第十一届智能车技术报告南京理工大学紫金学院.docx
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第十一届智能车技术报告南京理工大学紫金学院
第十一届“恩智浦”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技 术 报 告
学校：
南京理工大学紫金学院
队伍名称：
光电二队
参赛队员：
夏骏达
徐晓颖
张荟
带队教师：
李盛辉曹芳
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第十一届“恩智浦”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，比赛组委会和恩智浦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
本文介绍了队员们在准备第十一届“恩智浦”杯智能车竞赛过程中设计的
基于视觉引导的智能汽车控制系统。
智能车的车模采用大赛组委会统一提供的
仿真 车 模 ， 硬 件 平 台 采 用 带 Cortex-M0+ 处 理 器 的KL26 环 境 ， 软 件 平 台 为
IAREmbeddedWorkbench 开发环境。
文中介绍了智能车控制系统的软硬件结
构和开发流程。
整个智能车系统的设计与实现包括了车模的机械结构调整、传感器电路的设
计与信号的处理、控制算法和策略优化、系统调试等多个方面。
通过对比不同
方案的优缺点，在保证提高智能赛车的行驶速度和可靠性，我们最终确定了现
有的系统结构和各项控制参数。
关键字：
智能车，视觉引导，图像处理，路径识别
目次
第一章引言 ......................................................1
1.1智能车发展状况 ............................................1
1.2智能汽车竞赛介绍 ..........................................1
第二章系统总体设计 ..............................................3
2.1工作原理 ..................................................3
2.2硬件结构 ..................................................3
2.3软件结构 ..................................................4
2.4小结 ......................................................5
第三章机械结构设计与实现 ........................................7
3.1赛车基本参数 ..............................................7
3.2 机械结构调整 ...............................................8
3.3小结 .....................................................10
第四章系统硬件电路设计 .........................................11
4.1核心控制器 ...............................................11
4.2电源模块设计 .............................................12
4.3线性ccd模块 ...............................................14
4.4舵机驱动模块 .............................................16
4.5编码器 ...................................................17
4.6电机驱动模块 .............................................18
4.7小结 .....................................................20
第五章图像处理和路况判断设计 ...................................21
5.1图像采集方案设计 .........................................21
5.2赛道信息提取算法设计 .....................................23
5.3路况判断算法设计 .........................................24
5.4舵机控制算法设计 .........................................24
5.5电机控制算法设计 .........................................24
5.6小结 .....................................................25
第六章系统调试 .................................................26
6.1软件调试平台 .............................................26
6.2硬件调试 .................................................28
6.3本章小结 .................................................29
参考文献 .........................................................30
附录一：
控制系统核心代码 .........................................30
第一章引言
1.1智能车发展状况
智能车的发展是从自动导引车（Automatic Guided Vehicle,AGV）起步的。
AGV是指装有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护及各种移栽功能的运输车辆。
1913年，美国福特汽车公司首次将有轨导引的AGV代替输送机用到底盘装配上。
1954年，英国采用在地板下埋线，组成了电磁感应导向的简易AGVS。
AGVS（Automatic Guided Vehicle System）是指自动导引车（AGV）和地面导引系统组成的、进行物料搬运等作业的光机电一体化的系统。
1955年，英国研制出了在生产线上实用的AGVS。
1959年，在美国首先出现了应用AGV的自动化仓库。
1982年，德国出现了第一辆无人叉车。
1985年，计算机通讯。
识别技术应用于AGVS。
在国内，北京起重机械研究所于1976年研制出了我国第一台AGV。
1999年起，中科院沈阳自动化研究所研制了客车装配AGV系统。
随着科学技术的发展，许多新技术都应用到AGV或AGVS上。
例如，激光技术的应用使AGV实现虚拟路径的导航和安全保护；无线局域网的应用使AGV的调度实时性更强，是AGV调度技术的一场革命；现场总线的应用使AGV的可靠性和可维护性得到提高，RFID的应用使AGV与地面系统的信息交互量更大。
自适应性更强。
同时，随着智能交通系统研究的深入，无人驾驶智能车辆的研究也越来越受到人们的关注。
1.2智能汽车竞赛介绍
全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的 16 位、32位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。
智能汽车的行驶控制一直以来是自动化、汽车等学科研究的目标，首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛以邀请赛的方式使更多的学校和同学有了探索的机会。
现在历经十一届，每一届都较前一届无论是速度还是稳定性都有新的突破。
大学生智能模型车竞赛是在恩智浦半导体公司资助下举办的大学生课外科技竞赛。
组委会将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道，谁就是获胜者。
为了追求小车的高速和稳定的目的，人们对人工智能与机器人技术，汽车技术，自动控制技术各方面都进行了更广泛、更深入的层面展开研究,这样无疑对学术研究和生产应用都有很强的实际意义。
比赛涉及到的专业知识有自动控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养有重大的意义，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期推动作用。
第二章系统总体设计
智能车系统的制作要求是能够自主识别路线，即在按规则专门设计的跑道
上自动识别道路行驶，要求最快跑完全程而没有冲出跑道，要求智能小车运行
又快又稳。
因此对于小车的控制系统来说稳定性和快速性是控制系统设计的两
个重要指标。
2.1工作原理
根据需求分析，经过仔细研究，决定采用模块化设计。
智能汽车的硬件系统由核心控制模块（MCU）、电源管理模块、传感器模块、存储器模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、人机接口模块、无线通讯模块组成。
智能车系统的工作原理示意图如图 2.1 所示：
图 2.1智能汽车系统工作原理示意图
智能汽车系统通过视觉传感器来检测前方的赛道信息，并将赛道信息发送给单片机。
同时，通过编码器构成的反馈渠道将车体的行驶速度及加速度信息传送给主控单片机。
根据所取得的赛道信息和车体当前的速度，主控单片机做出决策，并通过 PWM 信号控制直流电机和舵机进行相应动作，从而实现车体的转向控制和速度控制。
2.2硬件结构
智能车控制系统从硬件上分为电源模块、传感器模块、信号处理模块、直
流电机驱动模块、转向伺服电机驱动模块和单片机模块。
2.3软件结构
系统硬件位于底层，是整个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制
需求来制定。
系统基本的软件结构如图2.3所示。
设置一个中断函数，然后单片机在中
断中开始采集图像、处理图像，同时测出电机速度，最后由所得到的数据对舵
机和电机进行控制并将相关数据通过无线模块发送出来。
控制周期为一次中断
的时间，为10ms。
图2.3系统软件结构
2.4小结
本章介绍了智能汽车控制系统的工作原理。
根据系统的需求简要给出了系
统的总体设计方案，并划分了系统的几个模块，。
第三章机械结构设计与实现
为了使车能够更稳定的高速运行，我们对这次比赛车模进行了系统的分析。
今年的车模精度不是很高，因此要尽量在规则允许范围内改造车模，提高车模整体精度是很必要的。
另外，我们在实际调试中发现，前轮的束角和主销倾角对车的高速运行下的稳定性影响很大。
高速运行下舵机的转动速度对车转向的灵活程度也起到了根本性的作用。
此外，由于线性ccd是外加的传感器，良好的固定方案能最大限度发挥它的前瞻远，视野广的特点。
所以，在整车的机械结构方面我们进行了三方面改进：
转向机构改进、线性ccd设计安装和前轮束角调整。
3.1赛车基本参数
总电容129.9uf
此次比赛所用赛车车模是由深圳博思公司提供的C型车模，具体车模数据如
表3.1所示：
基本参数
尺寸
轴距
200mm
轮距
135mm
车轮宽度
24mm
车轮直径
50mm
车长
295mm
车宽
160mm
车高
390mm
表3.1车模参数
赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。
控制采用前轮转向四轮驱动方案。
车模改装是我们的第一步工作，在严格遵守比赛规则对车模要求的前提下，车模进行重装和改装。
如图3.1为车模外观图。
图 3.1车模整体外观图
3.2机械结构调整
3.2.1线性ccd的安装
线性ccd的安装位置应合适选取。
安装位置太低，会导致视域不够广阔，影响寻线的有效范围，特别是在今年比赛规则将引导线贴在赛道两边的情况下，使寻线更加困难。
若是将线性ccd角度抬高，图像畸变严重；安装位置太高，会将整车重心提高，导致智能车在快速转弯时翻车。
安装位置合适的一个标准是：
在此位置的拍摄范围能满足控制的需要。
由于本届比赛引导线贴在赛道两边，所以线性ccd尽量往上提。
3.2.2前轮倾角调整
前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。
前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。
主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。
角度越大前轮越大前轮自动回正的作用就越
9
强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。
图3.2前轮外倾角示意图图3.3前轮约束示意图
主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。
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恢复到原来的中间位置上。
由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。
图3.4主销后倾纠正车轮偏转原理图
前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。
3.2.3PCB板安装
电路板是这个系统的核心，如何正确的设计和安装是智能车取得良好成绩的关键。
我们分别制作了电机驱动板和人机接口板，这样一来，电路板的性能比较稳定而且重量比较轻，保证了智能车能快速稳定的跑完全程。
同时，主控板与各个执行单元的接口也是应该考虑的因素，所以要尽可能照顾到相应模块的接口方向，使接插线的连接不出现交叉或缠绕的现象。
根据小车实际的运行过程可以看出，各执行部件与主板的接口都很恰当，接插线没有缠绕和交叉，该方案达到了良好的效果。
3.3小结
本章对模型车车体的优化调整进行了介绍。
根据汽车理论的基本知识，通过原理分析，对车体姿态参数进行了多方面的调整与优化，并取得了良好的效果。
第四章系统硬件电路设计
本系统硬件电路的设计目标为：
可靠、高效、简洁。
可靠性是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。
高效是指本系统的性能要足够强劲。
简洁是指在满足了可靠、高效的要求后，为了尽量减轻整车重量，降低车体重心位置，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。
4.1核心控制器
单片机最小系统板使用MKL26Z256VLL4单片机。
该芯片采用3.3V供电，功能强大，总线频率超频高达200MHz。
芯片含有丰富的片内设备。
该单片机适合于在汽车电子中的应用，成为很多车载电子设备的控制芯片。
4.2电源模块设计
本系统全部硬件电路的电源由 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和电流容量不相同，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。
各模块供电如图 4.1：
这里考虑到人机接口板所需电流为1A，而单片机等芯片要求电流不高，所以采用两块5V稳压芯片分别供电。
由图可知，从电压上看，系统的供电电压分为+7.2V、+6V、+5V 和+3.3V 几个档。
从功率上看，系统的电源又可以分为信号电源和功率电源两部分。
功率电源为电机驱动模块和舵机供电，信号电源则为余下的部分供电。
4.2.15V 电源
由上述分析，5V电源选取两种电源稳压芯片，一种要求纹波小，电流在1A以下，工作稳定，给单片机等芯片供电；另一种要求电流在1A座右，输出电流纹波没有太高要求，专门为人机接口板的数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片供电。
由于整个系统中+5V 电路功耗较小，为了降低电源纹波，我们首先使用串联型稳压电路，另外，后轮驱动电机工作时，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。
为了提高电源的利用率，我们进一步选择 DC/DC 电源稳压电路。
DC/DC 是开关型稳压电路，它的优点是电路结构简单，对电源的高频干扰有较强的抑制作用、效率高，输入电压的范围宽，输出电压，电流的纹波值较小。
此外，本系统选用 LM2940 为人机接口板的数码管显示驱动芯片供电。
LM2940 也是常用的高性能线性稳压芯片之一，它的工作压差较小，只要输入电压达到 6V 以上就可以稳定输出 5V 电压，同时它的输出电流为 1.5A，满足人机接口板的 1A 要求。
连接如图 4.2 所示：
图 4.2LM2940 电路原理图
4.2.26V 电源
由舵机的技术规格可知，其工作电压为4-6V。
由于提高舵机的工作电压可以缩短舵机的反应时间，所以选择其工作电压的上限6V来供电。
与5V电源苛刻的性能要求相比，6V电源的性能指标要宽松一些，故其选型也比较容易，这里采用LM2941来实现。
为了使舵机的工作性能最佳，在不改变舵机机械结构的基础上，将舵机的工作电压设定为 6V 是一种行之有效的解决办法。
经实际使用证明了该方案的可行性。
4.2.33.3V 电源
系统中，无线通信模块和加速度传感器需要3.3V的供电。
由于其电压值较低，故很容易满足而不必考虑电压被拉低的情况。
这里采用同样来自于国家半导体公司的LM1117-3.3，电路如图4.4所示。
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图 4.4LM1117-3.3 电路连接图
4.3线性ccd模块
4.3.1线性ccd工作原理描述：
TSL1401CL线性传感器阵列由一个128×1的光电二极管阵列，相关的电荷放大器电路和一个内部的像素数据保持功能组成，它提供了同时集成起始和停止时间的所有像素。
该阵列128个像素，其中每一个具有光敏面积3524.3平方微米。
像素之间的间隔是8微米。
操作简化内部控制逻辑，只需要一个穿行输入端（SI）的信号和时钟CLK。
所以，TSL1401CL的核心是128个光电二极管组成的感光阵列，阵列后面有一排积分电容，光电二极管在光能量冲击下产生光电流，构成有源积分电路，那么积分电容就是用来存储光能转化后的电荷。
积分电容存储的电荷越多，说明前方对应的那个感光二极管采集的光强越大。
反映在像素点上就是，像素灰度低。
光强接近饱和，像素点灰度趋近于全白，则呈白电平。
对于CCD来讲，前18个时钟周期是像素复位时间，不进行积分与曝光。
而且，第一个逻辑时钟SI必须出现在下一个时钟信号CLK上升沿之前。
从时序图可清晰的看出CCD的操作过程，SI信号相当于一个标志，当它变为高电平后，我们就可以在每个CLK信号高电平到来后进行数据的AD采样。
4.4舵机驱动模块
舵机负责智能汽车的转向，舵机模块能否稳定的工作直接影响到智能汽车
在赛道上高速行驶时的稳定性以及转向时的灵敏度和精确度。
本系统的舵机由
大赛组委会统一提供，型号为 S3010。
影响舵机控制特性的一个主要参数是舵机的响应速度即舵机输出轴转动角
速度，S3010 型舵机响应速度为 0.1-0.13s/50 度。
控制舵机的脉冲可以使用 MKL26Z256VLL4的 1 路 PWM 产生。
单片机中有10路
独立的 PWM 输出端口，可以将其中相邻的 2 路 PWM 输出级联成一个 16 位 PWM 输出。
在单片机总线频率为 200MHz 的时候，改变 PWM 占空比常数可以改变输出脉冲的宽度。
而脉冲信号的宽度决定舵机输出舵盘的角度。
舵机内部电路通过反馈控制调节舵盘角位。
由于自身即为角度闭环控制，而且性能较好，故系统中就不必考虑外加舵机闭环。
所用舵机如图 4.8 所示。
图 4.8舵机 S3010
4.5编码器
为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使赛车在急转弯
时速度不至过快而冲出赛道。
通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速，
但是如果开环控制电机转速，会受很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩
擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。
这些因素会造成赛车运行不稳定。
通过
速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使
得车模运行得更稳定。
此外，在记忆算法中为了记录道路信息，需要得到赛车
运行距离，这也可以通过车速检测来实现。
车速检测的方式有很多种，例如用
测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测、透射式光电检测和霍尔传感器检
测。
经过对测速方案和其它学校方案的比较，本次设计中速度传感器采用的是
龙邱公司生产的MINI512线编码器，它由3.3-5V的直流供电。
4.6电机驱动模块
1.制造结构简单，隔离方便。
2.电路尺寸小、功耗低适于高密度集成。
3.mos管为双向器件，设计灵活性高。
4.具有动态工作独特的能力。
5.温度特性好。
其缺点是速度较低、驱动能力较弱。
一般认为mos集成电路功耗低、集成度高，宜用作数字集成电路；双极型集成电路则适用作高速数字和模拟电路。
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图4.12为驱动电路：
图4.12驱动电路
图4.13为驱动模块实物图：
图4.13驱动模块
4.7小结
本章具体介绍了硬件系统各个模块的研究过程及设计方法，包括核心控制模块、电源模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、传感器模块等。
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第五章图像处理和路况判断设计
5.1图像采集方案设计
由于视觉传感器传送回来的图像要不断处理，而且传输的数据很快，单片机在有限的总线频率下无法进行复杂的处理，所以必须对算法进行优化。
ccd的架设示意图如图 5.1 所示。
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15cm
图 5.1主ccd架构示意图
本届比赛引导线在赛道两边，要使线性ccd探到两条黑线，必须增加ccd镜头度数或者尽可能的将ccd架高。
将总控单片机超频到 200M，根据此时普通 I/O 口的运行速率，将这 128 个点进行处理，已经满足了小车的赛道信息要求。
5.2赛道信息提取算法设计
图像预处理的任务是从线性ccd的每一行信息中提取出有效地中点，以便做后续分析。
提取中点常用的方法主要有从中线向两边搜线和从两边向中间搜线。
在本车上，我采用从上次采集到的中点开始向两边搜线的方法，这样可以有效的避免当两个赛道挨的很近的时候串道的情况。
采集到原始图像以后，我们先对图像进行了三点滤波，然后提取了图像的动态阈值，再对图像进行二值化处理，将数组中高于动态阈值的点判断为白点，并赋值为255；将数组中低于动态阈值的点判断为黑点，并赋值为0。
最后从前一次的中点开始向两边搜线，找到左右点，提取出本次的中点。
在求图像的动态阈值的时候，我发现用经典的大律法算法耗时太久，严重影响智能车高速行驶的反应速度。
所以，我对大律法做了相应的简化，使得求得的动态阈值又稳定又计算时间短。
5.3路况判断算法设计
比赛中的赛道类型主要有直道、大 C 弯、小 C 弯、大 S 弯
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