全国大学生光电设计大赛论文.docx
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全国大学生光电设计大赛论文
第三届全国光电设计大赛理论方案报告
编号：
参赛题目：
基于光电导航的无人驾驶智能车
参赛队伍名称：
所在学校：
队长姓名：
提交方案时间：
1．研究内容
设计一辆具有光电导航能力的智能车，要求在指定的赛道上，从起点出发经过现场随机确定的至少五个十字路口或丁字路口，进入指定的停车位，结束后，发出声光提示。
要实现上述目的，就得研究如何使小车实现自动导航控制。
电源管理模块，控制核心模块，方向识别模块，电机驱动模块，舵机控制模块以及传感器的排布方案。
2．研究方案
根据所要实现的系统功能，我们制定了如下的设计方案：
在小车上安装2～3个小摄像头，通过摄像头拍摄小车行进过程中的车道信息和相关指示标志符号，通过实时图像采集和信号处理识别道路特征和标识特征，并将各种特征发送到总控制模块。
总控制模块读取道路特征信息和从车体的速度测试模块得到的速度等状态信息进行综合判断，从而判断出小车当前所处的状态和应采取的控制方案，从而通过电机和舵机控制模块进行小车速度、角度等指标的控制。
从而完成小车在直道、弯道、入库等过程的控制。
1.总控制管理模块
采用AT89S52单片机实现控制核心模块如图1所示
图1系统框架图
本系统的控制核心是单片机AT89S52。
它能实时地获得通过FPGA采集并处理得到的相关信息，经过识别和判断通过下达指令给舵机和直流电机实现小车的运动控制。
2.图像采集存储模块
采用CMOS摄像头，视频解码芯片SAA7113、FPGA、SRAM存储芯片等实现图像信息的实时采集和存储。
图2视频图像采集框图
FPGA将采集到的图像数据保存到缓存中，为后端对图像的进一步处理提供数据。
本系统采用两块SRAM作为图像缓存，并应用PING--PANG缓存控制方法对其进行操作。
3.图像信息处理及特征识别模块
在FPGA中通过Verilog编写程序实现对存储在SRAM中的图像进行实时处理和特征识别。
特征包括：
小车直行时的方向和边线的角度；行驶过程和边线的距离；转弯方向标志；转弯方向标志识别后距离路口的距离；转弯过程中内弯道的连续跟踪；入库标准的识别；入库时底线距离的监控。
通过串口模块将各种特征的识别结果数据发送到主控模块。
4.电源管理模块
系统各个部件都需要合适且比较稳定的电压，电源电压大小和能量要足，这样随着时间的延长压降不至于过大，保证了系统的稳定性。
图3系统电源稳压模块示意图
5.电机驱动模块
电机的机械特性直接关系到赛车系统的驱动性能，通过以下两个模块进行必要的分析。
.舵机控制模块
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出，如图4所示。
最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
图4输入信号脉冲宽度和舵机输出角度的关系图
.直流电机控制模块
图5电机开环机械特性曲线
这里重点分析一下负载变化对电机转速的影响，降压回馈制动以及电压反接制动性能。
如图5，电机稳定运行时的阻转矩为Ta，转速为n1，若突然阻转矩增加到Td，转速经回馈制动后稳定在n2。
若要赛车在不同负载下获得稳定的速度，开环调速系统是不能实现的，只能加上速度传感器来实现闭环调速。
降压减速，分析一下电压降为零这种极限情况，如曲线1所示。
当电压突然降到零时由于机械惯性，转速不能马上降为零，A点跳到B点，产生制动转矩Tb。
对一般电机而言，绕线电阻都不大，特性曲线的斜率就很小，那么制动转矩Tb大于稳定运行时的电磁转矩Ta。
电压反接制动，当电压反接制动不串入电阻限流时特性曲线如3所示。
当电机高速运行时，反接制动转矩几乎是减压制动转矩的2倍，同时电流也是降压制动时的两倍，要比额定电流大的多。
为了提供这样的大电流，两片33886并联实在是很有必要的。
6.车体机械结构
车辆机械方面的调整无疑是影响速度的一个关键因素，所以本队在车体结构设计、传感器模块安装、转向机构调整等方面进行了讨论。
车体结构设计应该从以下几个方面着手：
车身简捷、底盘稳定、控制灵活、行进快速。
图6车体机械结构示意图
为保证赛车的稳定性，在安装各模块时应保证安装的左右对称和前后轴载荷比适当。
3．技术路线及可行性分析
针对方案，我们提出解决问题的技术路线，并进行初步的可行性分析。
1.技术路线
图7小车行驶的模拟赛道图
备注：
1、2表示摄像头，3表示黑色标志物，4、5表示红色胶带线。
步骤1
如图7，小车开始行进，若摄像头1、2视场中红色边界夹角大小与人为给定的不同，则通过单片机的调整最终使小车沿直线行进（即此时视场中的红的边界的夹角与给定的夹角相同）；反之，则仍执行，方向保持不变；
步骤2
当小车的摄像头2视场中心处出现黑色标志物，经SAA7113将数字信号传给FPGA，在经过和单片机的信息交换，单片机命令直流电机减速行驶；当摄像头中出现红色边角特征时，小车转向摄像头出现标志物的一边；
若摄像头1中视场中心处出现黑色标志物，和上述步骤类似，小车向左转弯;
步骤3
转弯之后，如上步骤1，最终使小车直行；
步骤4
当摄像头1,2同时识别到黑色标志物时，如图8，单片机命令，停车入库结束，小车发出声光信号，同时，比赛结束。
图8小车入库停车示意图
2.可行性分析
.摄像头的安装及可行性分析
a.摄像头的安装
假设导航车宽15cm，长25cm；两摄像头的支架分别沿宽度方向延长5cm，距地面高度16cm。
对单个摄像头的夹角示意图如下：
12
β=138度
图9摄像头安装图
备注：
此处1,2分别表示摄像头镜面所在平面，且两个摄像头的安装是关于小车中心线对称的，摄像头的镜面和地面成45度夹角，和车横轴方向成β=138度夹角。
b.小车转弯前后，摄像头采集到的部分信息如图10。
图10转弯前后摄像头中出现的部分图像
备注：
图a小车直线行驶时，右边摄像头拍摄到的红线效果图
图b小车预判到黑色标志物，到达预定距离，开始减速，后保持匀速
图c看到此标志物小车开始转弯
图d小车转弯过程1
图e小车转变过程2
经过上面的单个摄像头的导航，整个转弯过程都能识别到红色宽带的角，说明这种拐弯是可行的。
当转弯结束后，小车直行，开始加速。
当遇到类似的情况，小车处理方式同上。
c.总结分析
通过对上面问题的分析、研究。
进一步证明了其可行。
.赛车最小转弯分析
图11赛车最小转弯半径分析图
任何汽车在转弯时都有转弯半径，图11为汽车转变示意图。
设R为汽车纵向的对称面到瞬时转向中心O的距离，L为两轴距，K为前轮主轴轴线的距离，β为外侧转向轮转角，则
R=L/sinβ
具体到本次大赛使用车模：
L=25.0cm，经过一定的改造，前轮的最大转角β=48度，由上式得：
最小转弯半径
R=33.6cm
汽车转弯时，前后轮都会产生侧偏角。
如果前后轮侧偏角相等，则汽车实际转弯半径等于方向盘转角对应的转弯半径，称为"中性转向"；如果前轮侧偏比后轮大，汽车实际转弯半径大于方向盘转角对应的转弯半径，称为"不足转向"；如果后轮侧偏比前轮大，汽车实际转弯半径小于方向盘转角对应的转弯半径，称为"过度转向"。
中性转向虽然能较好地利用侧向力（与车轮前进方向垂直的分量），达到最大的转向速度，但却无法预计汽车的制动甩尾。
而过度转向当车速达到某一极限时，转向半径会急剧减少，汽车会发生激转，致使赛车失控。
不足转向产生相对较大的转向半径，侧向力减弱，赛车具有自动恢复直线行驶的良好稳定性，操纵容易。
在这种情况下，制动甩尾的发生会使汽车回到原来直驶的路线，使赛车的可控性稳定性增加。
四．拟解决的关键问题
1.摄像头个数选择以及排布方案
怎样合理的选择摄像头的个数以及摄像头安装的高度、位置和角度，才能保证在转弯处盲点最少以及顺利采集到转角特征，并且使其垂直投影不压界
2.小车的转弯
如何利用摄像头采集到的信号使小车快速转弯。
3.小车的入库
由于停车库的长宽是小车长宽的1.5倍，怎样确保车在入库时不压边界，且能很好的停在中央。
4.车速的分配
怎样合理的分配车速，使小车在整个比赛过程中耗时最短。
尤其在拐弯和入库时，如何实现小车车速和舵机的转角合理配合，使小车顺利转弯和入库。
五．特色与创新点
1.利用图像传感器，实现全程导航，对比赛场地要求低，抗干扰能力强，减少意外情况的发生。
2.由于CMOS具有前瞻性，因此可能提高赛车速度，为比赛赢得宝贵时间。
3.巧妙利用场地红线，有效减少标识物数量，赛场布置简单，可操作性强。
6．时间进度安排
表1时间进度安排表
时间
队员1
队员2
队员3
5月10日—5月20日
购置所需材料
5月21日—5月30日
研究传感器功能的实现
设计电源管理电路
研究单片机与各模块的联系以及程序实现
5月31日—6月10日
CMOS、FPGA和SAA7113间信息传递
设计驱动电路
编写驱动程序并调试
6月11日—6月底
车库设计及路标位置的安放
对电机、舵机进行实验
编写程序，将采集到的信号转化为对电机的控制
7月1日—7月5日
对各模块的难点进行商讨并解决
7月6日—7月15日
车体结构设计及改造（各模块在车上合理安放）
7月16日—7月31日
在模拟赛道是对小车进行实验并进行对小车相应的调试、改进
8月1日———
对参赛过程中出现的问题进行总结
7．经费预算
经过本队研究，现将所需材料及其费用列举如下：
表2材料及其经费预算表
材料
数量/件
费用/元
车体
1
摄像头
2
单片机
1
FPGA
1
SAA7113
1
电路板
1
电机
1
舵机
1
充电电池
1
电子器件
若干
工具
若干
其它
若干
合计2000元左右
8．参赛队伍简介
参赛题目
基于光电导航的无人驾驶智能车
参赛学校
参赛队伍名称
指导老师
队长姓名
队员姓名
表3参赛队伍简介
九．其它说明
软件的部分设计思路，具体的流程图如下：
软件的设计包括了系统的初始化，数据的判读，串口通讯以及舵机的PWM模拟信号系统的初始化。
数据的判读是指COMS摄像头传回的赛道红线的夹角和标志物形状的识别，将数据传给单片机，单片机在对其加以处理，输出指令，让小车按照要求行驶。
串口通讯主要是系统用来下载程序和与FPGA进行数据交流。
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图12软件部份设计图
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