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1、第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校： 北京科技大学天津学院队伍名称： 北京科技大学天津学院雷霆队参赛队员： 齐亚楠 赵泽中 马婧带队教师： 焦万铭全国大学生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五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关于保留、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： III目录引言III 系统设计思路
2、11.1系统分析11.2系统结构图1 硬件电路设计32.1硬件电路设计方案32.2硬件电路实现32.2.1最小系统板42.2.2主板52.2.3摄像头82.2.4速度传感器8 软件设计93.1 舵机转向和速度调节的PID控制算法93.1.1 经典PID控制算法介绍93.1.2 经典PID控制算法的应用113.2 具有一定抗干扰和抗反光能力的黑线提取算法13 机械结构调整及优化174.1车体机械建模174.2转向舵机机械结构的调整184.3底盘高度的调整18 系统开发及调试195.1 开发工具195.2 调试过程195.2.1串口通信205.2.2图像显示235.2.3图像处理功能245.2.4
3、平台实际效果测试26结论29参考文献30附录：模型车的主要技术参数32引言全国大学生智能汽车比赛是经全国高等教育司研究，委托高等学校自动化专业教学指导分委会主办的，旨在培养创新精神、协作精神，提高工程实践能力的科技活动。比赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机HCS12X开发板、开发软件Code Warrior和在线调试工具的基础上制作一个能够自主识别路线的智能车，它将在专门设计的跑道上自动识别道路行驶。中心目标是不违反大赛规则的情况下以最短时间完成单圈赛道。这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，
4、以及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。第一章 系统设计思路 系统设计思路1.1系统分析全国大学生智能汽车竞赛由大赛组委会统一提供竞赛车模，参赛队伍以飞思卡尔公司生产的微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、驱动电机和转向舵机的控制等，以比赛完成时间短者为优胜者。其中赛道是白色底板铺设黑色引导线，赛道宽度不小于50cm，黑色引导线宽度为25mm。我们分析了前几届比赛的各个队伍的优缺点，并展望了智能车的发展方向，比较了光电传感器和CMOS图像传感器的优缺点。红外传感器相
5、对简单，程序处理也相对简单，但是前瞻距离小；CMOS图像传感器前瞻距离大，采样信息量大，便于分析前方路径信息，但是其程序处理相对复杂，时序控制要求严格，对单片机速度要求较高。在这种竞速的比赛中，因为智能车系统在动作决策方面会有一定的延时，因此要想让车跑的更快，车的前瞻是个很重要的因素。而且，对前方路径分析越清楚，那么动作决策的灵活性就越好。基于以上的考虑以及今后技术发展方向，我们决定采取以CMOS图像传感器为基础的智能车系统。1.2系统结构图本智能车系统以MC9S12XS128单片机为核心控制单元，采用摄像头作为识别赛道的传感器，使用由AD8032组成的滞回比较器对摄像头输出的模拟图像信号进行
6、二值化，提取黑色引导线，通过光电编码器检测模型车的速度，使用PID闭环控制算法，通过PWM波调节驱动电机的转速和转向舵机的角度。此外，使用无线模块进行智能车与上位机之间的通信，方便测试。我们设计的系统结构图如图2.1所示，力求简单高效，在满足比赛要求的情况下，使硬件结构最简单。图1.1 智能车系统结构图1 硬件电路设计 硬件电路设计2.1硬件电路设计方案依据系统设计思路及结构图，我们开始设计硬件电路，并既定了系统设计目标：稳定、简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。稳定性是系统设计的基础，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性测试，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与
7、模拟电路分开，使本系统工作的稳定性达到了设计要求。简洁是指在满足了稳定的基础上，为了尽量减轻整车重量，降低车体重心位置，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。我们在对电路进行详细彻底分析后，对电路进行了大量简化，并合理设计元件排列和电路走线，使本系统硬件电路部分的重量、面积都达到了设计要求。2.2硬件电路实现整个智能车控制系统由两部分组成的：以MC9S12XS128单片机为核心的最小系统板、主板。最小系统板可以插在主板上组成信号采集、处理和电机控制单元。主板上包括各种接口和电机驱动等。智能车系统硬件电路实物如图2.1所示。图2.1 智能车硬件
8、电路2.2.1最小系统板单片机最小系统板使用MC9S12XS128单片机，112引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括两路PWM接口，一路计数器接口，一路外部中断接口，17路普通IO接口。其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、BDM接口。为提高系统工作稳定性，我们使用有源晶体振荡器为单片机提供时钟。为简化电路，我们取消了复位按键和串行通讯接口电路中的TTL电平与RS-232电平转换电路。单片机最小系统板电路原理图如图2.2。图2.2 单片机最小系统板电路原理图单片机引脚规划如下：PB0：奇偶场信号输入。PB2-PB3：拨码开关用于模式选择。PA
9、6：跳线。IRQ：行同步脉冲输入信号。PT0：光电编码器脉冲输入信号。PWM7：舵机角度控制信号输出。PWM5：电机速度控制信号输出。2.2.2主板主板上装有组成本系统的主要电路，它包括如下部件：电源稳压电路、视频同步分离电路、比较器器转换电路、摄像头接口、舵机接口、电机驱动电路、编码器接口、键盘接口、监控模块接口、电源接口、单片机最小系统板插座、跳线、指示灯、按键、开关等。1)、电源稳压电路为了将电压纹波降低以减小对系统电路的影响，我们决定使用DC-DC电源模块，选型后我们决定使用型号为WLB0505CS2W的电源模块，其纹波电压仅有5mV。电源稳压电路原理图如图2.3。图2.3 电源稳压电
10、路2)、视频同步分离电路我们的智能模型车自动控制系统中使用黑白全电视信号格式CMOS摄像头采集赛道信息。摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。因此，若要对视频信号进行采集，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。我们使用了LM1881芯片对黑白全电视信号进行视频同步分离，得到行同步、场同步信号。视频同步分离电路原理图2.4所示。图2.4 视频同步分离电路3)、外部比较器电路外部比较器电路原理图如图2.5所示。图2.5 外部比较器转换电路除以上三部分外，主板上还具有摄像头、舵机、电机
11、驱动器、编码器、键盘、监控模块、电源、单片机最小系统板等设备的接口，并准备了若干指示灯、按键、跳线、开关等用于系统调试。主板完整电路原理图如图2.6所示。图2.6 主板原理图4)、电机驱动电路电机驱动板为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四支N沟道功率MOSFET管组成，额定工作电流可以轻易达到10A以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成： PWM信号输入接口、逻辑换向电路、死区控制电路、电源电路、上桥壁功率MOSFET管栅极驱动电压泵升电路、功率MOSFET管栅极驱动电路、桥式功率驱动电路、缓冲保护电路等。电机驱动板电路原理图如图2.
12、7所示。图2.7 电机驱动板电路2.2.3摄像头本智能车寻线采用CMOS图像传感器方式，普通单板摄像头。普通CMOS图像传感器通过行扫描方式，将图像信息转换为一维的视频模拟信号输出。CMOS输出的信号变化很快，比如PAL制式的视频信号，每秒钟输出50帧图像信息（分为奇、偶场），每帧图像有312.5行，每行图像信号时间为64微秒，其中有效的图像信号约为56微秒左右。具体参数如下：摄像头参数：320线；照度：0.5LUX；输出制式：PAL制式标准视频信号；镜头及视角：3.6mm 92；供电电压/消耗功率：9V 100mA。2.2.4速度传感器考虑到智能车对反映实时车速的控制信号波形要求不是太高，因
13、此在满足比赛要求的基础上，我们尽量简化速度传感器，使用了自制的光电编码器来测速：在直径为30mm的圆盘上利用线切割加工出100个细缝，使用红外光电对射管作为采集码盘脉冲可鉴向的传感器，电路如图2.8所示。图2.8 光电编码器电路33 软件设计 软件设计在高效的硬件电路的基础上，高效的软件程序是智能车平稳快速寻线的保障。本智能车采用CMOS摄像头作为寻线传感器，图像采集处理作为软件的核心，是软件系统的重要组成部分。在智能车的转向和速度控制方面，我们使用了经典PID控制算法，使智能车寻线达到了稳定快速的效果。3.1 舵机转向和速度调节的PID控制算法3.1.1 经典PID控制算法介绍PID控制是工
14、程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。单位反馈的PID控制原理框图如图3.1：图3.1 单位反馈的PID控制原理图单位反馈e代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制器，控制器算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号进行线性组合，得到输出量u。其中， 、 、 分别称为比例系数、积分系数、微分系数。u接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号,这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误差信号，这个过程就这样周而复始地进行。PID各个参数作用基本介绍：增大微分项系数可以加快动态系
15、统响应，但容易引起震荡。一般增大比例系数能够减小上升时间，但不能消除稳态误差。增大积分系数能够消除稳态误差，但会使瞬时响应变差。增大微分系数能够增强系统的稳定特性，减小超调，并且改善瞬时响应。对连续系统中的积分项和微分项在计算机上的实现，是将上式转换成差分方程，由此形成数字PID调节器，分为位置式和增量式。1)、位置式PID控制算法用矩形数值积分代替上式中的积分项，对导数项用后向差分逼近，得到数字PID控制器的基本算式（位置算式）：其中T是采样时间，、为三个待调参数，我们在实际代码实现算法时，处理成以下形式：PreU = Kp * error + Ki * Integral + Kd * derror2)、增量式PID控制算法对位置式加以变换
