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1、I第十届全国大学生“飞思卡尔”杯 智能汽车竞赛 技 术 报 告 学 校：山东科技大学 队伍名称：猫老大队参赛队员：汪新浩 赵曜 II胡晓涛 带队教师：高正中 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第十届“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、图像资将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。 参赛队员 ：汪新浩，赵曜，胡晓涛 带队教师签名：高正中 日 期：2015.8III摘摘 要要该系统主要由电源稳压模块、直流电机驱动模块、
2、赛道信息识别模块、速度检测模块、倾角检测模块、oled 显示模块和串口调试模块等组成。本设计采用飞思卡尔公司生产的 32 位 Cortex-M4 内核的微处理器 MK60DN512ZVLQ10 作为核心控制单元，并编写相应控制程序以完成直立控制、速度控制、方向控制三大任务。本设计通过自平衡小车进行动力学建模，得到了小车平衡的条件。利用陀螺仪和加速度计获得车体的倾角和角速度。对小车倾角进行 PD 控制实现小车的基本直立。通过光电编码器测得到小车的速度，对速度进行 PID 控制。将转速控制信号与平衡控制信号叠加加载到后轮两电机上，实现小车的静止和直立行走。采用TSL1401 线性 CCD 获得赛道
3、图像信息，经过对图像的去噪处理，准确快速的提取出的赛道中心线，获得小车的方向偏差控制量。通过对方向控制量和转向角速度进行 PD 控制来调节左右两轮的差速实现小车的转向和自主寻迹。关键词：关键词：自平衡；自主寻迹；黑线提取；赛道识别IVAbstractThe system is mainly composed of a power supply module, DC motor drive module, road information identification module, speed detection module, tilt angle detection module, OLE
4、D display module and debugging module etc. This design uses 32 bit Cortex-M4 kernel fly think of Carle company production of microprocessor MK60DN512ZVLQ10 as the core control unit, and the preparation of the corresponding control procedures to complete the balance control, speed control, direction
5、control three major tasks.Through the design of dynamic modeling from the balance of the car, the car balance condition. The gyro and accelerometer for angle and angle velocity of body.The PD control basic upright implement car of car angle.The photo electric encoder to get the cars speed, PID contr
6、ol of speed. The speed control signal and control signal superimposed load balance to the rear wheels two motor, realize the car stationary and upright. To obtain the track image nformation with the camera, image de noising, extract the track center line quickly and accurately, obtain the direction
7、deviation control car. The direction control and steering angular velocity PD control to adjust the left and right wheels differential implement car steering and autonomous tracing.Keywords: self-alance; autonomous tracing; imaged noising; line extractionV目目 录录第一章 引言 . 8 1.1 飞思卡尔智能车竞赛的意义 . 81.2 技术报告
8、章节安排 8 第二章 系统主要控制原理. 10 2.1 平衡控制原理 10 2.2 速度控制原理 13 2.3 方向控制原理 14 第三章 智能车机械结构设计 16 3.1 车模整体安装 . 163.2 轮胎的处理 16 3.3 CCD 的安装 . 163.4 偏振片的安装 17 3.5 电路板安装 18 3.6 加速计与陀螺仪的安装 19 3.7 电池的安装位置 19 VI第四章 智能车硬件设计 20 4.1 系统总体硬件组成 20 4.2 系统各硬件模块设计 21 4.2.1 主控芯片简介 . 21 4.2.2 稳压电源模块 22 4.2.3 倾角测量模块 23 4.2.4 赛道信息采集模
9、块 . 25 4.2.5 电机驱动模块 25 4.2.6 双轮测速模块 . 26 第五章 智能车软件设计 27 5.1 算法功能与框架 28 5.2 平衡控制 29 5.3 速度控制 33 5.4 方向控制 37 5.5 CCD 图像处理部分 37 5.5.1 图像的处理 37 5.5.2 坡道的识别 . 39 5.5.3 十字弯的处理 . 40 VI5.5.4 障碍的识别 . 40 5.5.5 直角弯的处理 . 41 第六章 系统调试. 42 6.1 开发工具 42 6.2 无线调试蓝牙模块及蓝牙上位机 43 6.3 图像处理上位机软件 44 第七章 车模主要参数 45 7.1 车模主要参数
10、 45 VII第八章 总结 46第九章 参考文献. 48 附录 程序部分代码 49 第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第 8 页第一章第一章 引言引言全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛活动。竞赛要求在规定的汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽车。1.1 飞思卡尔智能车竞赛的意义全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）主办的一项具有导向
11、性、示范性和群众性的全国竞赛活动。竞赛以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。全国大学生智能汽车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、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。全国大学生智能汽车竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励
12、探索，追求卓越”为指导思想，旨在加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，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。1.2 技术报告章节安排第一章 引言：简单介绍“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛的概况。第二章 系统介绍智能车的平衡，速度和方向的控制原理。第三章 智能车机械部分设计和实现：具体介绍智能车的机械设计。第四章 智能车电路系统设计和实现：分模块介绍智能车的电路系统。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第 9
13、 页第五章 智能车软件系统设计和实现：介绍智能车的各部分原理和算法。第六章 智能车开发平台和调试技术：介绍智能车的开发平台的调试工具。第七章 智能车主要技术参数汇总：智能车主要技术参数说明。第八章 总结：对全文的工作进行整体分析，总结我们这一年来的调车经历和对未来的展望。第九章 参考文献。第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第 10 页第二章第二章 系统控制原理系统控制原理相比四轮着地的小车，两轮平衡车的控制任务更为复杂。为了能够方便找到解决问题的办法，首先将复杂的问题分解成简单的问题进行讨论。由于车子运行的动力都来自于车模的两个后轮，后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，车模作为
14、一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本任务： （1）小车直立控制：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态； （2）小车速度控制：通过调节小车的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。 （3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。 小车直立和方向控制任务都是直接通过控制小车两个后轮驱动电机完成的。假设小车电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制小车的直立平衡、左右方向。在实际控制中，是将控制小车直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上的。三个分解后的
15、任务各自独立进行控制。由于最终都是对同一个控制对象（小车的电机）进行控制，所以它们之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时假设其它控制对象都已经达到稳定。比如在速度控制时，需要小车已经能够保持直立控制；在方向控制的时候，需要小车能够保持平衡和速度恒定；同样，在小车平衡控制时，也需要速度和方向控制也已经达到平稳。这三个任务中保持小车平衡是关键。三个任务执行的优先级为：平衡控制 速度控制 转向控制。由于小车同时受到三种控制的影响，从小车平衡控制的角度来看，其它两个控制就成为它的干扰。因此对小车速度、方向的控制应该尽量保持平滑，以减少对于平衡控制的干扰。以速度调节为例，需要通过改变小车平衡控制
16、中小车倾角设定值，从而改变小车实际倾斜角度。为了避免影响小车平衡控制，这个小车倾角的改变需要非常缓慢的进行。2 2. .1 1 平平衡衡控控制制原原理理控制车模平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第 11 页让一个直木棒在手指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条件缺一不可，实际上就是控制中的负反馈机制。该两轮小车的平衡控制也是通过负反馈实现，通过控制车子两个后轮的前后转动，抵消倾斜的趋势便可以保持车体直立。如图 2.1 所示，车体向前倾斜，车轮向前加速运行。车体向后倾斜，车轮向右加速运行。图 2.1 通过车轮的运动来保持车体的平衡 那么车轮如何运行，才能够最终保持车体垂直稳定？为了回答这个问题，一般的做法需要建立车模的运动学和动力学数学模型，通过设计最优控制来保证车模的稳定
