第八届飞思卡尔竞赛摄像头组哈尔滨工程大学极品飞车1号.docx

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第八届飞思卡尔竞赛摄像头组哈尔滨工程大学极品飞车1号

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：

哈尔滨工程大学

队伍名称：

极品飞车1号

参赛队员：

喻聪

胡佳兴

魏震宇

带队教师：

张爱筠，管凤旭

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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：

带队教师签名：

日期：

摘要

本文设计的智能车以飞思卡尔公司MK60DN512VLL10微控制器作为核心，通过CCD摄像头获取图像信号，经过硬件二值化电路处理后提取赛道信息，对智能车进行控制；通过光电编码器获取智能车的实时速度，通过增量式PID控制算法实现智能车电机的闭环控制。

为了提高智能车的稳定性，增加调试效率，我们又开发了SDHC模块，C#上位机，液晶等调试工具，对该系统进行了一系列的调试，实验结果证明该方案确实可行。

关键字：

MK60DN512VLL10，CCD，PID，C#，SDHC

Abstract

ThisdesignofintelligentvehicletoMK60DN512VLL10Freescalemicrocontrollerasthecore,throughtheCCDcameratoobtainanimagesignalthroughhardwarebinarizationcircuitprocessingtoextractthetrackinformationonthesmartcarcontrol;throughtheopticalencoderforsmartcarreal-timespeed,throughincrementalPIDcontrolalgorithmtoachievesmartcarmotorclosed-loopcontrol.Inordertoimprovethestabilityofthesmartcar,increasedebuggingefficiency,wehavedevelopedtheSDHCmodule,C#PC,LCDandotherdebuggingtools,thesystemcarriedoutaseriesofdebugging,theexperimentalresultsshowthattheprogramdoeswork.

Keywords:

MK60DN512VLL10，CCD，PID，C#，SDHC

第一章智能车系统整体设计

1.1智能车系统概述

本系统结构主要由K60MCU控制核心，LM1881行场信号分离电路，硬件二值化电路，直流电机驱动电路，CCD摄像头，光电编码器等组成，其系统结构图如图1.1所示。

图1.1智能车系统总体结构图

本系统工作流程为，通过CCD摄像头获取环境信息，通过LM1881对摄像头信号进行行场信号分离，为MCU处理图像数据提供时序，通过硬件二值化模块将图像信息由模拟信号转化为数字信号输入MCU，同时通过光电编码器和陀螺仪能够获得智能车的速度和角速度信息，MCU对采集到的数据进行处理后，对舵机和电机进行控制，使智能车完成自主循迹运行的功能。

另外通过LCD5110液晶能够获得实时的图像信息，并且通过SD卡将数据传输至上位机，便于进一步的分析和处理。

1.2车模结构布局

图1.2智能车布局图

（1）舵机采用竖直放置，位于车尾，舵机两力臂等长，使打舵更加灵活；

（2）尽量降低智能车的底盘，同时将主板低放，合理控制摄像头的高度，使智能车重心降低；

（3）使用轻便坚固的方形碳杆作为摄像头杆，使摄像头固定更加牢固；

第二章智能车机械结构设计

2.1摄像头的安装

在摄像头安装上，采用圆形碳杆并将其固定于智能车后方，加高摄像头高度是较为常用的固定方案，该方案具有视野大，前瞻远等诸多优点，在摄像头组智能车正向运行时该方案曾普遍应用。

图2.1第七届极品飞车1号摄像头固定方式（圆杆架高后置）

随着第八届规则的更改，摄像头组智能车运行方向更改为动力轮在前，转向轮在后，开始我们继续沿用了上一届单杆后置的方案，期间进行了多次微调，随着实际调试的进行，发现这种方式有以下几点弊端：

1.摄像头高度提高会使摄像头在智能车高速运动时更加容易晃动，易造成图像不稳定，图像模糊等问题，增大了智能车误判的概率；

2.在新的规则下，摄像头组智能车运行方向更改为动力轮在前，转向轮在后，当智能车运行时，车尾运动较为灵活，若摄像头仍采用后置方案，在弯道转向时摄像头所看到的图像将会剧烈变化，不利于智能车的稳定运行；

3.采用圆碳杆固定虽然简单易行，但是圆形碳杆固定摄像头在车模高速运动时会沿不同方向不规则晃动，并且使用圆形碳杆也不容易将摄像头牢固固定，同时在发生紧急情况（例如摄像头被撞歪）时难以维护；

经过分析，讨论，我们决定对摄像头固定方式做以下几点改进

（1）采用方形碳纤维杆作为摄像头撑杆，并且适当降低摄像头的高度；

图2.2第七届极品飞车1号摄像头固定方式

图2.3第八届极品飞车1号摄像头固定方式

通过使用方形碳杆固定摄像头，减轻了了摄像头在智能车高速运动时的不规则震颤。

采用方杆固定，减少了摄像头的自由度（使摄像头无法沿杆旋转），使摄像头在不需要额外使用粘合剂的情况下固定的更加牢固。

由于摄像头部分自由度的减少，在出现紧急情况（例如摄像头撞歪）时，依靠液晶屏作为辅助手段也能迅速使摄像头恢复初始状态，增强了智能车的应急维护能力。

（2）将摄像头固定杆置于车身中部，保证智能车转向时图像的稳定性，使图像变化剧烈程度减少，使智能车运行更加稳定；

2.2舵机结构的安装及调整

2.2.1舵机结构安装方案选择

今年B型车模舵机原始固定方式为立式固定，位于车模中部，两边拉杆等长，中间采用一个螺丝固定在摆杆上。

图2.4B型车模舵机原始固定方式

为了能够合理的对智能车结构进行布局，我们决定将舵机移至智能车后方，并依旧采用原装的B车舵机固定方案，如图2.5所示

图2.5经过改进的B型车模舵机固定方式

在智能车速度提升之后，我们发现该机械结构存在以下几个问题：

（1）原始机械结构具有较大的机械空程，在智能车高速运行时影响较为严重；

（2）原装机械结构的一些连接处（例如两根舵机拉杆与舵机摆杆连接处）在一段时间使用后易于松动，不仅会造成机械空程，甚至会导致螺丝掉落；

经过分析，我们最终决定安装方式仍采用立式安装，但对固定方案加以改进，更换了舵机连片，拉杆等结构，最终效果图如图2.6所示。

图2.6最终采用的B型车模舵机固定方式

相比于原始的B车模舵机固定方式，该固定方具有以下几点优点：

（1）采用金属部件作为舵机支撑架，相比于原始结构，结构强度增加，使舵机固定更加牢固稳定；

（2）采用了类似于A型车模的舵机拉杆方案，相比于原始B车的细拉杆+顶丝固定方案，在调节拉杆长度时更加精确，同时该方案解决了原方案中顶丝松动导致严重机械空程的问题；

2.2.2舵机结构的调整

确定舵机结构后，我们便开始对舵机结构进行调节，使其能够适合智能车的运行。

图2.7S-D5舵机实物图

组委会规定B型车模的舵机为S-D5舵机，该舵机为数字舵机，额定供电电压为5.5V，相比于第七届应用的3010舵机，优点是S-D5舵机反应速度更快，控制精度更高，但是转动力矩上要比3010舵机小。

由于今年规则规定转向轮在后，使智能车转向更加灵活，因此对舵机的响应能力要求较高。

通过舵机转矩的经验公式

舵机转矩=舵机摆杆作用力*摆杆长度

我们得出结论：

摆杆作用力越大，在摆杆长度一定时舵机转矩越大，反应灵敏度越高。

转矩一定时，摆杆作用力与摆杆长度成反比。

由于S-D5舵机力矩相比于3010较小，所以相比于第七届的智能车时的摆杆长度应进行适当缩短，保证其力矩能够符合智能车转向的要求。

经过试验，舵机摆杆的长度在在mm时较为合适。

2.3转向轮倾角的调整

车模正向运行的情况下，在车模过弯时，转向舵机的负载会随转角的增大而增大，如果负载超过舵机限制会使舵机损坏，因此为了尽可能降低舵机负载，要对前轮的安装角度进行调整。

如果角度取的不恰当，将会造成转向不灵活，效率低以及侧滑的问题，这些问题会使智能车的稳定性下降，造成并加速轮胎的非正常磨损。

而我们车辆现在采用的是后轮转向前轮驱动的模式，所以对转向轮的调整与以往经验有所出入。

主销内倾是指主销装在轮胎轴略向内倾斜的角度，它的作用是使转向轮自动回正。

内倾角度越大，前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时阻力也就越大，会增大轮胎的磨损。

并且同时内倾角度越大，车辆行驶时车轮拥有一个向内行驶的加速度，如果内倾角度调整不对称容易引起车辆直线行驶时不稳定。

通常，通过调整主销内倾来抵消转向轮前（后）束所产生的车轮向内（外）侧转动的现象。

对于传统前轮转向车辆来说，通常是前轮前束配合主销外倾或者前轮后束配合主销内倾，可以减少轮胎的磨损。

而众所周知的阿克曼转向模型说明了当车轮束角满足阿克曼打舵模型时，可以消除车辆转向时轮胎的滑动摩擦，进一步减少对轮胎的磨损。

正是如此，多数强队都采用的是主销内倾配合前轮后束的前轮安装方案。

而当车模反向运行时，因为运行方向的改变，满足阿克曼打舵模型的条件就变成了后轮前束，同时为了抵消后轮前束产生的轮胎向内转动的现象，就会采取主销外倾的安装方式。

主销后倾通常是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的教的，如图3.8,它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动回复到原来的中间位置上。

而当车模反向运行时，主销后倾的安装方式同样可以使车轮回复到中间位置，用来保证高速情况系车模的稳定运行。

而车模反向运行时的主销后倾的安装方式相当于车模正向运行时的主销前倾，这一点应当值得大家注意。

图3.8主销后倾示意图

图2.9注销内倾角与车轮外倾角

转向轮前束是指同一轴两端车轮轮辋内侧轮廓线的水平直径的端点为等腰梯形的顶点，底边为车轮轴线。

等腰梯形两底边长度之差为前束。

当梯形前低边小于后底边时，前束为正（A

正的前束角在车轮中心产生向内的侧向力，而正的外倾角在车轮中心产生向外的侧向力，因此前束角与前文提到的主销外倾角协调，保持车轮做纯滚动和直线行驶，从而减少轮胎磨损，提高汽车的操纵稳定性。

图2.10转轮前束

2.4编码器的安装

在编码器安装方案上，我们沿用往年的方案，将编码器安装至车模尾部，与车轮传动齿轮啮合。

由于今年摄像头组车模为反向运行，因此对于编码器的安装方式进行改进，保证车模在意外碰撞时编码器不会损坏。

图2.11编码器安装方式

第三章智能车硬件电路设计

为了确保智能车能够更加稳定的运行，我们对智能车硬件电路进行了系统的设计，我们主要从摄像头信号处理，系统电源，MCU最小系统，电机驱动和主板硬件电路等方面进行设计。

3.1硬件整体设计方案

在智能车硬件整体设计方案上，我们本着可靠，高效的原则，在各个硬件方案中，从可靠性，实际应用效果两大方面进行考虑，选择最适合的方案进行设计。

在可靠性上，对所有的待选方案，我们都会尽可能的对其进行不同条件下的测试，从中选择最佳的方案进行优化，改进，最后投入使用，例如CCD摄像头硬件二值化方案的选择、优化。

在高效性上，我们主要从图像采集方案，电源系统设计两方面体现。

（1）摄像头图像采集方案上，采用模拟电路搭建的硬件二值化电路相比AD采集转换方案具有更快的速度和更高的分辨率，在相同时间内，使MCU能够获取数据量更大，分辨率更高的有效图像信息；

（2）电源系统设计上，CCD摄像头供电电源通过采用开关电源芯片和DC-DC模块之间的组合，MCU及其外设采用TPS系列的低压差高效率稳压器件，成功的实现了电池电能的高效利用。

3.2摄像头传感器的选择

由于智能车的车体控制方法是基于对赛道路径的准确提取和判断的前提之下的，因此图像传感器的选择对于智能车至关重要。

目前市面上常见的摄像头有CMOS和CCD两种，CMOS摄像头体积小，耗电量小，图像稳定性较高。

并且COMS摄像头中的数字摄像头类型具有速度快，电路简单等优点。

目前常用的数字摄像头为OV7620，OV7670等，我们选用了OV7620进行试验，试验中发现OV7620能够实现直接输出8路数字图像信号，并且不需要专门的升压电路，减轻了电池的负担，但是由于寄存器设置较为复杂，并且环境适应能力差，易受干扰，因此我们决定采用模拟摄像头传感器作为图像传感器。

模拟摄像头也有CCD和CMOS两大类。

CCD摄像头优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大。

但是生产工艺复杂、成本高、功耗高，需要工作在12V电压下，因此需要专用的升压电路。

这对7.2V电池供电的智能车来说能耗较大。

CMOS摄像头采用5V电源供电，功耗较小，但是动态性能和图像质量与CCD相比较差。

由于CMOS摄像头功耗较小，且相比于CCD摄像头性能相差不是很大，因此我们首先采用CMOS模拟摄像头OV5116进行试验。

图3.1OV5116采集到的图像

图3.2SONYCCD摄像头采集到的图像

通过图像我们可以发现OV5116在静态环境下图像分辨率不及SONY-CCD高，但是在图像对比度上OV5116却要比SONY-CCD摄像头好，由于我们要对摄像头信号进行硬件二值化，同时MCU所采集的图像分辨率远低于OV5116的分辨率，因此在硬件二值化的前提想，静态性能上OV5116略好于SONY-CCD。

然而，在动态性能比较上，在摄像头抖动时，OV5116图像质量较差，有较大的条纹出现，而CCD摄像头与其相比效果相对较好，由于摄像头车运行速度较高，为了确保图像的质量，经过分析，我们决定仍沿用前几届的方案采用SONY-CCD摄像头，摄像头供电的问题需要通过优化升压电路来解决。

图3.3SONYCCD摄像头实物图

我们选用了采用SONY1/3"的CCD芯片的摄像头，有效像素为有效像素:

PAL:

500（H）×582（V），感光面积为4.8mm×3.6mm，信号为PAL（模拟信号），水平清晰度为420电视线，奇场在前，偶场在后。

3.3智能车硬件电路设计

3.3.1摄像头信号处理方案

（1）处理方案选择

目前主流的模拟摄像头图像信号的处理方案有两种——AD转换采集和硬件二值化图像处理

AD转换采集方案是通过外部AD芯片或单片机内部的AD模块，将CCD摄像头的模拟信号转化为灰度的数字图像信号，这种方案具有原理简单，电路成熟稳定的优点，目前较为成熟的方案是利用外置高速AD芯片TLC5510对摄像头信号进行处理，能够获取较为直观的图像信息。

图3.4TLC5510工作电路

以下为通过AD转换获取的图像信息。

图3.5通过AD转换获取的图像

但是AD采集方案也存在一定的缺陷，首先由于AD芯片的精度限制（常用的Ti公司生产的高速AD芯片TLC5510仅有8位精度），导致了图像信息的部分损失，同时，由于单片机速度的限制，导致图像采集的分辨率受到限制，使单片机资源没有得到真正充分的应用，并且由于系统的进一步用途主要用于提取环境中的黑线位置，AD采集获得的信息中可用量较少，增大了MCU的运算量，不利于系统的高速工作，并且由于电平不兼容的原因在图像中出现了白色噪点，这将不利于图像的提取与处理。

同时TLC5510的工作电路也较为复杂，不利于系统稳定性的提升。

第二种方案是采用硬件二值化方案，搭建电压比较器电路，设定适当阈值，对摄像头输出的模拟信号进行比较输出，使摄像头的模拟信号转化为只有高低电平的数字信号，这种方案具有电路原理简单的优点，并且在这种方案下使单片机能够以最少的资源应用于图像采集，提高了图像的采集和存储速率。

在电路方面相比于AD采集方案更加简单稳定。

以下为通过硬件二值化方案获取的图像信息。

图3.6通过硬件二值化获取的图像信息

与AD采集方案相比，硬件二值化获取的图像信息较为直观，通过观察图像可以清晰的分辨出白色KT板和黑线，同时噪点较少，图像质量较高，由于采用电压比较器进行信号处理，速度上优于AD方案，可以让MCU在相同工作频率下使采集的图像分辨率更高，获取更多的图像信息，但二值化只有黑与白两种状态，图像信息较少，但由于图像处理仅要求区分出黑白两种颜色，因此该影响可以忽略，经过综合考虑，我们采用硬件二值化的方式来进行图像处理。

（2）硬件电路设计

对于硬件二值化的电路方案，有多种方案可以选择

方案一：

采用电压比较器LM393，通过选择合适的电压作为比较器的参考电压，把图像信号转化为高低电平信号，其输出信号直接接到单片机的IO口，可以读取到图像信号，一般可得到黑线为1，白板为0的图像信号，（或者是黑线为0，白板为1的图像信息）。

图3.7固定参考电压二值化电路

此方案优点是数据转化速率快，同时能够实现准确的数据转换（几乎不会出错）。

其精度对于图像的分析是够的。

图3.8通过示波器获得的二值化信号（1为原始信号，2为硬件二值化信号）

此方案缺点是参考电压固定不变，若不经过其他电路或者软件处理，很难实现动态阀值，所以导致图像信号受环境光线强度的影响。

造成摄像头环境适应能力很差，当摄像头高速移动时，若环境光线发生较大变化，由于阈值固定的原因将导致硬件二值化电路无法正确处理图像信号，并且通过该种方式获得的图像噪点较多，增大了后期图像处理的难度。

方案二：

采用电压比较器LM393，为了提高硬件二值化电路对环境适应性，并减少采集到的图像中的噪点，将方案一进行改进，搭建了滞回电压比较器，通过选择合适的电压作为比较器的参考电压，把图像信号转化为高低电平信号，其输出信号直接接到单片机的IO口，可以读取到图像信号，一般可得到黑线为1，白板为0的图像信号，（或者是黑线为0，白板为1的图像信息）。

图3.9滞回电压比较器电路原理图

此方案在方案一的基础上，通过滞回比较，部分解决了方案一中单固定阈值适应性较差的问题，能够适应一定程度的环境光线变化，由于其电路较为简单，因此应用也最为广泛，但是该方案仍无法真正做到阈值的动态可调。

并且由于摄像头信号幅度较小（峰值电压仅1.26V），难以设定适合的滞回电压区间，故阈值可调范围较小。

方案三：

采用电压比较器LM393。

通过镜像电路，得出与原图像信号相反的电压信号作为比较器的参考电压，把图像信号转化为高低电平信号，其输出信号直接接到单片机的IO口，就可以读取到图像信号，我们采用S8550三极管作为信号镜像元件，通过调节电位器R2实现镜像信号强度的调节，将该信号与摄像头原信号进行比较，从而获取图像信息。

图3.10动态阈值二值化电路原理图

此方案优点是数据转化速率快，同时当环境光线变化时，本电路会自动改变给比较器的参考电压，来适应环境的变化，相当于动态阀值，单片机不用采用任何处理，其精度对于图像的分析是绝对够的，同时也能确保在不同光线的环境下，也能输出正确的黑线信号。

此方案缺点：

经过实际测试发现，该方案虽然能做到阈值的动态调整，但是对于场地反光等情况很难克服，实际阈值调节范围较小，并且由于CCD摄像头自动曝光的影响，该方案的环境适应性不能达到其理论上的效果。

方案四：

仍采用LM393作为电压比较器，鉴于方案2中可调范围较小，滞回区间较小的问题，我决定对摄像头信号进行放大，对放大之后的信号进行滞回比较，从而扩大滞回区间和可调范围。

我采用NE5532作为信号放大器，首先将摄像头信号进行2倍同向放大，之后利用LM393进行电压比较，比较方式借鉴方案2，采用滞回比较，设定0.3V的电压回差。

在实际测试中，较好的解决了场地光线不均匀时的问题。

图3.11对摄像头信号进行放大的硬件二值化电路原理图

但由于回差电压设置较大，在光线较为复杂的情况下会出现无法正常采集整张图像的情况。

经过分析发现问题是由于摄像头信号放大倍数较小（放大倍数为2倍）。

因此决定提高摄像头信号的放大倍数，由于运放电源电压的限制（NE5532供电电压为5V），摄像头信号峰值为1.26V，因此决定采用4倍放大。

但在采用4倍信号放大之后发现经过放大后的摄像头信号发生削波，查阅资料发现NE5532如果将目前摄像头信号放大4倍需要提升运放的供电电压，这样将会增加电源的数量，使电路的复杂程度增加，降低了系统的稳定性，该方案需要进行进一步优化。

方案五：

在方案四的基础上，采用ADI公司生产的AD8032作为摄像头信号放大器&电压比较器。

AD8032（双核）是一款单电源电压反馈型放大器，具有高速特性，并且具有轨到轨输入和输出特性，这也就说明AD8032信号输出最大电压能够达到电源电压，解决了采用NE5532会发生信号失真的问题，同时利用这个特性也可以实现电压比较器的功能。

并且AD8032还能提供出色的信号质量。

图3.12AD8032芯片部分性能参数

由于AD8032是具有轨到轨输入和输出特性的双路运放，因此我将其中一路运放用于摄像头信号的放大，另一路运放搭建滞回电压比较器，通过一个IC实现了方案四的功能，并且在+5V单电源工作的情况下能够正常工作，简化了硬件电路，提升了整个系统的稳定性

图3.13采用AD8032的硬件二值化电路

图3.14摄像头信号进行4倍信号放大（1为原始信号，2为放大之后信号）

图3.15摄像头信号进行滞回比较（1为摄像头信号，2为经过处理的二值化信号）

经过分析，我们决定在方案三和方案五之间进行选择，由于系统的实际工作环境光线变化不是特别大，CCD摄像头本身就具有较强的动态性能，根据外界光强的大小能够自主调节曝光时间等参数，同时方案三虽然实现了动态阈值，但若要解决CCD自动曝光问题仍需改进，经实际测试，方案五已经能够满足绝大部分情况，经过综合考虑，在权衡系统稳定性要求和两者之间的性能差异后，我们决定采用方案五作为最终的图像信号处理方案。

3.3.2智能车电源系统设计

1.摄像头传感器供电电路设计

在本系统中，我使用的传感器为SONY-CCD模拟摄像头，需要12V电源进行供电，而系统中所使用的电池能够提供的电压为7.2V至8.3V，无法直接满足传感器的需求，因此需要搭建升压电路为摄像头提供电源。

（1）常用的方案是采用MC34063来搭建12V升压电路，MC34063是一单片双极型线性集成电路,专用于直流-直流变换器控制部分.片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关,能输出1.5A的开关电流.它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和和电源反向器。

该方案具有成本较低，应用广泛的优点。

图3.16MC34063典型应用电路

但在实际应用中发现，由于电池电压具有一定的波动性，导致电源输入端电压变化，造成了稳压电路工作不稳，输出电压随着电池供电电压的降低随之降低，因此，我们决定改进方案，一是更换性能更好的升压芯片，二是稳定升压芯片的输入电压。

（2）经过改进，我们采用LT1070作为开关电源芯片，通过LM2940将电源稳压至5V提供给LT1070，LT1070将电源升压至12V，解决了由于电池电压不稳定导致