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1、I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：合肥工业大学队伍名称：斛兵 1 队参赛队员： 徐悦梁国俭刘硕带队教师： 张阳李红莉第九届全国智能汽车竞赛技术报告 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： 带队教师签名： 日 期： 第九届全国智能汽车竞赛技术报告 III目录目录
2、摘 要VAbstract .V第一章 引 言11.1 比赛背景 .11.2 总体方案介绍.11.3 本文结构.2第二章 机械结构部分的设计及调整 .32.1 摄像头 的安装 .42.2 加速度计和陀螺仪模块的安装.52.3 测速传感器的安装.52.5 重心调整.6第三章 硬件电路设计说明 .93.1 硬件设计概述.93.2 传感器模块.93.2.1 摄像头模块.93.2.2 陀螺仪和加速度传感器模块.123.2.3速度采集传感器123.3 电机驱动模块123.4 电源模块13第四章 算法实现及软件设计 164.1 整体算法说明164.2 PID 控制算法介绍184.2.1 位置式 PID194
3、.2.2 增量式 PID194.3.3 PID 参数整定204.2 直立控制204.2.1 直立模型分析.21第九届全国智能汽车竞赛技术报告 IV4.2.2 直立控制算法说明.214.3 速度控制224.3.1 速度控制理论分析.224.3.2 速度 PID 控制224.4 路径识别 及方向控制算法.244.4.1 边线提取 244.4.2 起跑线识别244.4.3 障碍物识别254.4.4 人字识别处理264.4.5 十字的处理264.4.6 方向控制策略.27第五章 开发工具、调试环境 285.1 单片机开发工具285.2 波形调试上位机285.3 摄像头 模块调试 .295.4 系统调试
4、29第六章 智能车主要技术参数说明 30第七章结 论31【参考文献】.32附件.33附件 1：部分程序源代码 33附件 2 电路图 .61第九届全国智能汽车竞赛技术报告 V摘摘 要要本技术报告以第九届飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛为背景，详细介绍 了基于数字摄像头为传感器的自主寻迹智能车设计。 在研究了往届 “飞思卡尔” 智能车设计方案的基础上，提出了直立智能车设计方案。本文首先讲述了系统 硬件设计，其中包括系统主板设计，电机驱动电路板设计等。在硬件设计的基 础上，本文介绍了系统软件设计及算法,并且对比了位置式与增量式 PID 的区别。最终，通过系统调试，验证系统可以达到预期设计要求。关键字：
5、飞思卡尔关键字：飞思卡尔 自主寻迹自主寻迹 直立智能车直立智能车 数字摄像头数字摄像头 PIDAbstractIn the background of the “Freescale” Cup National University Smartcar Competition, this paper gives an account of the design of intelligent car, which is based on digital camera. By studying previous designs of intelligent cars, the paper puts f
6、orward the method which can extract the information of smart car. The paper firstly elaborates the hardware system, which includes the system board design, the motor driver module, and so on. Then the paper introduces the design of software system, which includes module testing, follow controller al
7、gorithm,distinguish the two differernt algorithm. Finally, the whole system meets the expectative requirement.Keywords :Freescale, Auto-tracing, Smart car, digital camera PID第九届全国智能汽车竞赛技术报告 1第一章第一章 引引 言言1.11.1 比赛背景比赛背景智能车是一种高新技术密集型的新型汽车， 它涵盖的范围广泛包括模式识别、传感器技术、自动化控制实现、电力电子技术、计算机技术等多个领域。在国际上已经形成智能汽车研究、
8、设计、开发、竞赛的热潮。在我国，教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队合作精神的培养，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办了每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。全国大学生智能汽车竞赛是在竞赛组委会提供的统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位微控制器作为核心控制模块， 通过设计道路识别传感器和电机驱动电路、 编写相应软件及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线（路线赛前未知）行进，以完成时间最短者为优胜。智能车竞赛目前已经发展有摄像头、光电组和电磁组三个组别比赛， 赛车速 度与比赛质量也越来越高，竞争更是日趋激烈。1 1. .2 2 总体
9、方案介绍总体方案介绍本智能控制系统由传感器、信息处理、控制算法、执行机构、速度反馈 五个部分组成。其中，以单片机为核心，配有传感器、测速电路，执行机构以及它们的驱动电路构成了控制系统的硬件；信息处理与控制算法由运行在单片机中的控制软件完成。在检测方面，系统是以 OV7725 数字摄像头作为传感器进行路径识别，使用模拟的陀螺仪和加速度计采集车模角度和角速度信息。控制方面系统重点研究在保证智能车直立稳定行驶的前提下，提高系统的响应速度。同时需要处理传感器获得信号，滤除干扰，提高系统可靠性。此外，机械结构的调整是保证智能车系统能够稳定可靠运行的前提。因此，机械结构的调校是至关重要的，机械结构调整的原
10、则是：减少质量，降低重心，防止转向侧滑。第九届全国智能汽车竞赛技术报告 21 1. .3 3 本文结构本文结构本文共分为五章。 第一章主要是介绍了比赛的背景及智能车系统总体方案的 介绍；第二章从智能车系统的机械结构出发，详细阐述了智能车系统各部分机 械结构的安装和调整；第三章重点介绍了系统中所涉及的硬件设计方案和原理； 第四章是介绍了智能系统的软件算法；第五章则对智能车部分模块的调试仿真 做出相关的介绍；第六章对智能车的技术参数作简要说明。第七章简述智能车 制作过程中得出的结论。第九届全国智能汽车竞赛技术报告 3第二章第二章 机械结构部分的设计及调整机械结构部分的设计及调整智能车的机械结构在赛
11、车速度快慢上起着重要作用， 要想提高智能车的速度，只有将机械结构与控制算法同时做好。总体来说，智能车的重心要尽可能低，以减小智能车在过弯的时侧翻的可能性，摄像头的支架在保证前瞻的情况下不能太高，需要在运行过程中保证智能车的稳定性，在此基础上，简化布局，使智能车外观简洁。下面将具体阐述本智能车的机械结构的设计及调整。整车外观如图所示：图 2.0.1 智能车总体图第九届全国智能汽车竞赛技术报告 42 2. .1 1 摄摄像像头头 的安装的安装 摄像头安装应保证足够的前瞻 （前瞻过近会影响提速， 过远容易误判赛道） ， 通过实验，我们将前瞻固定到 120CM，盲区在 18CM,有效视野范围 1M 左
12、右。我们选择碳纤维管作为摄像头的支架，该材料质量轻、硬度高。在平时的调试过程中，为防止意外撞击导致摄像头损坏，我们安装了保护杆；并且在摄像头模块电路板与支架之间用两根杆子形成三角支架，以提高稳定性。摄像头安装效果如图 2.1.1 所示图 2.1.1 摄像头安装图第九届全国智能汽车竞赛技术报告 52 2. .2 2 加速度计和陀螺仪模块的安装加速度计和陀螺仪模块的安装本智能车采用模拟加速度计和陀螺仪，该模块包括一个三轴加速度计、一个水平方向陀螺仪及一个竖直方向陀螺仪。该模块安装位置与其使用性能密切相关，故安装时应注意：竖直陀螺仪旋转中心应在智能车车轮轴心线处，转向陀螺仪应与车轮轴心线平行，且两个
13、陀螺仪应在车身中心线处。同时模块安装不宜过高，过高会放大噪声，使采样得到的数据不准确。且加速度计输出值转化为角度的过程本身是一个近似过程，前提是加速度计位置比较低，可以被忽略。但是陀螺仪位置不能放太低，我们曾尝试把该模块放在两个电机中间，由于电机运行时产生的抖动很难消除，对陀螺仪产生干扰。在保证获得数据准确可靠的前提下，我们选择将该模块安装在智能车中部。2.32.3 测速传感器的安装测速传感器的安装 我们选择了欧姆龙 500 线光电编码器作为测速传感器， 安装时过紧会增大智能车的行驶阻力，过松会导致滑齿，计数不准。经过验证，E 车模的编码器齿轮与车轮齿轮属于一级啮合，安装时相比于 D 车模更容
14、易出现滑齿现象，这可能是E 车模相比于 D 车模比较难调校之处。安装时综合考虑了齿轮啮合和摩擦的影响。2.42.4 电路板的安装电路板的安装为了提高智能车的稳定性，我们将电机驱动与主板分开，主板放在编码器和电机支架上侧，电机驱动板放在车身底板后侧。整个装调过程遵循质量最大集中原则，尽可能减小两个电机和两个编码器之间的空隙。2 2. .5 5重心调整重心调整降低智能车重心，直接效果是有利于减小过弯侧翻。其中电池对整辆车重心和质量的影响很大，我们将电池安装在尽可能低的位置。前期试验都是在 D 车模上进行，如图 2.5.1，这是平衡车最经典的安装方式，存在一定缺陷，车模在这种方式下由于是直立运行，受
15、到阻力较大，且电路板和摄像头等器件安装的位置较高，重第九届全国智能汽车竞赛技术报告 6心相对较高。在试验后期我们采用倾斜的安装方式加以改善。虽然我们最终采用第二种方案，但是对于两种方案，我们没有做精确对比。方式二也存在如下隐患：今年坡道角度最高达 20 度，限制电池离车身底板及其附属物不超过 3CM，这意味着倒着跑电池位置不能放太低，也不能太远离车身。电池位置若调整不好很可能比方式一还高，重心可能更高。如图 2.5.2图 2.5.1 D 车机械安装方式第九届全国智能汽车竞赛技术报告7图 2.5.2 E 车机械安装方式第九届全国智能汽车竞赛技术报告8第三章第三章 硬件电路设计说明硬件电路设计说明3.13.1 硬件设计概述硬件设计概述 本智能车采用 MK60 作为主核心。需要 3.3V , 1 2 V及 5V 供电。系统还包括：编码器接口、通讯接口、液晶接口、拨码开关、陀螺仪加速度计接口、电机驱动接口和摄像头接口。 调试时采用串口收发数据。 下面将针对每一部分做具体论述。3 3. .2 2 传感器模块传感器模块 3.2.13.2.1 摄像头模块摄像头模块 （1）摄像头工作原理摄像头以隔行扫描的方式采样图像，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片
