞思卡尔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。
例如引擎管理、安全气囊、车身电子、汽车网络和资讯娱乐等。
全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛今年将是第三届了。
智能车的方案有两种：
光电管和摄像头。
基于反射式的红外传感器的光电管方案具有较高的可靠性和稳定性，且易于单片机处理。
虽然本次大赛可以使用的传感器大多为16个，但光电传感器本身存在这检测距离近的问题，硬件电路复杂且不能为智能车提供远方的路径信息；另一方面由于为了获得远方的路径信息而需要将红外传感器伸的尽可能远，从而增加了智能车在高速行驶时的转动惯量，制约了智能车的行驶速度。
相比之下，基于面阵图像传感器的摄像头方案具有更大的优势。
摄像头传感器的成像是一个平面，无论水平还是垂直分辨率都很高，具有探测距离远的优势，能够尽可能早的感知前方的路径信息并进行预判断，是最理想的路径检测传感器。
不过使用摄像头传感器的数据量比使用光电传感器大的多。
虽然使用图像传感器数据量相对较大，但可以通过优化数据处理算法来解决这个问题，使用图像传感器是更好的选择。
下面是我们自己的设计情况。
技术报告以智能小车的设计为主线，包括车模机械结构设计、硬件电路设计及图像信息提取与处理、控制算法和策略优化设计等多个方面。
共分为六章。
其中，第一章为引言部分；第二章主要介绍了小车的硬件结构和软件结构。
机械结构关系着小车速度的提升空间，报告在第三章作了专门论述。
硬件稳定性决定了小车的行驶的稳定性，第四章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，主要包括电源部分、视频分离部分、电机驱动部分、测速部分、电路的设计。
第五章描述了相关算法视频采集部分和小车的软件设计，包括图像处理部分、舵机控制、测速部分、速度控制、起始线检测。
第六章中叙述了我们在设计过程中遇到的问题和解决方法。
为了提高智能车的行驶速度和可靠性，借助于自己编制的VB现场调试软件，在CodeWarriorIDE开发环境中进行软件开发，不断的优化和测试，最终确定了现有的系统结构和各项控制参数。
第二章系统整体设计
本章主要介绍CMOS摄像头方案的整体系统设计，其中包括硬件结构和软件结构。
在后面的章节中分别详细阐述各部分的电路设计及其原理图和软件设计的方法及其程序代码。
2.1系统硬件结构
本系统设计方案共包括八部分：
组委会提供的MC9S12DG128B开发板，图像采样部分，速度传感部分，舵机部分，电机驱动部分，拨码开关控制部分，BDM调试部分和串口显示部分。
其中单片机开发板是系统的核心部分。
它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。
图像采样部分由摄像头，基于芯片LM1881的同步分离电路，单片机的AD端口（视频输入端口）和行、场同步信号输入端口组成。
其功能是获取前方赛道的图像数据，以供单片机作进一步分析处理。
速度传感器模块由附在驱动齿轮上的编码盘（边沿是等间隔的凹槽）和透射式光电传感器组成，通过检测透射式光电传感器电脉冲脉冲累积数来间接求得赛车当前的速度值。
舵机部分和电机驱动模块分别用于实现赛车转向和电机驱动。
BDM调试部分和串口显示部分主要用于赛车系统的程序烧写，功能调试和测试，赛车系统参数调整等。
本系统的结构示意图如下：
MCS12DG128B
单片机
MC33886
驱动芯片
图像采集
电路
电机
摄像头
速度传感
舵机
BDM调试器
拨码开关
RS-232
PC机
图2.1系统硬件结构示意图
2.2系统软件结构
软件部分主要由初始化、视频信号读取、黑线提取、舵机控制、速度控制和人机交互等几个部分组成。
图2.2系统软件基本流程图
第三章机械结构调整
3.1齿轮传动机构的调整
车模后轮采用RS-380SH-4045电机驱动。
电机轴与后轮轴之间的传动比为9：
38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。
齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。
齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。
调整的原则是：
两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象。
3.2舵机的基本资料：
舵机的参数：
型号：
S3010
尺寸：
40.0*20*38.1（mm）（L*W*H）
重量：
41（g）
动作速度：
6.0V时0.16＋0.02〔Sec/60度〕
输出扭矩：
6.0V时6.5＋1.3〔Kg.cm〕
动作角度:
60＋10度
使用电压：
4.0V～6.0V
舵机的控制方法：
三线连接法：
黑线：
地线
红线：
电源线（7.2V）
白线：
信号线（PWM信号）
图3.1舵机插头
舵机控制信号：
当单片机信号是1ms正脉冲时,舵机转向-60度位置
当单片机信号是1.5ms正脉冲时,舵机转向度0度位置
当单片机信号是2ms正脉冲时,舵机转向+60度位置
对于赛车而言，由于机械结构的限制，当前轮转到最大时舵机只能转到大约＋40度。
对应的正脉冲为1.18ms到1.82ms。
在我们对舵机进行了一系列的机械结构改造后，当前轮转到最大时，舵机对应正脉冲约为1.32ms到1.68ms，也就是舵机只需要转动＋22度左右，就可以使前轮转到最大位置。
这样就大大节约了舵机转向的时间，加快舵机的响应速度。
3.3舵机的机械调整
舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。
分析舵机控制转向轮转向的原理可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。
这相当于增大力臂长度，提高线速度。
针对上述特性，加长了舵机臂，抬高了舵机，使得舵机的两个杆基本在一个水平面。
这样安装的优点是改变了舵机的力臂，使转向更灵敏,让前轮转向响应更快。
图3.3改装后的舵机照片
经过上述改装，可使整个小车在寻迹转向中更加精确快速。
第四章硬件电路部分
本系统除大赛提供的MC9S12DG128B开发板以外主要还包括四个部分，即电源部分，视频分离部分，电机驱动部分和测速部分。
4.1电源部分
驱动电路板中的电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源。
设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，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。
本系统所有硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电镍镉蓄电池提供，然而电路中不同电路模块的工作电压和电流容量各不相同，因此需要将电池电压转换成各个模块所需电压。
系统需要5V、6V、7.2V和9V的电源，7.2V可通过电池直接供电，9V可通过DC—DC的升压电路来实现，5V和6V可通过不同的稳压芯片来获得。
如果所有5V电源都从一个稳压芯片的输出口输出，那么在特殊情况下（如刹车过程中），则会在电路中产生大电流，这将有可能导致单片机重启。
因此，本系统采用通过一个稳压芯片稳压后的5V电源单独为单片机供电，其它需要5V的电源用另外两片稳压芯片，从而保证单片机的正常工作。
电池（7.2v）2000mAhNi-cd
7.2V
升压电路
降压电路
5V6V9V
舵机
测速电路
MC33886
摄像头
单片机
LM1881
图4.1系统电压调节图
4.1.1降压电路部分
由于本系统采用7.2V、2A/h的可充电镍镉的蓄电池供电，输入电压比较低，所以电源芯片宜选用低压降的电源管理芯片。
5V电源的获得采用比较常见的稳压芯片
有LM7805（输入电压需要大于7V）、LM2940,当电源电压不太低时它们就能正常工作。
由于7805功耗较大，所以本系统采用LM2940稳压。
LM2940为典型的TO-220封装，输入、地、输出三个引脚，使用也比较方便，并且稳压芯片LM2940（工作压差可以小于0.5V）能提供比较稳定的5V电压以满足稳定性的要求。
三片LM2940稳压后的电源分配情况如下：
电池电压经LM2940稳压后的5V电源驱动单片机工作；
电池电压经LM2940稳压后为驱动电压芯片MC33886提供所需的5V电源并且为测速电路提供5V电源；
电池电压经LM2940稳压后为分离芯片LM1881的正常工作提供稳定的5V电压并且为拨码开关的上拉电阻提供5V电源。
通过实际测试表明通过给单片机单片机等单独供电可以有效减少其复位。
转向舵机的额定工作电压为4.8V-6.0V，电压越高响应越快，舵机在6V供电时，响应速度最快，所以对舵机采用6V供电。
舵机在
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