1、第八屆飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽技術報告第八屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽技術報告本文詳細介紹了我們隊為第八屇Freescale智能汽車大賽而準備的智能車 系統方案。該方案以Freescale 公司的MK60DN512VLL單片機作為系統的控制核心， 采用CMOS像頭采集賽道信息，根據采集到的數據分析行駛路徑以及對起跑線 進行檢測。采用PID算法對賽車的舵機和直流電機進行閉環控制，并根據跑道 的彎曲程度采用不同的控制策略。在機械結構方面，通過對賽車前輪定位參數 的優化，和對舵機輸出力臂的改造，進一步提高了賽車的性能。在賽車的調試 方面，通過采用無線藍牙模塊、SD卡、LED狀態指

2、示燈等，大大方便了算法調 試和加快了調試進度。經過實際測試，整個賽車系統能在規定的跑道上高速穩 定地行駛。在文中將介紹系統的整體方案，具體模塊的軟硬件設計，機械改造, 以及調試等內容。關鍵詞：智能車、尋線、起跑線、圖像采集、PID、路徑擬合AbstractIn this paper we will dem on strate the smart car system schemefor the Fifth n ati onal smart car con test.Based on microco ntrollers,MK60DN512VLL10, as control un it, thes

3、mart car system run in the specified road swiftly and steady. CMOS image-sensor, are applied to obtain lane image information .Thenbase on the information from the sensor, obtaining an optimizedby certain algorithm and the information of Start lane an dtrig onum. PID feedback algorithm is applied to

4、 con trol the an gle and speed. In the process of debugg ing ,we adopt the wireless serial port, the SD and the denoting LED, which made the program debugg ing easier and more effectual. I n ano ther hand.by optimizing the parameter of the machine of system, the smart car has an excelle nce perform

5、.In the later article, we will dem on strate the system scheme, the modules of system in hardware and software and the cha nge in machi nery of car.Keyword: Intelligent Car, Search Lane, Start Iane, Image,Sampling, PID, Lane Strategy目錄第一章引言 -2 -1.1大賽介紹 -2 -1.2系統設計框架介紹 -3 -第二章智能車機械結構調整與優化 -5 -2.1智能車參

6、數要求 -5 -2.2智能車整體參數調校 -6 -2.3舵機安裝 -6 -2.4編碼器安裝 -7 -2.5起跑線檢測傳感器安裝 -8 -2.6 智能車機械參數調節 -8 -2.7其他部分調整 錯誤！未定義書簽。第三章硬件電路設計說明 -13-3.1主控模塊 錯誤！未定義書簽。3.2圖像采集模塊 錯誤！未定義書簽。3.3電源模塊 錯誤！未定義書簽。3.4電機驅動模塊 錯誤！未定義書簽。3.5速度檢測模塊 錯誤！未定義書簽。3.6紅外對管起跑線檢測模塊 錯誤！未定義書簽。3.7陀螺儀加速度計模塊錯誤！ 未定義書簽。3.8 輔助調試模塊-錯誤！ 未定義書簽。3.9ALTIUMDESIGNE簡介.錯誤

7、！ 未定義書簽。第四章智能車控制軟件設計說明 -18-4.1巡線原理 錯誤！未定義書簽。4.2控制算法 錯誤！未定義書簽。4.3攝像頭安裝對軟件調試的影響錯誤！ 未定義書簽。4.4 軟件系統框圖.,.錯誤！ 未定義書簽。4.5.軟件系統設計及實現 錯誤！未定義書簽。4.6圖像處理 錯誤！未定義書簽。第五章系統調試 -27 -5.1軟件調試界面 錯誤！未定義書簽。5.2無線調試模塊 錯誤！未定義書簽。5. 狀態指示燈錯誤！ 未定義書簽。5.4手動設置裝置 錯誤！未定義書簽。5.5蜂鳴器聲音指示錯 誤！未定義書簽。第六章車輛主要參數 -29 -第七章總結 -30 -參考文獻 -30 -附錄：部分程

8、序源代碼 -32 -第一章引言1.1大賽介紹隨著科學技術的不斷發展進步，智能控制的應用越來越廣泛，幾乎滲透到 所有領域。智能車技術依托于智能控制，前景廣闊且發展迅速。目前，掌握著 汽車工業關鍵技術的發達國家已經開發了許多智能車的實驗平臺和商品化的車 輛輔助駕駛系統。有研究認為智能汽車作為一種全新的汽車概念和汽車產品， 在不久的將來會成為汽車生產和汽車市場的主流產品。面向大學生的智能汽車競賽最早始于韓國， 在國內，全國大學生 飛思卡爾 杯智能汽車競賽從2006年開始已經舉辦了八屆，得到了各級領導及各高校師生 的高度評價。大賽為智能車領域培養了大量后備人才，為大學生提供了一個充 分展示想象力和創造

9、力的舞臺，吸引著越來越多來自不同專業的大學生參與其 中。在準備比賽的過程中，我們小組成員涉獵控制、模式識別、傳感器技術、 汽車電子、電氣、計算機、機械等多個學科，幾個月來的經歷，培養了我們電 路設計、軟件編程、系統調試等方面的能力，鍛煉了我們知識融合、實踐動手 的能力，對今后的學習工作都有著重大的實際意義。全國大學生智能汽車競賽原則上由全國有自動化專業的高等學校（包括港、 澳地區的高校）參賽。競賽首先在各個分賽區進行報名、預賽，各分賽區的優 勝隊將參加全國總決賽。本次比賽分為光電、攝像頭和電磁三個賽題組，大賽根據道路檢測方案不 同分為電磁、光電平衡與攝像頭三個賽題組。使用四輪車模通過感應由賽道

10、中 心電線產生的交變磁場進行路經檢測的屬于電磁組；使用四輪車模通過采集賽 道圖像（一維、二維）或者連續掃描賽道反射點的方式進行進行路經檢測的屬 于攝像頭組；使用指定兩輪車模保持車體直立行走的車模屬于平衡組。本論文 主要介紹攝像頭組的智能車制作。本技術報告主要包括機械系統、硬件系統、軟件系統等，詳盡地闡述了我 們的設計方案，具體表現在硬件電路的創新設計以及控制算法的獨特想法。智 能車的制作過程包含著我們的辛勤努力，這份報告凝聚了我們智慧，是我們團 隊共同努力的成果。1.2系統設計框架介紹1.2.1路徑檢測總體方案透鏡成像組用攝像頭識別路徑，同時也可以結合紅外傳感器輔助攝像頭檢 測路徑，從而有兩種

11、方案：方案一：單獨采用攝像頭進行路徑檢測。攝像頭通過面成像，可以對車前方足夠的賽道信息進行采集，有利于賽車 行駛時對前方賽道進行有效的預測， 實現最優路徑的選擇。攝像頭采集圖像 的這個優點尤其在賽車高速行駛準備入彎時表現得突出，它可以精確判斷出 不同的彎道從而賽車可采用不同的行駛策略，這對于舵機反應的滯后性有很 大的改進。單獨采用攝像頭檢測路徑的缺點是攝像頭采集路面信息的頻率較 低，容易受到光線和賽道外物體的干擾， 尤其是對起跑線檢測時處理算法要 進行優化。方案二：采用攝像頭和紅外傳感器進行路徑檢測。紅外傳感器的電路和軟件設計簡單，使用紅外傳感器對路徑的檢測受光線的 干擾較少而且采集的信息可靠

12、，還可以獲得很高的檢測頻率，彌補了攝像頭 檢測頻率不高、易受干擾的缺點，在起跑線時可以得到比較可靠的信息。綜上所述，我們采用方案一攝像頭方案的選擇：1采用CCD攝像頭。CCD攝像頭優點是成像質量好，特別是動態效果比 CMOS攝像頭的效果要好很多。但是CCD攝像頭的功耗比CMOS攝像頭要 高，工作電流有100mA左右。2采用CMOS數字攝像頭。CMOS攝像頭功耗較低，工作電流只有10mA左 右。并且CMOS攝像頭出來直接是數字信號綜上所述，我們采用CMOS數字攝像頭。1.2.2速度控制總體方案 在保證賽車穩定性的前提下，提高速度是獲勝的關鍵，也是我們設計的重點。同時賽車的重量和重心的調整也是我們

13、設計時要考慮的問題。對賽車速度的控制主要有兩種方案。即：開環控制和閉環控制。方案一：開環控制 開環控制是指沒有反饋的控制。即通過預先設定的方案，沒有外部反饋地 進行操作。優點在于操作和控制比較簡單，只需要提供理論運行的過程然后 編程調整即可實現。缺點在于理論和實際始終有一定的誤差， 實踐證明開環 控制的精度不高，無法切實有效的提高速度。方案二：閉環控制閉環控制是指具有反饋的控制。在系統運行過程中，需要不斷檢測賽車速 度的狀態，與預期的狀態進行比較，當相差到一定程度時，修正誤差，精 度很高。但是缺點在于電路的搭建和程序的編制都比開環控制要復雜。實現電機的閉環控制傳感器主要是采用旋轉編碼器， 在電

14、機轉動一定角度的時候 形成脈沖，由外部器件捕獲這些脈沖，得出與實際運行的差異。開環速度控 制實現起來比較簡單，但速度會隨著電池電壓的變化而變化， 不能實現對速 度的精確控制。為了使小車能以不同的速度通過不同的彎道， 精確的速度控 制是關鍵。而且由于賽道上有斜坡，賽車安全通過斜坡的關鍵是控制上坡和 下坡的速度，所以對于采用速度閉環控制的賽車來說通過斜坡就像是通過普 通的直道一樣的簡單，不需要對斜坡進行專門的檢測。綜上所述，采用速度閉環控制方案。1.2.3轉向控制轉向模塊主要由舵機實現，舵機的響應速度和舵機臂長決定了轉向控制的 實時性。舵機的響應速度與驅動電壓和控制舵機的PWM波周期有聯系，通過查

15、閱相關資料得知，在電壓允許條件下，驅動電壓越高舵機的響應速度越 快。調試過程中我們發現直接使用電池電壓供電舵機也可以正常工作，我們把控制舵機的PWM波周期調整為16ms,把舵機臂長加長，舵機的響應速 度有了很大提高，實現了對賽車的快速轉向控制。1.3本章小結由以上的分析確定系統的總體方案：采用 CMOS攝像頭進行路徑檢測，舵 機實現小車的轉向控制，速度閉環控制方式對小車的速度實施精確控制。系 統的整體框圖如圖1.3-1所示：圖1.3-1系統的整體框圖本章通過論證和比較，確定了系統的整體方案。在以下章節中我們將 對這套方案進行詳細介紹。第二章智能車機械結構調整與優化2.1智能車參數要求攝像頭組車

16、模運行規則：車模反方向運行。車模使用B型車模。車模運行方向為：動力輪在前，轉向輪在后，攝像頭車模如圖2.1.1所示圖2.1.1車模示意圖1. 車模尺寸要求：攝像頭組車模改裝完畢后，車模尺寸不能超過：250mm寬和400mm長2. 傳感器數量要求：傳感器數量不超過16個：光電傳感器接受單元計為1個傳感器，發射 單元不計算；CCD傳感器計為1個傳感器；對于車模的車速和姿態進行檢測 的傳感器也計算在內。3. 伺服電機型號：S-D5數字伺服，伺服電機數量不超過 3個。4. 電機型號：RS-5405. 全部電容容量和不得超過 2000微法；電容最高充電電壓不得超過 25伏。2.2智能車整體參數調校智能車

17、的整體參數，包括車體重心、舵機電機放置位置、高度，傳感器排 布方式等，都對整個智能車系統的穩定運行起著至關重要的作用。因此，對智 能車機械系統的調節，有助于小車更快更穩定的運行。小車的布局以精簡、可靠、穩定為前提，通過對小車的布局，盡量保證小車 左右平衡，以及尋找一個合適的重心，保證小車既能夠可靠地抓牢地面，又能 夠對前輪舵機，后輪電機有較快的響應。2.3舵機安裝舵機安裝直接關系到是否能快速靈敏地轉向的問題。如果舵機調整不到位， 將很大程度上限制轉向角度和轉向響應速度。舵機安裝有兩種方式，一種是臥式安裝，另外一種為立式安裝。臥式安裝為車模默認安裝方式，但這樣安裝會使左右兩邊輪子連桿不等長, 根

18、據杠桿原理可知舵機對長連桿輪子用的力要大些，因此造成了舵機對左右兩 邊轉向響應時間不一樣。另外由于臥式安裝會使連桿與水平面呈現一定角度， 從力學知識可以知道在輪子轉向獲得的力只是舵機施加在連桿上力的一個水平 方向上的分力。立式安裝把舵機架高，增長了力臂，使得小車反應更加靈活，但增大了阻 力，力的作用減小。因此，根據舵機性能和實際情況確定高度，將舵機立式正 放，不僅提高了其響應速度，還增加了小車底盤空間，易于安放電路板，降低 小車重心。根據舵機形狀制作了一個小巧堅固的舵機支架，支架邊緣盡量少， 以減少整車的重量，避免影響賽車提速。然后將支架以合適的高度固定在底盤 上。如圖2.3.1所示。圖2.3

19、.1舵機安裝示意圖2.4編碼器安裝選用5V工作電壓的光電編碼器進行速度的測量。 速度傳感器用螺釘通過支 架固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩定性。然后調節編碼 器齒輪，使其與差速齒輪緊密咬合，增大測速的精確性，但是咬合過緊也增大 了摩擦，減小了對電機做功的利用率，影響小車的快速行駛，因此減小摩擦同 時增強齒輪間的咬合是我們主要考慮的因素。 編碼器安裝示意圖如圖2.4.1所示:圖241編碼器安裝示意圖2.5起跑線檢測傳感器及陀螺儀加速度計的安裝本小車采用的起跑線檢測傳感器為紅外對管。識別到賽道黑線，單片機的接 收電平由低轉換成高如圖2.5.1所示：圖2.5.1起跑線檢測模塊及陀螺儀

20、加速度計安裝示意圖2.6智能車機械參數調節為保證智能小車直線行駛穩定，轉向輕便靈活并盡可能的減少輪胎磨損， 需要對小車的四輪定位參數進行調整。四輪定位內容主要有：主銷后傾角，主 銷內傾角，前輪外傾角，前輪前束，外側車輪二十度時，內外轉向輪轉角差， 后輪外傾角，后輪前束。其中，前輪定位的參數對小車性能有著至關重要的影 響，這四個參數反映了前輪、主銷和前軸三者之間在車架上的位置關系。本文 將對這四個參數做詳細闡述。2.6.1主銷后傾角主銷：轉向輪圍繞主銷進行旋轉，前軸的軸荷通過主銷傳給轉向車輪 ，具備這兩點的就叫做主銷主銷后傾角：主銷的軸線相對于車輪的中心線向后傾斜的角度。前輪重心在主銷的軸線上由

21、于主銷向后傾斜使前輪的重心不在車輪與地面的接 觸點上，于是產生了離心力，主銷后傾而形成的離心力，可以保證汽車直線行 駛的穩定性還可以幫助車輪自動回正。主銷后傾角延長線離地面實際接觸越遠， 車速越高，離心力就越大。在高速行駛中保持汽車直線行駛的穩定性，適當的 加大主銷后傾角可以幫助轉向輪自動回正，可有效扼制轉向器的擺振，可使轉 向便輕，單獨適量調一側的主銷后傾角可修理行駛跑偏。主銷后傾角靠離心力 保證汽車直線行駛和車輪自動回正。高速行駛時跑偏可通過主銷后傾角調節。 但主銷后傾角過大會造成高速時轉向發飄。調整主銷后傾角為1°3°,可通過增減黃色墊片數量來改變。如圖 2.6.1所

22、示：圖主銷后傾角2.6.2主銷內傾角主銷內傾角：在小車前后方向上，主銷向內傾斜一個角度，主銷軸線與 垂線間的夾角稱為主銷內傾角。由于主銷軸線向內傾斜，所以使前軸荷更接近前輪中心線（前軸重心越接 近前輪中心線轉向越輕）麥弗遜式懸架分為零主銷偏移和負主銷偏移兩種。當 轉向輪在外力作用下發生偏轉時，由于主銷內傾的原因，車輪連同整個汽車的前部將被抬起一定高度；當外力消失后，車輪就會在重力作用下恢復到原來的 中間位置。故主銷內傾角可保證汽車直線行駛的穩定性，還可幫助車輪自動回 正，主銷內傾軸線延長線在沒超過前輪中心線的前提下，離前輪中心線越近， 轉向角越大，轉向輪抬起的越高，車輪的回正力矩

23、就越大。從而使轉向操縱輕 便，同時也減小了由于路面不平而從轉向輪輸出的力反饋。主銷內傾角靠前軸 軸荷保證汽車直線行駛和車輪自動回正。但主銷內傾角不宜過大，否則在轉向 時車輪主銷偏轉的過程中，輪胎與路面將產生較大的滑動，從而增加輪胎與路 面間的摩擦阻力，不僅會使轉向變得沉重，還將加速輪胎的磨損。通常調節主 銷內傾角不大于8度。如圖2.622所示：圖 262.2主銷內傾角2.6.3前輪外傾角前輪外傾角：在汽車的橫向平面內，前輪中心平面向外傾斜一個角度，稱 為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車輪接近垂直路面滾動而滑動減小轉向阻力，使 小車轉向輕便；另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增加了使用壽

24、命， 提高了安全性。一般前輪外傾角為1°左右，但對于有高速、急轉向要求的車輛, 前輪外傾角可減小甚至為負值。如圖 所示：圖263.1前輪外傾角2.6.4前輪前束前輪前束：俯視車輪，汽車的兩個前輪的旋轉平面并不完全平行，而是稍 微帶一些角度，這種現象稱為前輪前束。車輪前束的作用是減輕或消除因前輪 外傾角所造成的不良后果，二者相互協調，使前輪在汽車行駛中滾動而無滑動。圖 前輪前束2.7其他部分調整其他部分調整主要涉及到小車底盤高度、小車重心位置、后輪距、減震器、 齒輪咬合、差速器等。具體調整如下：1、底盤高度調整：底盤高度可以影響重心。適當降低底盤高度可以使小

25、車重心降低，有利于過彎穩定。實際調整可以通過調整前輪高度、后輪軸高度調節塊等方式來調節。2、重心位置：重心位置同樣影響小車性能。重心過前，增加轉向阻力，弓I起轉向遲滯。 另外，如果小車速度很快的情況下，上下坡道的時候會造成前輪首先著地，很 可能造成小車意外事故。重心過后，則會使小車前輪抓地不足，造成過彎非常 不穩定。我們將電池放在靠近舵機的位置，保持各部分重量均衡。3、后輪距調整：后輪距可以通過換裝后輪寬度調整塊來調整。合適的后輪寬度會是小車直 線性能和彎道性能更優，利于小車穩定。4、減震器彈簧強度調整：坡道時候，減震器影響顯得尤為突出。小車平面行駛時，無垂直方向速度， 遇到坡道時候，小車會瞬

26、間在垂直方向上出現一個速度，此時減震器在耦合小 車前部和小車后部時候會出現一個緩沖區，增加坡道穩定性。下坡時候則是垂 直方向上的速度瞬間減小為0,減震器的作用亦如上坡。實際調整中，我們通過 加裝彈簧調節塊來調整。5、齒輪咬合調整：調整齒輪咬合，以不松動，無卡滯，松緊合適為準。另外還要保證齒輪間 咬合有足夠的接觸面積。6、差速器調整：小車采用的差速器為滾珠式差速器。合適的差速器調整能夠提高小車入彎 速度，提高彎道性能。差速器調整可以通過右后輪輪軸上面的螺絲。注意調整 過松，會嚴重影響直道加速性能；調整過緊則會使差速器處于無效狀態。差速 器滾珠處可以適當添加潤滑劑，保證差速器平滑。7、攝像頭的固定

27、:攝像頭安于電池的前方，有利于重心分布和盲區與前瞻的匹配。8、電路板的安裝電路板是模型車上的核心部分，在安裝時，考慮到電路板的穩定性和模型 車的重心等問題，我們把電路板做的比較小，安裝在電池和攝像頭支架中間的 底板上。我們在底板上打2個螺孔，分別將電路板的2個固定孔固定在底板上, 保證電路板的牢固性，同時還可以壓低重心并使重心前移，提高模型車的過彎 性能和穩定性。第三章 硬件電路設計說明智能車共包括七大模塊：主控模塊、圖像采集模塊、電源模塊、電機 驅動模塊、速度檢測模塊、紅外對管起跑線檢測模塊、陀螺儀加速度計模塊 和輔助調試模塊。3.1主控模塊MK60DN512VLL1主控模塊：智能車系統以

28、MK60DN512VLL1為控制核 心，將采集CMO數字攝像頭、光電編碼器等傳感器的信號，根據控制算法 做出控制決策，驅動直流電機和伺服電機完成對智能汽車的控制并實現了單 片機硬件的最優化設計和單片機資源的合理化使用。3.2圖像采集模塊模塊攝像頭簡介攝像頭分黑白和彩色兩種，為達到尋線目的，只需提取畫面的灰度信息， 而不必提取其彩色信息，所以我們所使用的CMOSS像頭輸出的信號為黑白視頻信號。我們所選用的攝像頭芯片為 OV7620 1/3英寸數字式CMOSS像 傳感器OV7620總有效像素單元為664（水平方向）X 492（垂直方向）像素；內 置10位雙通道A/D轉換器,輸出8位圖像數據；具有自

29、動增益和自動白平衡控制,能進行亮度、對比度、飽和度、丫校正等多種調節功能；其視頻時序 產生電路可產生行同步、場同步、混合視頻同步等多種同步信號和像素時鐘 等多種時序信號；5V電源供電,工作時功耗120mW寺機時功耗10卩W可應 用于數碼相機、電腦攝像頭、可視電話、第三代網絡攝像機、手機、智能型 安全系統、汽車倒車雷達、玩具，以及工業、醫療等多種用途。OV7620是1/3 ”CMOS彩色/黑白圖像傳感器。它支持連續和隔行兩種掃描方式，VGA與 QVGA兩種圖像格式；最高像素為 664X 492，幀速率為30fps ;數據格式包 括YUV YCrCb RGB三種，能夠滿足一般圖像采集系統的要求。由

30、于我們采用的是數字攝像頭，相對于CCD來說電路相對簡單，而且市場上買的攝像頭大多是個人制作，穩定性不好，質量參差不齊，接口不一 致，所以我們自己設計攝像頭。如圖3.2.1:圖 電源模塊：為系統提供穩定的電源智能車系統采用配發的標準的車模用的7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池進行供電，但各個模塊所需要的電壓不同，因此需要進行電壓調節。電源系統 的好壞直接關系到整個系統的穩定性。3.3.1穩壓芯片選擇穩壓芯片主要有線性穩壓芯片和開關穩壓芯片兩種。電機和舵機的突然 啟停會使電池電壓驟變，一般會把電源電壓拉低 1V多，會對系統電源造成 干擾。所以系統的電源必須有一定的抗干擾能力

31、。 鑒于開關電源紋波比較大，而線性穩壓電源紋波很小，我們選擇了使用線性電源3.3.2舵機供電本次比賽提供的舵機是S-D5,其供電電壓為4.5V-5.5V。為此我們用線性穩 壓芯片Tps7350給舵機供電，舵機供電電路圖如圖 4.7.1 :GKD/REWETXEWSENSEINOUTINOUTTPS73XXTP陰WGNDC13LGtiF圖 .3單片機供電我們選擇Tps7333線性穩壓芯片。Tps7333為單片線性穩壓芯片，輸出 電壓3.3V,最大輸出電流1A,且具有很小的壓差功能，模型車突然加減速時 不會發生復位，可以滿足系統的供電要求。具體電路如圖 GNDHESE

32、TINOUTINOUTTW35D酉3 3V罕s圖 3.3.4圖像采集模塊、液晶和陀螺儀加速度計供電采用3.3V小封裝線性穩壓芯片LM1117-3.3對其供電，方便電路板的布局與走線，如圖3JN OUT GND"CIO IOuF7.2VJ9GKD卜GND圖 3.3413.3.5速度檢測模塊和起跑線檢測模塊供電采用線性穩壓芯片Tps7350對其供電，經實踐驗證，該穩壓芯片完全符合要求。如圖7.2VTITiS735O1GND .KESET EN SENSE njat it4UHVU1INOUT-.-C1SI 104U10GNDGNDC1910uF圖

33、 3.4電機驅動模塊：驅動直流電機和伺服電機完成智能汽車的加減速控制和轉向控制我們選用了驅動芯片BTS7970B，其為高強度電流的半橋電機驅動芯片。 我們利用兩片BTS7970B構成一個完整的全橋驅動，可以很好實現電機的正 轉、反轉、剎車制動。電路如圖：7.2VR11<：X3.5速度檢測模塊：檢測反饋智能汽車輪的轉速，用于速度的閉環控制1）使用光電對管配合光碼盤參照鼠標的原理，在后軸上安裝一個光碼盤，轉動時碼盤的齒會遮擋 紅外線，使紅外管輸出一系列的脈沖。2）使用霍爾傳感器配合稀土磁鋼在齒輪上裝上幾棵稀土磁鋼，將霍爾元件安裝在附近，將輪子轉動時 磁場的變化轉化為電脈沖，從而

34、獲取輪子的轉速。3）使用旋轉編碼器。市售的旋轉編碼器，每轉動一圈可以輸出幾百個脈沖，通過檢測脈沖 數就可以計算出車速。第一種方案安裝比較方便，轉動一周能輸出幾十個脈沖。但是在速度 較快時，其精度會逐漸降低，對車速不能進行精確的控制。第二種方案安裝 比較復雜，而且轉動一圈只能輸出很少的脈沖，調速時不夠精確。第三種方 案安裝比較方便，輸出的是標準的方波，應用時精度非常高，而且幾乎不需 要輔助電路便可完成速度檢測。所以我們選擇第三種方案。3.6紅外對管起跑線檢測模塊：檢測起跑線在智能車高速運行的過程中，如果用攝像頭檢測起跑線，很容易出現因 為速度過快而檢測不到起跑線的問題，為了解決這個問題我們采用紅

35、外對管 檢測，實踐表明，在直道上以滿占空比運行的小車依然能準確的檢測出起跑 線。電路如圖46.1圖4613.7陀螺儀加速度計模塊為了能準確的檢測出路障，我們采用陀螺儀和加速度計進行硬件卡爾曼濾波，單片機讀取對應的電壓進行路障的判斷，如圖4.7.1 :硬件卡爾曼3.8輔助調試模塊：主要用于智能汽車系統的功能調試、賽車狀態監控我們采用液晶OLED128*64和按鍵以及藍牙和SD卡進行輔助調試，為 方便調試提供了好的平臺。3.9 Altium Desig ner 6簡介Altium Desig ner 是業界首例將設計流程、集成化 PCB設計、可編程 器件（如FPGA設計和基于處理器設計的嵌入式軟件

36、開發功能整合在一起 的產品。Altium Desig ner 6.9極大地增強了對高密板設計的支持，可用于高速數字信號設計，提供大量新功能和改進，改善了對復雜多層板卡的管理和 導航，可將器 件放置在PCB板的正反兩面，處理高密度封裝技術，如高密 度引腳數量的球型 網格陣列（BGAs）。Altium Designer 6.9極大減少了帶 有大量管腳的器件封裝在高密度板卡上設計的時間，簡化了復雜板卡的設計導航功能。本章小結硬件電路對整個系統的穩定性有著至關重要的作用。而電源電路則是重中 之重。因此在電源電路設計過程中，選用多種穩壓芯片來保證電源的穩定性。 單片機最小系統是智能車的核心，設計時充分考

37、慮了抗干擾、防靜電和運行的 穩定性。第四章 智能車控制軟件設計說明4.1巡線原理通過采集賽道二維圖像，經過圖像處理，計算出偏差控制智能車巡線4.2控制算法智能車的控制包括電機和舵機的控制。具體的控制算法有PID控制、ban g-ba ng算法控制和模糊控制。4.2.1 PID 控制9PID控制是工業過程控制中歷史最悠久，生命力最強的控制方式。這主要 是因為這種控制方式具有直觀、實現簡單和魯棒性能好等一系列的優點。PID控 制主要有三部分組成，比例、積分、微分。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關 系。偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向

38、變 化，控制作用的強弱取決于 KP。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差(Steady-state erro)。為了消除穩態誤差，引入積分控制。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。為了預測預測誤差變化的趨勢，引入微分的控制器，這樣就能夠提前使抑 制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。PID控制框圖如下圖所示曲)+對應的誤差傳遞函數為：U( s) /E(s)=Kp(1+1/Ti+Td)式中，Kp為比例增益；Ti為積分時間常數；Td為微分時間

39、 常數；U(s)為控制量；E(s)為被控量與設定值R(s)的偏差。(式一)時域表達式為在單片機中，我們僅能對數字信號處理，即數字PID控制。將上式離散化，得；：刖=住一二(式二)A.位置式PID算法直接利用上述離散化公式計算，框圖如右圖所示。由于積分項( Pi)是將所有采集值偏差相加，在一段時間后會很浪費單片機資源。對其稍加改進，得到增量型PID算法。“ tu(t) = K |e(t)十 1 ”e(t)dt+T de(t)T °dtB.增量式PID算法-i根據式二得第k-1個采樣周期的控制量為=Kp e(k-1) + 扇 t(f)+爐2)(式三)式二減式三得計算 ek 二 R - y

40、k計算 PPk =Kp*ekk血(k)二 Kpe(k) - ek -1) + Kt * e(k)二 Kde(fc) - 2e(k 一 1) + 計算(k)豐*口嚴仁(式四)由此，第k個采樣時刻實際控制量為-為方便書寫，寫為其中,?o=fp(l+)-'(式五)fc=-rXi+)Td q尸k卩由上可知，利用三個歷史數據，遞推使用，即可完成 PID控制量?？驁D如右圖所示：422模糊控制般控制系統包含了五個主要部分，即：定義變量、模糊化、知識庫、邏輯判斷及反模糊化，底下將就每一部分做簡單的說明:(1) 定義變量：也就是決定程序被觀察的狀況及考慮控制的動作，例如在一 般控制問題上，輸入變量有輸出

41、誤差E與輸出誤差之變化率CE而控制變量則為下一個狀態之輸入U。其中E、CE、U統稱為模糊變量。 模糊化(fuzzify ):將輸入值以適當的比例轉換到論域的數值，利用 口語化變量來描述測量物理量的過程，依適合的語言值(lin guisitc value )求該值相對之隸屬度，此口語化變量我們稱之為模糊子集 合(fuzzy subsets )。知識庫：包括數據庫(data base )與規則庫(rule base )兩部分，其 中數據庫是提供處理模糊數據之相關定義；而規則庫則藉由一群語言控制規則描述控制目標和策略。(4) 邏輯判斷：模仿人類下判斷時的模糊概念，運用模糊邏輯和模糊推論法進行推論，而

42、得到模糊控制訊號。此部分是模糊控制器的精髓所在。(5) 解模糊化(defuzzify ):將推論所得到的模糊值轉換為明確的控制訊 號，做為系統的輸入值。模糊算法可以解決一些非線性問題，將賽道分為直線、入大小彎、出大小彎、 蛇形彎道，對應的直線加速、入大彎減速轉方向、入小彎制動轉方向、出彎加 速、蛇形彎道直接通過（若可以達到這種前瞻性）。要達到這種控制要通過實際 檢測，分析大量賽道圖片信息，找出它們的特征。423總結雖然模糊控制可以較好解決一些非線性問題，但控制復雜，實際調試中較PID控制無明顯優勢，所以我們采用PID控制。舵機為位置式PD,雖然存在穩態 誤差，但可以快速響應；電機控制為增量式

43、PID，由于給定速度頻繁變化，采用 微分先行PID，使電機能夠快速響應。4.3攝像頭安裝對軟件調試的影響圖中梯形區域ABCD為道路檢測范圍。為了克服模型車執行結構的慣性和時間 延遲的影響，前方道路檢測范圍越大，對提高模型車速度越有利。直線AB是道路檢測最前端，它距離模型車前端的距離 EH為道路檢測前瞻距離。它的長 度AB是道路檢測最大范圍，在 GH之間是道路檢測盲區。調整攝像頭的安裝 位置與方向，能夠增加檢測前瞻距離，檢測范圍并減少檢測盲區，可以提高模 型車的運行速度和穩定性。但是檢測范圍與檢測精度是一對矛盾，檢測的前瞻 距離與檢測盲區也是一對矛盾。因此需權衡利弊，以達到簡化代碼并獲取必要 信

44、息。4.4軟件系統框圖整個軟件系統要實現的功能就是根據采集到的跑道數據和速度數據對賽車 的舵機跟電機作出一系列的控制，使賽車沿著跑道高速行駛。按功能劃分整個 軟件系統可以分為圖像采集模塊、圖像處理模塊、轉向控制模塊、速度采集控 制模塊、速度控制模塊這五大模塊。各模塊之間的關系如下框圖所示:按照比賽規則要求，采用飛思卡爾 32位微控制器MK60DN512ZVLL10作為唯 一核心控制芯片。Kinetis系列微控制器是飛思卡爾公司于 2010年下半年推出的基于 ARM Cortex-M4內核的微控制器，是業內首款 Cortex-M4內核芯片。Kinetis系列微 控制器采用了飛思卡爾90納米薄膜存

45、儲器（TFS）閃存技術和Flex存儲器功能（可配 置的內嵌EEPROM），支持超過1000萬次的擦寫。Kinetis 微控制器系列融合了最 新的低功耗革新技術，具有高性能、高精度的混合信號能力，寬廣的互連性，人機 接口和安全外設。4.5.1 時鐘模塊K60芯片的時鐘系統由振蕩器（OSC）、實時振蕩器（RTC OSC ）、多功能 時鐘發生器（MCG）、系統集成模塊（SIM）和電源管理器（PMC ）等模塊組成， 其中，OSC和RTC OSC模塊通過外接的晶體振蕩器為系統引入外部參考時鐘信號， MCG模塊為系統中的各個模塊分配時鐘源，SIM模塊為系統中的各個模塊選擇時鐘源，PMC模塊可輸出1KHZ的

46、參考時鐘信號。時鐘系統框圖如下所示：TCMTAL3* i><盅KCOOAfka ocdiOo£iq；"UfW tor即MOPUfUwuvuxurTWwiZ3綜合考慮可靠性，舵機、電機頻率要求和dma速度要求后，我們決定配置內 核時鐘為96M，總線時鐘為48M，FLASH時鐘24M。4.5.2 DMA 模塊K60內含增強型DMA模塊（eDMA ），支持軟硬件觸發傳輸，支持可編程的源地址、 目的地址、傳輸字節數等特性。我們選擇使用dma進行攝像頭的數據采集，配置由PCLK上升沿觸發dma讀取對應io口，相比于采用fifo的方案，可以大大提高時效性， 同時也沒有直接讀

47、io口的噪點問題。4.5.3 FTM 模塊FTM模塊是一個多功能定時器模塊，主要功能有，PWM輸出、輸入捕捉、輸出比較、定時中斷、脈沖加減計數、脈沖周期脈寬測量。在K60中，共有FTM0，FTM1， FTM2三個獨立的FTM模塊。其中FTM0有8個通道，可用于電機或舵機的 PWM 輸出。4.5.4中斷系統Kinetis中斷優先級共分16級，所有GPIO 口均可觸發中斷，這給硬件布線和軟件編 程提供了巨大的方便。我們選擇使用PTC12，PTC13兩個引腳分別接入攝像頭的行 中斷信號和場中斷信號，用以確定要采集的圖像數據時序。4.5.5 UART 模塊使用UART模塊連接藍牙串口用以輔助調試。4.

48、5.6 SPI 模塊使用SPI接口外接sd卡用來存儲圖像。Kinetis內置SDHC模塊，但是考慮到使用SPI 接口訪問sd卡的資料較多，調試簡單，我們依然選擇使用SPI接口。軟件整體流程如下圖所示：未労盛賽車調試上述算法參數的獲取必須通過實際的測量，我們用藍牙和SD卡采集動態賽道信息。通過MATLAB仿真分析圖像變化，對圖像進行處理得到偏差， 從而進行有效控制。4.6圖像處理461黑白閾值提取采用概率統計法獲取黑白色差值，分別找到黑白值峰值，做差以適應不同 環境下的閾值變化，提高適應性。獲取數據分布如下：462圖像濾波獲取黑線后，由于反光，干擾點等影響，一般很難得到連續的路徑曲線，故需要進行

49、濾波處理?？刹捎弥兄禐V波或鄰域平均法進行濾波。 對實際黑斑采 用不同濾波方法進行濾波處理。經處理可明顯改善圖像質量。第五章系統調試5.1 軟件調試界面：IAR Embedded Workbench_ w y 0Wri51-ZRHRM F-:： fk fFiiSL-VIZKAQM .-aCjixnrm*=ffl dpu-g 口帕訃 H5L3phatiHe ©pa&_ccpiifiic1Ciphofch卜£硏護Z_pr囲砒TC|-l£ 0 piEMB出比dta tci. c -E El-siivn.oarlmlcnfDJdhrlllXA4刖 PQplQa

50、9;川ra01 -U -乜匕口 -E ¥1- £卜| 書-_-5卜aJc-j rrtvrrrn也 4由 丸扛!弊 JrSTtii S_FE.ES &3±%2_乂 . rritiGdi ; j f a J 札 rrwsrrsjnti « 由 71扛1弊 X：-| ：XJ = l-3_i! ： ails J.C . www4_ j-cdijfaJ rr-rr±_»Ti« r-ciiavdluJe-i 2_n：liG 正：二覚 Le44h.l2_ktieie£_h；lCE |wLaL«flrrEBimk

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52、#39;. ifewl;Sjhtltc i5daDtfl：i!：l sniM 芒三EiXcth寸wuetfezBlt7wet:,> s so* rI_nIE6 |«4«£jHE'lZrr afi±h .klCDpEniLEny. iduDr j-fcll-.hl "nTrrjnLafci, tatfl; fwntr iidvtifi-Tr打弘:plw>!:i3iwpi?e i r*_yme iiiarraifiLt, sndi .fe!；KPsjftrt4KM,_ su-wf i&ifih &iXF?Jjft

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55、 nch具有強大 的在線調試功能，可以充分滿足智能車軟件系統開發的需要。5.2無線調試模塊在智能車的制作和調試過程中，需要將小車檢測到的路面信息以及速度等 參數實時地發給PC，以便對算法進行有針對性的分析。由于小車在行駛時不能 通過有線的方式獲得其運行參數，我們使用了無線模塊。無線模塊介紹：GC-05藍牙模塊，通訊距離達到100米。支持串口（ UART與USB口透明數據傳輸， 適用于串口設備與計算機之間的數據傳輸。使用此模塊S12單片機可以方便地和PC通過RS232協議通信。5.3狀態指示燈出于系統調試方便和便于觀察賽車運行狀態的考慮，我們在賽車上加裝了 4個LED作為賽車的狀態指示燈，大大的

56、提高了調試的效率。5.4手動設置裝置由于賽前我們有一定的調試時間，因此可以針對賽道的具體情況，通過按 鍵液晶顯示對一些可變參數進行設定，這可以使得小車的適應能力更強。同 時這在平常的調試中，也大大方便了我們對參數的重新設置。按鍵液晶顯示 部分的電路很簡單。5.5蜂鳴器聲音指示當賽車快速行駛時，檢測到預設的事件發生（如發現起跑線，直道減速等） 時，蜂鳴器立即發出聲音提示，在調試過程中非常實用。第六章車輛主要參數賽車基本參數長：30cm寬：19cm高：32cm車重1260g功耗空載：8W帶載：大于10W電容總容量1700uF傳感器編碼器CMOS數字攝像頭紅外對管4個陀螺儀ENC-03 1個加速度計MMA73611個除了車模原有的驅動電機、舵機之外伺服電0機個數賽道信息檢測視野范圍（近瞻/遠瞻）40cm/150cm精度（近/遠）2/10cm頻率60Hz第七章總結7.1總結經過長達半年時間的準備，我們夢想號終于完成了設計計劃中所需完成的任務 從車模的安裝，