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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 初步技术报告初步技术报告学 校： 东北大学秦皇岛分校 队伍名称： 东秦创意组参赛队员： 闫 莉 韩昕宇张碧涛 黄 洋 叶志彬带队教师： 顾德英 孙文义2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： 带队教师签名： 日 期： 3摘 要本文设计的智能车系统以 MK60
2、DN512ZVLQ10 微控制器为核心控制单元，通过 CCD 摄像头检测赛道信息，使用模拟比较器对图像进行硬件二值化，提取黑色边线，用于赛道识别；通过 OV7725 对交通指示灯进行阈值分离提取箭头，判断箭头方向控制转向；通过光电编码器检测模型车的实时速度，使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的速度和稳定性，使用串口助手、Labview 图像上位机、蓝牙模块、LCD 模块、键盘模块等调试工具，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。关键字关键字：MK60DN512ZVLQ10，CCD，OV77
3、25，PID 控制4AbstractThe intelligent vehicle system introduced in this paper based on MK6 0DN512ZVLQ10 as the core control unit. It uses CCD camera to check tra ck information and uses ACMP to binarize images and extract the black li ne which used for track recognition. The system uses OV7725 to do thr
4、e sholding segregation and extract the arrows, and control the steering by judging the direction of the arrows. It uses photoelectric encoder to test the model vehicles real- time speed and uses PID to adjust the drive motors rotational speed an d steering engines angle. In this way it can realize t
5、he closed- loop control to the model vehicles speed and moving direction. Besides,in order to increase its speed and improve its stability, the system recei ved a lot of hardware and software testing by debugging tools such as Se rial debugging assistant, Labview, Bluetooth module, LCD module, keybo
6、 ard module, and so on. The testing results indicated that this design is fe asible and reliable.Keywords: MK60DN512ZVLQ10, CCD, OV7725, PID control5目录目录摘 要.- 3 - 第一章引 言.- 6 - 1.1背景介绍.- 6 - 1.2整体设计方案.- 7 - 1.2.1路径检测方案设计- 7 - 1.2.2指示灯检测方案设计- 7 - 1.2.3速度控制方案设计- 8 - 1.2.4系统总体设计- 9 - 第二章机械结构设计及调整.- 10 -
7、 2.1舵机的固定与安装.- 10 - 2.2四轮定位.- 10 - 2.2.1主销后倾角- 11 - 2.2.2主销内倾角- 12 - 2.2.3前轮外倾角- 13 - 2.2.4前轮前束- 13 - 2.2.5其他部分调整- 14 - 2.3差速的调整.- 15 - 2.4整车重心的调整.- 16 - 2.5整车布局.- 17 - 第三章传感器分析与布局.- 18 - 3.1赛道识别部分.- 18 - 3.1.1 基于电压比较器的硬件二值化原理- 19 - 3.2方向灯识别部分.- 23 - 3.3摄像头的安装.- 26 - 3.3.1摄像头标定- 26 - 3.3.2Sony CCD 的
8、安装.- 27 - 3.3.3OV7725 的安装.- 28 - 第四章硬件电路设计.- 29 - 4.1整体硬件框图.- 29 - 4.2电源电路设计.- 29 - 4.2.1单片机电源电路- 29 - 4.2.2舵机供电- 30 - 4.2.3摄像头供电- 31 - 4.3视频信号二值化.- 31 - 4.4驱动电路.- 32 - 4.5测速模块.- 33 - 4.6主板电路图.- 34 - 第五章控制算法设计.- 35 - 5.1系统总体控制流程图.- 35 - 5.2软件设计总体思路.- 35 - 5.3系统控制策略.- 36 - 5.3.1系统控制的特点- 36 - 5.3.2系统控
9、制方案的设计- 36 - 第六章系统开发及调试工具44 6.1开发工具44 6.2上位机图像显示4466.3无线调试蓝牙模块46 第七章车模主要技术参数47 第八章总 结487第一章 引 言1.1背景介绍背景介绍“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办，以“立足培养、重在参与、鼓励创新、追求卓越”为口号，为提高大学生的动手能力和创新能力而举办的。为了能够进一步提高大学生创新能力、丰富竞赛内容、提高竞赛水平，全国大学生智能汽车竞赛在竞速比赛基础上设置了创意组竞赛，至今已经成功举办了六届。本届创意比赛分为两个赛题组，分别是特技组和指标组。特技
10、组注重参赛作品的突破车模常规运行的能力，体现参赛队伍的想象力和创造力，以提高创意组的观赏性。指标组则强调车模运行的性能指标，培养参赛队伍在工程实践中注重细节和优化的能力，指标组的评比过程更加强调客观性。综合考虑自身的条件和爱好，最终选择了参加指标组比赛。参加指标组比赛的队伍就是在接近实际路况的情况下，实现自主识别路况、规划轨迹完成行驶任务。此次创意组比赛对提高汽车的自主驾驶能力对于提高出行安全性、降低驾驶负担具有现实的重要意义。本技术报告将针对我们制作小车过程中各个模块进行阐述并列出了模型车的主要技术参数。81.2整体设计整体设计方案方案1.2.1路径检测方案设计根据本届创意赛指标组题目要求，
11、小车需按照赛道自主行驶，并根据交通指示灯转向，识别障碍及断车道等路况，考虑到小车需要精准的检测路况信息并作出提前判断，由此我们选择信息量丰富的摄像头作为路径检测的传感器。循迹摄像头方案的选择：方案一：采用CCD摄像头。CCD摄像头优点是成像质量好，特别是动态效果比CMOS摄像头的效果要好很多。但是CCD 摄像头的功耗比CMOS摄像头要高，工作电流有100mA 左右。且输出模拟信号需转换才能使用。方案二：采用CMOS数字摄像头。CMOS摄像头功耗较低，工作电流只有10mA左右。并且CMOS摄像头出来直接是数字信号 综合两种方案，考虑到我们对高速下图像质量要求较高，且比赛时间较短，结合电路优化后功
12、耗对系统影响较小，信号方面可以通过硬件二值化转换成数字信号再进行采集处理，因此选用CCD摄像头能更好的满足要求。1.2.2指示灯检测方案设计指标组赛题在十字道口设有交通指示灯，根据箭头方向进行左转、直走、右转，且指示灯距赛道高度为50厘米，经试验，只用一个摄像头在检测赛道同时无法检测到转向灯，使用广角镜头调整合适角度后虽然可以都检测到，但路面信息会出现严重的失真和干扰，影响小车正常行驶，因此我们采用双摄像头分别对赛道和指示灯进行识别。摄像头及识别指示灯方案的选择：方案一：采用 CCD 摄像头+硬件滤光。彩色 CCD 模拟摄像头的信号是复合信号，通过视频同步分离芯片 LM1881 能分离出行场信
13、号，但无法得到单独9的图像信号，因此无法直接用 CCD 进行采集，经我们考虑，硬件二值化后得到的图像时黑白的，且灯光部分是明显的白色，因此可调整适当的阈值使指示灯的箭头更突出，但是当背景杂乱时会对图像处理程序产生干扰，无法正常识别箭头方向。根据光学原理，采用红色滤光片可通过红光，吸收其他波长的光线，因此在摄像头镜头前加红色滤光片可以透过箭头的红光，而滤去背景其他光线的干扰，使图像只显示箭头形状，再经过算法对箭头方向进行识别，经试验，此方法可行。方案二：采用 OV7725 彩色数字摄像头+软件滤光。采用彩色数字摄像头可以直接用阈值分割算法对箭头的红色亮灯区域进行滤波，从而得到箭头的用图像。方法简
14、单但 IO 口占用较多。综合两种方案，方案一虽然简单易实现，考虑到同时使用两个 CCD 摄像头 12V 供电功耗太大，且 CCD 摄像头体积较大重量较重，放置两个 CCD 摄像头会影响整车的重心，影响小车稳定性；方案二虽然算法繁琐，但在车高速行驶时能保持其稳定性，因此方案二更适用。1.2.3速度控制方案设计在保证赛车稳定性的前提下，提高速度是获胜的关键，也是我们设计的重点。对赛车速度的控制主要有两种方案。即：开环控制和闭环控制。方案一：开环控制。开环控制是指没有反馈的控制。即通过预先设定的方案，没有外部反馈地进行操作。优点在于操作和控制比较简单，只需要提供理论运行的过程然后编程调整即可实现。缺
15、点在于理论和实际始终有一定的误差，实践证明开环控制的精度不高，无法切实有效的提高速度。方案二：闭环控制。闭环控制是指具有反馈的控制。在系统运行过程中，需要不断检测赛车速度的状态， 与预期的状态进行比较， 当相差到一定程度时， 修正误差， 精度很高。但是缺点在于电路的搭建和程序的编制都比开环控制要复杂。实现电机的闭环控制传感器主要是采用光电编码器，在电机转动一定角度的时候形成脉冲，由外部器件捕获这些脉冲，得出与实际运行的差异。10综合两种方案，开环速度控制实现起来比较简单，但速度会随着电池电压的变化而变化，不能实现对速度的精确控制。为了使小车能以不同的速度通过不同的弯道，精确的速度控制是关键。而
16、且由于赛道上有斜坡，赛车安全通过斜坡的关键是控制上坡和下坡的速度，所以对于采用速度闭环控制的赛车来说通过斜坡就像是通过普通的直道一样的简单，不需要对斜坡进行专门的检测。因此采用方案二闭环控制。1.2.4系统总体设计综合以上分析，该系统以 Freescale 32 位单片机 MK60DN512ZVLQ10 作为系统控制处理器， 采用基于的摄像头的图像采样模块获取赛道图像信息，以PD 方式对舵机转向进行反馈控制,电机转速控制采用 PID 控制，通过 PWM 控制驱动电路调整电机的功率,通过特定算法分析出前方的路况，并根据路况的不同为小车选取最优路径在最短的时间内到达终点。系统的整体框图如图1.3-1 所示：K60 控制器Sony CCD编码器电机输出舵机输出OV7725电机驱动二值化图 1.2 整体系统框图11第二章 机械结构设计及调整2.1舵机的固定与安装舵机的固定与安装对于舵机的安装，不难发现，将舵机的摆臂增长可以提高舵机的响应速度。因为舵机的摆臂越长，当车轮转过相同的角度时
