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1、1第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技技术术报报告告学 校：江苏科技大学队伍名称： 沙尘暴参赛队员：沈 洁艾人茜王慧斌带队教师：刘庆华张绛丽II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九 届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关 于保留、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，比赛组委会和飞思卡尔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：沈 洁艾人茜王慧斌带队教师签名：刘庆华张绛丽日 期：2014.08.14III摘 要本文设计的智能车系统以K
2、L26ARM Cortex-M0+微控制器为核心控制单元，在IAR7.1开发环境中进行软件开发，通过野火鹰眼硬件二值化摄像头获取赛道信息；通过欧姆龙编码器检测模型车的实时速度进行速度控制；主要使用卡尔曼滤波实现角度合成，PID、模糊PID算法实现对车模直立、转向以及速度控制。为了提高模型车的速度和稳定性，使用VisualScope、红树伟业调试助手等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案确实可行。IV关关键键字字：KL26ARM Cortex-M0+，OV7725，卡尔曼滤波，模糊PID1AbstractIn this paper we will design a s
3、mart car system based on KL26ARM Cortex-M0+as the micro-controller unit. We useOV7725 image sensorwhich is a hardware binary camera and which can outputdirectly binary image, to obtain lane image information. The OMRON encoder is used to measure the cars moving speed; We usekalmanfilter(EKF)algorith
4、m to realize angle synthesis andPID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor, to achieve the closed-loop control for the speed and direction. In order to increase the speed and the reliability of the car, a great number of the hardware
5、and software tests are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are compared by using the VisualScopesimulation platform, debugging assistant produced by HongShuweiye .The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible.Keywords:KL26ARM Cor
6、tex-M0+，OV7725，kalmanfilter(EKF)，PID2目录目录摘要.IIIAbstract1引言.4第一章方案设计51.1 系统总体方案的选定.51.2 系统总体方案的设计.51.3 小结6第二章机械系统设计及实现.72.1 车模车体架构72.2 电路板和电池的安装.82.3 摄像头的安装102.4 加速度计和陀螺仪的安装.112.5 编码器的安装122.6 车模重心位置的调整.132.5 小结.13第三章智能汽车硬件电路设计.143.1 电源模块143.2 电机驱动模块173.3 主板模块193.4 小结.24第四章软件系统设计及实现.244.1 程序流程图244.2 平
7、衡控制算法.254.3 速度控制算法2634.4 方向控制算法274.5 摄像头图像处理算法274.5.1 赛道中线合成.274.5.2 障碍识别算法284.5.4 人字弯处理算法.284.6 小结29第五章系统调试295.1 开发工具.305.2 调试工具305.2.1 红树伟业调试助手.305.2.2 VisualScope 上位机.315.3 无线蓝牙串口模块.325.4 车模调试335.5 小结33第六章模型车的主要技术参数 .34结论.35参考文献36附录：程序源代码37引言全国大学生智能车大赛和其他竞赛一样，为了培养大学生实践创新能力和团队精神而开展的。该项赛事与全国大学生数学建模
8、、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛齐名，被认定为国家教育部正式承认的第五个大学生竞赛项目。4竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越 ”为指导思想，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。参加第九届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛的参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8 位、16 位、32位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机
9、驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试。本届，摄像头是直立平衡组，并且在赛道中增加了人字弯和实体障碍，增加了比赛的难度。本技术报告主要从机械系统、硬件系统、软件系统 、调试开发系统等方面，详尽地阐述了我们设计方案，具体表现在 机械改装、硬件电路的创新设计以及控制算法的独特想法。智能车的制作过程包含着我们的辛勤努力，这份报告凝聚了我们智慧，是我们团队共同努力的成果。我们小组成员在大三上学年就加入了江科大智能车协会。之前学院从没有做过直立车，所以我们是第一届做的直立车。 制作期间，我们细节着手，敢于尝试，勇于创新，虚心学习。从三个人笨手笨脚的搭建第一辆小车，到小车第一次
10、在跑道上跑下来一圈，到后来一点点的改进硬件电路和机械结构，再到最后小车一次次速度的突破。半年的努力终于马上就要见到了成果，这半年我们都有很大的收获，相信这对我们今后的学习生活有很大的帮助，也是我们今后人生道路上一笔宝贵的财富。第一章方案设计5本章主要介绍智能汽车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能汽车控制系统进行深入的介绍 和分析。1.1系统总体方案的选定本届智能汽车大赛摄像头组是直立平衡组，这对我队是一个全新的挑战。一开始小车系统中我们使用 KL25 MCU，但之后发现 ，KL25 的内存较小 ，不能存储足够的赛道信息， 于
11、是改用了 KL26 ARM Cortex-M0+MCU。智能车的系统中，车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。其运动控制主要可以分为三个主要任务：车模平衡控制 、车模速度控制、车模方向控制。根据最基本保持车身平衡的基本原理，我们需要知道车身当前的角度和角速度。因此在保持车身平衡方面，我们确定以加速度计作为角度传感器，陀螺仪作为角速度传感器。 对于速度控制，我们使用欧姆龙编码器进行测速，根据编码器返回的速度进行自适应调整。使用野火鹰眼 OV7725 进行赛道信息的采集并实现方向控制。1.2系统总体方案的设计遵照本届竞赛规则规定，智能汽车系统采用飞
12、思卡尔的32 位微控制器KL26 单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。摄像头采集二值化赛道信息，返回到单片机作为转向控制的依据。使用卡尔曼滤波将加速度计测得的角度和陀螺仪测得的角速度进行角度合成。最后车模平衡控制、车模速度控制、车模方向控制 叠加成对车模电机的控制，通过主控输出 PWM 波控6制电机的转速以保持车身的平衡和锁定赛道。同四轮车不同，平衡组仅能使用左右轮的差速来转弯。为了控制的准确性和快速性，我们使用编码器作为速度传感器。编码器返回的信号可以形成闭环，使用PID 控制电机的转速。根据以上系统方案设计， 智能车分为以下几个模块 ：KL26 主控模块、传感器模块、电源模块、电
13、机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：KL26 主控模块是整个智能车系统的 “大脑”，用来处理和存储摄像头采集的道路信息 ，根据控制算法做出控制决策，驱动 两个直流电机完成对智能汽车 的方向控制；同时使用陀螺仪和加速度计获取车模行进过程中的实时角速度和加速度信息，用以保持车模稳定行进；电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源；电机驱动模块， 将主控芯片输出的 PWM 控制信号放大以实现对直流电机的控制；速度检测模块，检测反馈智能汽车 轮的转速，用于速度的闭环控制；辅助调试模块 ，主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。1.3 小结本章重点分析了智能汽车系统总体方案的
14、选择，并介绍了系统的总体设计和总体结构，简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统的各个 模块进行详细介绍。7第二章机械系统设计及实现智能汽车各系统的控制都是 在机械结构的基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，我们车的机械部分设计如下：2.1车模车体架构今年我们摄像头平衡组，我们选用E 车模，配套的电机型号为 电机 RS-380，智能车的控制采用的是 双后轮驱动方案。智能车的外形大致如图2.1：图2.1 智能车外形图第二章智能汽车机械结构调整与优化82.2电路板和电池的安装根据倒立摆原理分析可知，车模重心越低，越有利于保
15、持平衡。为了使小车具有较好的稳定性及转向性能，我们在搭建小车时尽量选择降低重心，在搜集一些相关的资料和研究前面几届的技术报告后，历经三次重大结构调整，我们最终完成了车模的定型。如图2.2所示图2.2 车模整体结构第二章智能汽车机械结构调整与优化92.3摄像头的安装摄像头作为赛道采集信息的传感器， 安装的稳定性影响到整个车采集信息的准确性，合理的高度和角度能够获得更大的前瞻，摄像头的高度还会影响到整车的重心，经取舍之后，我们最终使用碳素杆做了一个三角支架，将摄像头固定在上面。安装方式如图2.3所示第二章智能汽车机械结构调整与优化10图2.3 摄像头的安装2.4加速度计和陀螺仪的安装加速度传感器可
16、以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。为了减少车模运动引起的干扰，理论上加速度传感器安装的高度越低越好；陀螺仪可第二章智能汽车机械结构调整与优化11以测量物体的旋转角速度，为了获得正确的小车前后角速度，应该保证陀螺仪的安装是水平的，否则容易导致小车过弯加减速。经综合考虑，我们决定将加速度计陀螺仪模块安装在小车的质心附近，于是将其固定在摄像头支架的底部。如图2.4所示图2.4 加速度计陀螺仪的安装位置2.5编码器的安装实现对轮速的精确控制是保证小车平衡的关键因素之一，因此我们安装了编码器实现对速度的闭环控制。编码器作为车模速度测量的传感器，其安装的合理程度将影响最终的速度反馈。在保持对称的基础上，调节编码器的位置，保证编码器齿轮与电机齿轮的合理啮合程度，防止打齿或增大阻力等弊端。其安装位置如下 图2.5：第二章智能汽车机械结构调整与优化12图2.5 编码器安装2.6车模重心位置的调整重心的高度是影响智能车稳定性的因素之一。当重心高度偏高时，智能车在转弯过程中 易产生跳轮现象，严重时甚至翻车。因此，从小车稳定性出发，我们尽量降低重心高度。
