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1、第九届第九届“飞思卡尔飞思卡尔”杯全国大学生杯全国大学生智能汽车竞赛智能汽车竞赛技技 术术 报报 告告学 校：大连理工大学队伍名称：凌立印象2参赛队员：王东旭刘 柳张新彤带队教师：吴振宇李胜铭关于技术报告和研究论文使用授权的说明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： I目
2、 录引 言.1第一章 方案设计.21.1 系统总体方案的选定21.2 系统总体方案的设计21.3 小结3第二章 机械结构调整与优化.42.1 智能汽车车模的选择42.2 智能汽车传感器的安装42.2.1 速度传感器的安装52.2.2 摄像头的安装 62.2.3 车模倾角传感器 72.3 重心高度调整72.3.1 电路板的安装 72.3.2 电池安放.72.4 其他机械结构的调整72.5 小结8第三章 硬件电路方案设计.93.1 单片机最小系统模块93.2 电源模块103.2.1 电池使用.103.2.2 稳5V电源模块103.2.3 稳3.3V电源模块113.3 电机驱动模块113.4 串口通
3、信模块11第四章 图像信息处理.134.1 图像采集134.1.1 图像数据输出简介134.1.2 摄像头工作时序 134.1.2.1 行中断时序 134.1.2.2 场中断时序 144.1.3 DMA简要介绍.144.2 图像处理154.2.1 阈值的确定方法 硬件二值化处理 .154.2.2 采集图像思路 15第五章 特殊赛道识别及处理.165.1 人字识别及处理165.1.1 人字识别.165.1.2 人字处理.175.2 障碍识别及处理175.2.1 障碍识别.175.2.2 障碍处理.175.3 起跑线识别及处理185.3.1 起跑线识别.185.3.2 起跑线处理.195.4 十字
4、识别及处理195.4.1 十字识别.19III5.4.2 十字处理.19第六章 控制策略研究.206.1 PID 控制.206.1.1 PID算法简介.206.1.2 PID参数整定.216.2 车模平衡控制226.3 车模速度控制226.4 车模方向控制236.5 车模电机控制23第七章 开发工具、制作、安装、调试过程.247.1 开发工具247.1.1 串口功能.247.1.2 画图功能.257.1.3 CCD 显示功能.277.1.4 摄像头图像采集功能.277.1.5 摄像头图像显示功能.287.2 调试过程28第八章 车模主要参数.298.1 智能汽车外形参数298.2 智能汽车技术
5、参数29结 论.30参 考 文 献.31附 录.321引引 言言随着电子科技的不断发展，越来越多的自动化设备开始进入到人们的生产生活中，嵌入式的迅猛发展为智能研究提供了更广阔的平台。在工业生产、科学探索、救灾抢险、军事等方面，人工智能发挥着越来越重要的作用，在此背景下，智能控制策略变得尤为重要。“飞思卡尔”杯全国大学生杯智能汽车竞赛是国家教学质量与教学改革工程资助项目，以飞思卡尔半导体公司生产的 16、32 位单片机为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应程序，制作一个能够自主识别道路的汽车模型。因而该竞赛是涵盖了智能控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等
6、多个学科的比赛，对学生的知识融合和实践能力的提高，具有良好的推动作用。本文采用第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛的汽车模型作为研究平台，以 32 位单片机 MK60DN512VLQ10 作为主控制单元，运用 IAR 软件作为开发工具进行智能控制策略研究。道路信息检测模块普遍采用简单、速度快的数字类摄像头。本届车模后置双电机，因此需要对两个电机分别进行速度检测，方向 PID 控制。在电源模块设计中，采用 Linear 公司线性稳压电源芯片 LT1529-5 作为稳压 5V 输出，为编码器供电；采用 TI 公司 LM1117 作为稳压 3.3V 输出，为单片机、摄像头、串口通信模块供电。单片
7、机软件算法部分为本文论述的重点，主要体现了智能车的智能控制策略，运用 PID 控制理论完成对车模平衡、速度、方向的控制；继续沿用以往的循迹算法，对新型赛道的识别及处理为我队创新之处。 本篇技术报告将从智能车机械结构、硬件电路、图像处理、控制算法等方面详细介绍整个准备过程。第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2第一章 方案设计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。1.1 系统总体方案的选定本届智能汽车比赛，我队为摄像头组别。在循迹传感器方面，选用数字摄像头 ov7725，相比模拟摄像头在硬件上有相对简单的优势。由于平衡车的特殊性，车身在循迹前进的过程中，必须保持车身的平衡。根据
8、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，我们确定以数字加速度计作为角度传感器，型号为 MMA8451；陀螺仪作为角速度传感器，型号为 L3G4200D。另外，车身转向控制方面，也使用陀螺仪作为转向反馈，测速方面，考虑到 E 车模本身的结构，用以往的霍尔模块，很难固定，最终选用霍尔编码器，易于固定，且精确度较高，用于速度闭环反馈。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思卡尔的 32 位微控制器MK60DN512VLQ10 单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。数字摄像头采集赛道信息，返回到单片机作为转向控制的依
9、据。加速度计返回的数字信号作为车身当前角度的信号，陀螺仪采集车身转动的角速度。主控输出PWM 波控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，平衡组需要靠控制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速度闭环，使用 PID 理论控制电机的转速。平衡组强烈的加减速会导致车身的倾角剧烈变化，这并不利于车身保持平衡。因此整个调试过程就是要保证车身稳定的前提下不断提高车模前进的平均速度。根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块：MK60DN512VLQ10 主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模
10、块的作用如下：MK60DN512VLQ10 主控模块，作为整个智能汽车的“大脑”，将摄像头、陀螺仪，加速度计和霍尔编码器等传感器的信号，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控制；第一章 方案设计3传感器模块，是智能汽车的“眼睛”，可以调整好一定的前瞻，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间，同时使用陀螺仪和加速度计计算车模行进过程中的实时角度信息和角速度信息，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，驱动直流电机以实现智能汽车的电机输出；速度检测模块，检测智能汽车轮子的转速，用于速度的闭环控
11、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。第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4第二章 机械结构调整与优化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，然后建立相应的数学模型，从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。本章将主要介绍E 车模的机械结构和调整方案。
12、2.1 智能汽车车模的选择本届比赛平衡组新添 E 车模，相比之前的 D 车模：E 车轮距更大，在转向方面更有优势，且选用的电机型号为 RS-380，马力更强劲，没有了减速齿轮组，齿轮比更小，车轮转速更快，车速提升空间更大。所以，最终确定选用 E 车模参赛。图 2.1 智能汽 E 车车模2.2 智能汽车传感器的安装车模中的传感器包括有：速度传感器（霍尔编码器），车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计）以及摄像头。下面分别介绍这些传感器的安装。第二章 机械结构调整与优化52 2. .2 2. .1 1 速速度度传传感感器器的的安安装装速度编码器我们采用了霍尔编码器，安装方法如下：将网店上购买编码器时配套
13、的支架安装在车模的固定位置，再将编码器通过螺丝固定在支架上。图2.2 编码器安装在安装编码器时应注意编码器齿轮与电机齿轮的咬合，安装时应注意调整好齿轮间隙。同样的，电机齿轮与车轮的咬合也很重要。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响行驶。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音
14、闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。如图 2.3 所示。第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6图2.3 电机安装2 2. .2 2. .2 2 摄摄像像头头的的安安装装为了降低整车重心，需要严格控制摄像头的安装位置和重量，我们采用 3D打印技术自行设计了轻巧的夹持组件,并采用了碳纤维管作为安装摄像头的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使摄像头镜头便于拆卸和维修。摄像头镜头的安装如图 2.4 所示。图2.4 摄像头的安
15、装第二章 机械结构调整与优化72 2. .2 2. .3 3 车车模模倾倾角角传传感感器器车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。它们都是贴片元器件，单独固定在一块小电路板上，然后用铝架固定在车模上，从而保证检测数据的可靠性。2.3 重心高度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，智能车在高速转弯过程中会发生抬轮现象，严重时甚至翻车。因此，从小车稳定性考虑，我们尽量降低重心高度，从而保证小车可靠稳定。2 2. .3 3. .1 1 电电路路板板的的安安装装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，因此也将电路板安装在了电机上方，从而实现降低重心，
16、提高小车的稳定性。2 2. .3 3. .2 2 电电池池安安放放同样为实现降低重心，提高小车稳定性的目的，我们制作了两片铝条，用于固定电池，最大程度的降低了小车的重心。图2.5 电池的安装第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告82.4 其他机械结构的调整另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮，新买来的车轮因为与赛道摩擦少，还是光亮面，会降低车轮的抓地力，所以需要对轮子的表面进行处理，以保持其粘滞性，提高抓地力。2.5 小结模型车的性能与机械结构有着非常密切的联系。良好的机械结构是模型车提高速度的关键基础。在同等的控制环境下，机械机构的好坏对其速度的影响十分显著。我们非常重视对智能汽车的机械结构的改进，经过大量的理论研究和实践，我们小车的大部分质量都集中在两轮前后，达到降低重心的目的，从而提高了小车整体的稳定性和可靠性。第三章 硬件电路方案设计9第三章 硬件电路方案设计本系统的硬件电路采用模块化设计方式。主要
