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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： 兰州交通大学队伍名称：神 舟参赛队员：辛 亮郁武龙戴文睿万嘉利带队教师：陈永刚 张金敏III摘要本文介绍了神舟队队员们在准备第十一届“恩智浦”杯智能汽车竞赛过程中的设计工作。智能车硬件平台采用飞思卡尔K60DN512微控制器作为系统核心处理器；软件平台采用IAR进行软件开发，车模采用大赛组委会统一规定的A型车模；主要的控制对象为转向舵机和驱动电机。 本文详细介绍了智能车控制系统的硬件结构及软件设计。硬件设计包括机械结构设计和硬件电路设计。设计工作主要对车模的机械结构进行调整，侧重摄像头定位和舵机安装，以及对单片机控制电路进行设计。
2、软件设计主要通过对摄像头采集的图像信号进行处理，采用最佳路径识别算法对控制策略进行优化，从而提高智能车的行驶速度和稳定性。车模以 K60DN512Z 单片机为控制核心,采用超声波测量两车的距离，通信采用 NRF24L01 进行信息交换，用数字摄像头采集赛道信息，使用串口通信技术进行上下位机通信, 通过底层调试和上层仿真，最终确定各项控制参数。关键字关键字：图像识别，PID 控制，超声波测距，双车通信III目录目录摘要第一章 引言11.1 赛事介绍.11.2 智能汽车制作情况概述.1第二章 智能汽车系统整体方案设计22.1 设计要求.22.2 智能车系统总体设计.22.3 智能车硬件总体设计.6
3、第三章 智能车机械调整与优化73.1 赛车基本参数.73.1.1 摄像头的安装.73.1.2 PCB 的安装与固定73.1.3 编码器的安装与固定.73.1.4 超声波的安装与固定.73.1.5 舵机的安装与固定.73.2 小车前轮定位调整73.2.1 主销后倾角.73.2.2 主销内倾角.73.2.3 前轮前束.7第四章 智能车硬件电路设计74.1 硬件电路总体概述74.2 电路板设计8IV4.2.1 稳压电路设计.84.2.2 舵机驱动电路.84.2.3 电机驱动及其隔离电路84.2.4 辅助调试模块设计.10第五章 图像处理和路况判断设计.115.1 对原始图像进行二值化115.2 赛道
4、搜线算法125.4 路况判断算法设计125.5 舵机控制算法设计125.6 电机控制算法设计12第六章 双车通信及协调.146.1 双车通信算法设计146.2 双车协调跟随146.3 双车协调超车. 14第七章 总结.147.1 模型车整体制作情况及技术参数.147.2 存在的问题及解决方案. .167.2 心得体会. .16参考文献17附录：核心算法子程序181第一章 引言1.1 赛事介绍全国大学生智能汽车竞赛由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办，以恩智浦公司为协办方，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣
5、和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。到目前为止，该竞赛已发展成全国 30 个省市自治区近 300 所高校广泛参与的全国性竞赛。2008 年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一。该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、
6、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。此届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立了基础组，提高组，创意组等多个赛题组别，基础组包括摄像头组、电磁组、电轨组、光电组，提高组包括信标组、双车追逐组,创意组为创意节能组，每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍，充分调动各方面参与的积极性。1.2 智能汽车制作情况概述受教育部高等教育司委托(教
7、高司函2005201 号文)，高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的“恩智浦”杯全国大学生智能汽车邀请赛是在恩智浦公司资助下以 MK60DN512Z 单片机为主控微控制器芯片的模型车体的基础上第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2进行设计，制作出具有自主道路识别能力的智能汽车，是教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。该赛事下设秘书处，挂靠在清华大学，竞赛是以“立足培养，重在参与，追求卓越”为指导思想，以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技性竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，旨在促进高等学校素质教育发展，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，
8、激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。全国大学生智能汽车竞赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计四大专业竞赛不同，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。智能汽车以比赛组委会提供的飞思卡尔 32 位微控制 MK60DN512Z 为控制器，采用摄像头传感器进行赛道路径检测，控制小车的运动方向。电机驱动选用BTN7971 全桥电路，同时使用 MK60DN512Z 单片机的 PWM 模块，结合速度编码器，运用 PID 控制算法，控制电机的转速，采用超
9、声波测距，完成对智能汽车运动速度和运动方向的闭环控制。系统还扩展了液晶模块和作为人机操作界面，实时显示赛道图像，以便于智能小车的相关参数调整。在这份报告中，我们主要通过对整体方案、机械机构、硬件、算法等方面的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。3第二章 智能汽车系统整体方案设计2.1 设计要求本次的第十一届全国大学生智能汽车的比赛中，要求参赛队伍设计的两辆智能汽车具有自动循迹的功能，通过摄像头识别赛道两边的黑线，图像处理后得到偏差，从而引导车辆行驶。赛题中还设计到双车的通讯，以及距离的协调和超车的处理，智能车系统的方案
10、设计要求就是智能车将采集的信号作出正确合理的处理，而此次行驶的车辆要求为两台，在速度尽量快的基础上，把握好双车之间的控距，要求两辆车之间不能有长时间的机械接触。因此，能沿着边沿黑线信号自动行驶是前提，想要取得较好的成绩还得尽量提高小车的稳定性和距离的保持，减少两辆车之间的间隔。2.2 智能车系统总体设计智能车系统主要包括以下模块：K60 最小系统、转向舵机模块、电机驱动模块、编码器测速模块、传感器采集模块、通信模块、测距模块，仿真及调试平台图 2.2.1 系统总体设计MCU舵机摄像头超声波电机NRF24L01编码器拨码开关，液晶显 示屏，遥控，三色 指示灯转向动力测速传感器通信测距人机交互 K
11、60DN512Z第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4在此智能车系统中，单片机是整个系统的核心，它相当于一个高速运转的大脑，控制各个模块工作，摄像头好比人的眼睛，实时采集道路信息，电机和舵机为整个车子提供了动力和转向力，我们采用鸳鸯超声波测量两辆车的距离，以获取它们的相对位置，在超车时需要两辆车通信，所以我们采用了 NRF24L01半双工通信，调试的时候用到了很多人机交互模块，例：拨码开关，液晶显示屏，遥控器，状态指示三色灯等。2.3 智能车硬件总体设计硬件系统的合理设计是智能车能够流畅运行的关键，智能车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，一个好的机械结构对智能车的最终行驶状态至关重
12、要，只有有了良好的机械性能才能保证智能汽车的稳定性，适应性和快速性。因此在设计整个软件架构和控制策略之前一定要对整个模型车的机械结构有一个良好清晰的认识，在保证车身尽可能轻的同时要兼顾车身重心，一个好的车身结构可以保证车子在行驶过程中，尤其越过坡道时车身的机械振动很小，尽可能在行驶过程中不发出任何机械振动的声音，保证小车中硬件电路的稳定性，在硬件设计的章节中我们将着重指出该如何设计出一辆稳定性好，适应性强，最终实现高速行驶的智能汽车。智能车的整体参数，包括车体重心、舵机电机放置位置、高度，传感器位置等，都对整个智能车系统的稳定运行起着至关重要的作用。因此，对智能车机械系统的调节，有助于小车更快
13、更稳定的运行。车模整体布局如下图所示图 2.3.1 车模整体图5第三章 智能车机械调整与优化为了让小车跑得更快，更稳定，我们对车模的重心、差速、连接以及前轮角度等主要影响车模行驶状态的方面做了调整。3.1 智能车参数1.车模：此次大赛双车追逐组所用车模没有固定的限制，刚开始我们采用博思威龙提供的 B 型车模，它的特点是电机大，动力强，摩擦力强，但在多次尝试中我们发现，它较 A,C 车模略显笨拙，在双车系统这样频繁超车，加减速中不太适合，所以省赛过后，我们换成了 A 车模，实验证明速度和稳定性确实有显著提升。2.摄像头：我们使用了逐飞科技开发的总转风摄像头 MT9V032，该摄像头具有失真小和全
14、局快门的特点，即使车速较快时，也能保持采集到的图像的真实性，减少畸变，方便了我们对于图像的处理。3.超声波：我们选择了分离式的鸳鸯超声波，是考虑到我们的通信模块的局限性，每辆车安装一对发送，接收模块，让后车一直能够得到车距，并告诉前车。4.电池：使用 A 车原装电池5.舵机：使用 A 车原装舵机 S30106.电机：使用 A 车原装电机3.1.1 摄像头的安装信号采集传感器我们采用的是摄像头。摄像头的安装和光电管和电磁器件安装稍微不同，摄像头安装主要考虑四个方面，一是图像的失真要小，而是整车重心要低，三是前瞻要比较大，四是智能车运动时传感器足够稳定不至于晃动。在摄像头支架杆上的选择也有两种，前
15、一种是碳素杆非常轻，但很容易破碎，后一种采用轻质铝材，牢固耐用，但比起碳素杆还是重了许多。对比两种材质的支撑杆，结合本届车模的具体情况，整车重心应尽量低，避免翻车。这第十一届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6就要求架设摄像头的模块在满足硬度要求的前提下应尽量轻。最后决定采用碳素杆材料，从而减轻车模重量。要获得稳定可靠的信息，摄像头的固定必须相当牢固。在摄像头固定方面，其可以上下左右进行调节，在调节好视角之后，为了使其更加牢固采用了热熔胶进行二次定型。在实际调试中，先后采用了很多种固定方式，最后采用购买的现成的塑料制作的支架，这样的模块既质轻又可以很方便的左右上下移动，确定好前瞻和角度后，用热熔
16、胶粘牢，可得到比较好的固定效果。安装效果如图所示：图 3.1.1 摄像头安装图3.1.2 PCB 的安装与固定通过将主板和驱动板单独制作安装，使得主板更稳定，整个车的布局也比较合理，我们把主板安放在前面，电机驱动放在后面，降低了电机磁场对主板上敏感信号的干扰，使得整车的重心尽量在车模的中间，如图所示：图 3.1.2 PCB 安装图第三章 智能车机械调整与优化73.1.3 编码器的安装与固定测速装置在智能车系统中占有非常重要的地位，知道了小车的速度，我们才能利用赛道元素更好的控制它，其要求是分辨能力强、精度高和检测时间短。从精度要求来看，光电编码器最为合适，且集成性好，抗干扰能力强。最终采用光电编码器作为系统的测速模块。最后我们采用了欧姆龙 500 线编码器，其安装效果图如下：图 3.1.3 编码器安装图3.1.4 超声波的安装与固定在两辆车协同工作时，我们还需要知道它们的相对位置，所以超声波测距模块在整个系统中也不可或缺，在安装超声波中，我们考虑到车的重心，和检测距离的准确性，对安装位置做了详细的规划，下图为鸳鸯超声波安装效果图：图 3.1.4 超声波安装图第十一届全国大学
