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1、1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：3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
2、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IAR Embedded Workbench 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.
3、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
4、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 .301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。
5、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
6、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
7、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
8、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 11 节全国大学生智能汽车邀请赛技术报告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(M
9、CU)、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，第二章系统总体设计 3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
10、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。第 11 节全国大学生智能汽车邀请赛技术报告图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第二章系统总体设计 5表3.1车模参
11、数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
12、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第 27 节全大学生智能汽车邀请赛技术报告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
13、。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。第三章机械结构设计与实现73.2.2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
14、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。第 27 节全大学生智能汽车邀请赛技术报告图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
15、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9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
16、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
