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1、第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 技 术 报 告学校：燕山大学队伍名称：燕鸣参赛队员：丁兆环 王争 张暖带队老师：宋俊杰呼忠权2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邀请 赛有关保留、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目录第一章引言41.1“飞思卡尔杯”智能车比赛介绍. 41
2、.2 第九届比赛规则介绍5第二章 智能车整体设计62.1 车模改装82.2 传感器安装102.3 电池的安放.12第三章 传感器选择和布局14第四章 硬件电路模块设计194.1 MCF52259 控制器模块.194.2 加速度计陀螺仪模块.214.3电源控制模块.224.4测速反馈模块.254.5电机驱动模块.254.6液晶显示与串口、键盘模块、拨码开关.27第五章软件部分设计295.1 软件功能与框架295.2 主要算法及其实现335.3 图像处理与路径优化41第六章开发与调试446.1 开发环境.446.2 程序下载.456.3 调试.47第七章总结48参考文献49附录 A图像校正 mat
3、lab 程序.50第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告4第一章第一章引言引言这份技术报告中，通过对小车整体设计思路、电路设计、算法策略及调试参数的介绍，详尽地阐述了我们的想法，具体表现在机械、电路的独特设计，以及算法方面的创新想法， 而对车模具体参数的调试我们也付出了很大的精力。这份报告凝聚着大家的心血和智慧，在此要感谢学校的大力支持及老师的悉心教导，特别感谢和我们一起协作的队员们，协助，互促，共勉使我们走到了今天。1.1“飞思卡尔杯飞思卡尔杯”智能车比赛介绍智能车比赛介绍本文以第九届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，该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
4、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，为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在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。智能车系统有着极为广泛的应用前景。 结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；它也可以工作在仓
5、库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告51.2 第九届比赛规则介绍第九届比赛规则介绍本届比赛， 摄像头平衡组采用车模直立行走的方式， 使用 D 型或 E 型车模。车模运行时只允许动力轮着地，车模直立行走，车模运行方向为双向。图 1-1摄像头平衡组车模运行模式摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段。第九
6、届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6第二章第二章 智能车整体设计智能车整体设计赛车共包括五大模块： 摄像头模块、 加速度计陀螺仪模块、 mcf52259 模块，电机驱动模块，电源管理模块。道路检测传感器模块： 我们这一届没有沿用往届的 SonyCCD 摄像头， 而采用了 ov5116 当时主要考虑到:1.ov5116 质量比 SonyCCD 轻不少，可以降低车子的重心；2.直立小车速度较四轮车慢， SonyCCD 高速下动态性好的优点发挥不出来；3.ov5116 功率较 SonyCCD 小，实现低功耗。图 2-1摄像头实物图加速度计陀螺仪模块： 我们的加速度计用的龙邱公司产的 MMA7361
7、模块；陀螺仪和往届不同我们选择了性能较好的 l3g4200d 三轴加速度计模块；以下是我们加速度计陀螺仪模块的电路图和实物图：第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告7图 2-2加速度计陀螺仪实物图图 2-3加速度计陀螺仪电路模块第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告8MCF52259 模块：我们的 52259 是买的龙丘的模块，自己开始的时候我们用的 128 作为自己的主控芯片，但是用的时候觉得 128 资源较少，内存太少，速度较慢，并且没有 DMA 模块，所以最后 MCF52259 作为自己的主控芯片。电机驱动模块：我们电机驱动用的是 2104 芯片和 4184 场效应管自己搭建的 H 桥驱
8、动模块。2.1 车模改装车模改装1)固定车模底盘与后轮支架固定车模底盘与后轮支架原有车模底盘材质较软，车跑过程中容易前后摆动，为了保证车模直立车体稳定性，需要将原有车模底盘与后轮支架用碳杆固定在一起。这样后轮与车体之间形成一个刚体，便于进行直立控制。图 2-4车模实体第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告92) 加固电机加固电机E 车模的电机固定非常单薄，多次晃动之后极易脱落，造成电机摇晃。因此，我们直接使用热熔胶对电机固定，起到保护电机和车体的作用。2.2 传感器安装传感器安装车模中的传感器包括有：速度传感器，车模姿态传感器（陀螺仪、加速度计） ，以及摄像头的安装。下面分别介绍这些传感器的安
9、装。2.2.1 速度传感器安装速度传感器安装E 车模上有专门的编码器支架，所以编码器是用螺丝固定在专门定制的支架上，支架与车体的固定则车子侧面的两个螺丝孔。图 2-5固定编码器2.2.2 摄像头安装摄像头安装我们将摄像头用一根短细碳杆固定在车顶，旁片用两根碳杆加固，形成稳定的三角支撑，这样可以使车模的重心进一步降低，也可以选择到合适的前瞻和盲区。第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告102.2.3 车模倾角传感器车模倾角传感器车模倾角传感器包括陀螺仪和加速度计。它们都是表贴元器件，固定在同一电路板上。将这块带有陀螺仪和加速度计的电路板固定在整个车模中间质心的位置，这样可以最大程度减少车模运行时
10、前后振动对于测量倾角的干扰。安装角度传感器电路板时应该尽量保证陀螺仪传感器水平安装。图 2-6l3g4200d 陀螺仪如果陀螺仪安装不能够保证水平，则会影响车模过弯道时的速度。表现为车模在过弯道时速度变快或者变慢。分析车模在过弯道使得运动，车模在过弯道时同时具有两种运动：平动和转动。其中转动会带动陀螺仪转动。如果陀螺仪安装不是绝对的水平， 那么这个转动就会在陀螺仪的 Z 轴方向存在一个分量。根据陀螺仪倾斜的方向不同，这个分量有可能是正，有可能是负。从而会使得车模控制“仿佛感觉到在上坡或者是在下坡”，引起车模的速度变慢或者变快。第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告11ENC-03ENC-03E
11、NC-03车模转动车模 平动车模过弯道车模转动陀螺转动正分量陀螺转动负分量在陀螺水平位置 上没有转动分量陀螺安装倾斜安装的 陀螺仪图 2-7陀螺仪安装倾角影响车模过弯道2.3 电池的安放电池的安放我们主要考虑以下几个方面：1 根据实际经验，车体重心并非越低越好，重心太低反而速度不好控制。2 转向转动惯量越小，车模越好转弯3 车模直立起来，摄像头可以有较小的盲区。所以，我们最终选取了如图所示的，把电池竖直安放，减小了转向的的转动惯量，适当的提高了重心。图 2-8电池位置示意图第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告12第三章第三章 传感器选择和布局传感器选择和布局我们选择的是岱默生产的 ov511
12、6 做的摄像头传感器模块，现在就来简单讲述下摄像头和其使用方法。本文不再讲述线性摄像头基本原理，基本原理大家可阅读芯片手册，本文重点介绍使用摄像头时需要考虑的一些问题及注意事项， 并给出了参考解决方案。 旨在让大家更有效地使用和深入研究 ov5116 模块。对于摄像头的选择，我们主要考虑以下几个参数：1 芯片体积大小2 自动增益3 分辨率4 最小照度5 信噪比6 功耗7 扫描方式我们分别尝试了 CCD 摄像头与 CMOS 摄像头， 数字摄像头与模拟摄像头。最终决定用模拟 CMOS 的 OV5116 摄像头。以下是我们所尝试的几款摄像头。SONY CCD 参数如下：CCD 类型：1/3 Sony
13、 960H CCD Sensor尺寸大小：38mm*38mm 和 32*32mm总像素：PAL：1020H596V(61 万像)NTSC：1020H508V (52 万像)有效像素：PAL：976H582V (57 万像)NTSC：976H494V (48 万像)信号制式：PAL/NTSC分辨率（水平中心） ：720TVL数字降噪：2D 数字降噪（2DNR）支持 015 的 16 等级可调节照度：0.003LUX最低照度：0.01LUX/F1.2信噪比：48dB视频输出幅度：1.0Vp-p/75自动增益控制：最高可达到 55dB第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告13SONY CCD 由 1
14、2V 供电，功耗 70mA(12V)，发热较大，并且体积大，架在车上重心偏高不利于车子稳定运行，最终放弃使用。除了 SONY CCD 摄像头外还尝试了 OV7960 与 MT9VV136。 这两者都支持SCCB 通信，可以通过编程调节摄像头的性能参数。图 3-1OV7960 原理图第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告14图 3-2MT9VV136 原理图虽然这些摄像头性分辨率都高于OV5116,并且OV5116动态性能不如前者，但对于只要能分辨出黑白赛道的智能车竞赛，OV5116 就足已满足需求了。反而其它几款摄像头增加了系统的功耗，所以我们最终选用了 OV5116 黑白摄像头。Ov5116
15、 模块硬件接口较为简单，只有一根模拟信号线，可以直接接单片机AD 口， 但是单片机 AD 口本身速率较低， 所以应当换用外部快速 AD 或者比较器硬件二值化，最终我们考虑到硬件的的复杂度选用了硬件二值化。第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告15第四章第四章 硬件电路模块设计硬件电路模块设计4.1 MCF52259 控制器模块控制器模块整个系统的核心控制采用 Freescale 的 MCF52259 型号 32 位单片机，3.3V电压供电。单片机内部资源有：512KB 的 FLASH、64KB 的 RAm,总线频率为80MHz，内部有 CAN 总线、SCI、SPI，16 路 12 位 A/D、
16、8 路 8 位 PWM 输出（在实际使用时，为了提高输出精度将两路 PWM 合并为一路则有 4 路 16 位PWM 输出） 、16 位定时器、4 路 PIT。可见，此单片机有很丰富的资源，可以满足真个系统的需求。12 位 A/D 工作时钟最大可以达到 8M，满足信号采样的需求； 4 路 PIT 可以实现对脉冲信号的上升沿和下降沿捕捉； 丰富的 I/O 口资源能够扩展外部设备，如键盘、LCD、LED。单片机最小系统原理图如图 4-1 所示：图 4-1 MCF52259 单片机最小系统原理图第九届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告16在本次智能车设计中，使用了单片机内部 PWM 模块、脉冲捕捉模块、A/D模块、SCI 模块、SPI 模块及 I/O。两路 PWM 输出频率为 10KHz 的信号，当 A路输出低电平，B 路输出 PWM 信号时电机实现正转，通过改变正脉宽可以实现电机转速调节。当 A 路输出 PWM 信号，B 路输出低电平时则实现电机反转，用于减速控制。脉冲捕捉模块配置为上升沿、下降沿检测方式，用于捕捉编码器输入脉冲数，通过测量输入脉冲得到智能车运动速率。A/D 模块
