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1、第十届“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：大连大学队伍名称：电光参赛队员：曹丰、高宇飞、付金宇带队教师：杜秀丽I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： II摘要本文以第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，介绍了大连大学电光队的整体
2、设计方案，及开发流程。本文详细介绍了车模机械结构的设计、传感器的选择与安装、各模块电路、控制算法及策略优化等。赛车采用 Freescale 公司的 MK60DN512ZVLQ10 单片机作为系统的控制核心，SONY CCD 摄像头完成图像采集，通过 AD 转换为数字图像，再经过赛道提取算法提取赛道位置，用 PD 方式对舵机进行控制。同时通过编码器获取车轮速度，采用 PID 控制实现速度闭环。在赛车调试方面，通过使用了无线蓝牙模块、SD 卡、MATLAB 仿真、虚拟示波器等，很大程度提高了调试效率，经过测试及比赛，赛车能够在规定的赛道上稳定快速的形式。关键词：关键词：智能车、图像采集、赛道提取、
3、PID、SD 卡III目录摘要.II 第一章 引言1 1.1 大赛介绍.1 第二章 智能车整体设计2 2.1 系统结构框图.2 2.2 车模整体布局3 第三章 机械结构调整4 3.1 智能车参数要求.4 3.2 机械结构调整说明.4 3.3 舵机安装.4 3.4 前轮调整.5 3.5 摄像头支架.6 3.6 编码器安装.7 第四章 硬件系统设计8 4.1 单片机最小系统.8 4.2 电源模块.9 4.2.1 最小系统供电 104.2.2 编码器供电 104.2.3 图像 AD 转换供电 104.2.4 摄像头供电 114.2.5 舵机供电114.3 图像采集模块.12 4.3.1 视频同步分离
4、电路 124.3.2 A/D 转换电路 134.4 电机驱动模块14 4.5 调试电路15 第五章 软件系统设计17 5.1 总体控制流程.17 5.2 系统初始化.17 5.3 黑线提取.18 5.4 控制策略.20 5.4.1PID 算法简介 205.4.2 舵机控制235.4.3 速度控制23第六章 系统调试24 6.1 开发环境.24 6.2 SD 卡+MATLAB.24 6.3 硬件调试.25 第七章 车模技术参数26 结论27 参 考 文 献28II附录 程序代码291第一章第一章 引言引言1.1 大赛介绍面向大学生的智能汽车竞赛最早始于韩国，在国内，全国大学生“飞思卡尔” 杯智能
5、汽车竞赛从2006年开始已经举办了十届，得到了各级领导及各高校师生 的高度评价。大赛为智能车领域培养了大量后备人才，为大学生提供了一个充 分展示想象力和创造力的舞台，吸引着越来越多来自不同专业的大学生参与其 中。 在准备比赛的过程中，小组成员需要掌握多学科的知识，其中涵盖了机械、 电子、自动化、计算机等。经过半年的学习制作，我们学习到了电路设计、编 程、软件仿真、系统调试等多方面的知识，通过比赛也锻炼了我们系统设计、 团队合作、解决问题的能力，对今后的学习与工作都有重大意义。 该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡 尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国 30
6、 个省市自治区近 300 所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008 年起被教育部批准列入国 家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函200730 号 文） 。全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括 港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区 的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光 电组、摄像头组、电磁组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不 同组别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、 专家主办、学生主体、社会参与”的 16 字方针，充分调动各方面参与的积极
7、 性。全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的 10 月份公布次年竞赛的题目和组 织方式，并开始接受报名，次年的 3 月份进行相关技术培训，7 月份进行分 赛区竞赛，8 月份进行全国总决赛。 第十届飞思卡尔杯大学生智能车竞赛共有摄像头、光电、电磁三个组别， 摄像头与光电组由三人一队参加比赛，尔电磁组由四人一队参见比赛。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、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等。 制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识
8、别道路行驶， 以用时的多少来决定比赛的成绩。2第二章第二章 智能车整体设计智能车整体设计2.1 系统结构框图本队所设计的智能车是以飞思卡尔公司提供的 32 位微处理器 Kinetis60 为核心控制单元，通过 SONY CCD 摄像头获取 PAL 制式信号，LM1881 进行视频同步分离 TLC5510 进行 AD 转换，同时输入到单片机得到图像，通过算法提取赛道黑边线，再进一步得出赛道的中心，根据小车自身的姿态与赛道中心之间的偏差通过 PD 控制舵机进行转向。通过编码器实时反馈电机转速，并对小车进行速度控制。同时，我们也设计了一些调试模块以便对小车进行更加方便的调试。系统框图如图 2.1 所
9、示：图 2.1 智能车系统框第二章：智能车整体设计32.2 车模整体布局本届比赛摄像头组采用的是东莞市博思电子数码科技有限公司生产的 C 车模，有关赛车整体结构布局，我们的主要思路是：1.车模重量尽量轻，车模底盘尽量低；2.车模重心靠近车模中心稍靠后的位置，重心尽量低；3.电路板按功能模块化处理，主电路板在功能完备前提下尽量小；4.摄像头支架位于车模中间偏后位置，减少赛车前方盲区；5.架高舵机，加长舵机连杆，提高舵机响应速度。图 2.2 车模整体布局图4第三章第三章 机械结构调整机械结构调整3.1 智能车参数要求1.车模宽度小于等于 250mm，车模长度小于等于 400mm，高度没有限制；2.
10、伺服电机数量不超过 3 个。除了原车模配置的转向舵机之外，新增加的舵 机的型号必须是由广东博思公司提供的舵机 FUTABA3010 或者由北京科 宇通博科技有限公司提供的 S-D5 舵机；3.传感器数量不超过 16 个。3.2 机械结构调整说明智能车的机械结构对其行驶性能有很重要的影响，尤其体现在高速下，机械结构的细微变化都会带来很大的变化。为了让智能车在所有赛道上都能稳定的行驶，我们对其机械结构进行了调整，其中包括：舵机安装、前轮调整、摄像头支架、编码器安装。3.3 舵机安装原车模舵机为卧式安装，由于本次比赛禁止改动舵机模块本身，但对于舵机的安装方式，输出轴的连接件没有任何限制，为了得到更快
11、的响应速度，只能增加舵机工作电压或增加舵机输出力矩，而过大的增加舵机工作电压可能导致舵机在高负载运行下烧毁。最终决定将舵机竖放并且架高，增加了一定的力矩。图 3.3 舵机安装第三章：机械结构调整53.4 前轮调整车模前轮对车模转向有着很大的影响，尤其在高速状况下，细微的调整可 能会带来很大的改变。 经过阅读大量技术报告结合实践检验我们最终将前轮调整为： 1.前束角：3； 2.前轮外倾角：-3 3.主销后倾角：通过垫片调整。图 3.4 前轮调整图第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告63.5 摄像头支架摄像头支架是否稳定直接影响到采集信号的稳定性，我们选用质量轻强度高的碳素杆。并且在车后方加斜拉
12、杆用来稳定支架。摄像头连接架用铝与尼龙制成，方便调节，但其带来的缺点是重量较重，有待改进。图 3.51 摄像头支架底座图 3.52 摄像头连接架第三章：机械结构调整73.6 编码器安装为了获取可靠地速度返回值，要求编码器安装一定要稳固，因此，我们设 计了编码器支架，可以使编码器齿轮与电机齿轮很好的啮合。图 3.6 编码器支架8第四章第四章 硬件系统设计硬件系统设计对智能车来说，一个稳定可靠的硬件系统是顺利完成比赛的基础。为此，我们小组成员花费大量时间用于设计与改进硬件系统。最终，我们确定了一套稳定可靠的硬件系统。4.1 单片机最小系统单片机最小系统是整车的核心，我们使用的是飞思卡尔公司的MK6
13、0DN512ZVLQ10 单片机，144 引脚封装，对比了我们买到的最小系统板，我们决定自己设计最小系统板，这样的好处在于可以将一些不常用的引脚不引出来，可大大缩小最小系统板的体积，同时可以将一些常用的模块集成到最小系统板上，我们将蓝牙与 OLED 显示模块集成在了其上。图 4.1.1 最小系统板原理图第四章：硬件系统设计9图 4.1.2 最小系统板 PCB 图4.2 电源模块各个电路模扩稳定工作的基础是稳定的供电，我们使用的总电源为组委会 提供的 7.2V 镍镉电池，实际上充满电时其电压可达到 8.0V-8.4V，这就要求了 我们的供电模块在输入电压有浮动时输出电压要保持恒定。同时我们为了避
14、免 各个模块工作时对其他模块造成干扰，我们对每个主要模扩进行单独供电。图 4.2 电源管理系统框图第十届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告104.2.14.2.1 最小系统供电最小系统供电3.3V 最小系统供电由 ASM1117 稳压芯片提供，纹波满足我们的要求，对负 载变化也能迅速做出反应。我们选用它单独为 K60 最小系统供电。图 4.2.1 ASM11173.3V4.2.24.2.2 编码器供电编码器供电5.0V编码器供电由 ASM1117 提供。图 4.2.2 ASM11175.0V4.2.34.2.3 图像图像 ADAD 转换供电转换供电图像 AD 转换部分由 LM1881、TLC55
15、10、12MHZ 晶振组成，在整个主板上属 于高频部分，要求供电稳定切纹波较小。我们选用了低纹波的 TPS7350 稳压芯 片用于此处。图 4.2.3 TPS7350第四章：硬件系统设计114.2.44.2.4 摄像头供电摄像头供电SONY CCD 要求 12V 供电，经过测试，我们发现供电纹波直接影响到图像采 集质量，纹波大时，椒盐噪点较多，这就要求升压芯片输出电压一定要稳定且 纹波较小。我们有两种芯片可用于升压，一是 MC34063，二是 LM2577。经过对 比发现，MC34063 的输出电压在输入电压恒定时恒为 12V，但是输入电压不稳 定时，其输出电压也会大幅波动，而 LM2577
16、可以带来恒定电压输出，即使输 入电压有大幅度波动，我们选用了 LM2577 作为摄像头供电芯片。而纹波问题 我们通过输出端加大容量滤波电容并联小容量电容得以有效解决。图 4.2.4 LM25774.2.54.2.5 舵机供电舵机供电本次使用的 C 车模用的是 S3010 舵机。我们要求舵机要有较快的响应速度，而提高舵机响应速度就是增加舵机内部电机转速。常见舵机电机一般都为永磁直流电动机，如直流有刷空心杯电机。舵机电机控制实行的是电压控制模式，即转速与所施加电压成正比，驱动是由四个功率开关组成 H 桥电路的双极性驱动方式，运用脉冲宽度调制（PWM）技术调节供给直流电动机的电压大小和极性，实现对电动机的速度和旋转方向（正/反转）的控制。电机的速度取决于施加到在电机平均电压大小，即取决于 PWM 驱动波形占空比（占空比为脉宽/周期的百分比）的大小，加大占空比，电机加速，减少占空比电机减速。所以要加快电机转速：1、加大电机工作电压；2、降低电机主回路阻值，加大电流；组委会要求不可改动舵机内部结构，我们在尝试增大电压驱动舵机
