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1、第一届 “飞思卡尔” 杯全国大学生智矣W汽车邀请赛技术报告附录B基于CCD图像的模型小车转向模糊控制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一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、 使用技术报告和研究论文的规定，HP：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：目录第一章引言1第二章模型车系统方案概述12. 1总体思路12.2设计方案2第三章模型车系统的电路设计53. 1系统便件电路的基本组成部
2、分53.2主要单元电路的设计63.2.1电源部分的单元电路设计63.2.2传感器检测部分的单元电路设计73.2.3智能控制部分的单元电路设计7第四章 模型车的安装及改装制作94. 1模型车的安装94. 2模型车的改装9第五章模型车系统的软件设计105. 1 软件主流程105.2小车的状态信息检测115. 3转向控制算法13第六章模型车系统的调试14第七章结论16参考文献16附录A部分程序源代码17附录B基于CCD图像的模型小车转向模糊控制24第一章引言在第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车比赛中，需要制作一个以 MC9S12DG128单片机（下文简称S12）为核心控制单元并可以自主识别路径的模
3、 型赛车进行比赛。赛道底色为片色，标有黑色中心线。如何准确识别道路中心 线参数（位置、角度、曲率等），计算出赛车与道路中心线的相对位置与相对角 度，是整个控制系统中的关键。为此，本系统选用面阵CCD作为路面信息检 测的传感器，通过对CCD图像传感器所摄取的路面图像进行信息处理获得路径 参数。控制策略采取了模糊控制，充分利用S12单片机内部的模糊指令。第二章模型车系统方案概述2.1总体思路使用面阵CCD进行赛道参数检测的方案，充分利用S12单片机内部硬件资 源AD模块，直接采集CCD输出的模拟信号，可以获得满足参数检测需要的图 像，计算出赛道参数，进而完成路面信息检测。利用电位器测得舵机转向，编
4、 码器测得车速，为S12单片机控制提供有效的小车状态量：转向与车速；控制 策略采用了两种控制方法：基于路径偏差、车模姿态的比例微分+预瞄控制；多 维模糊控制。并充分利用S12单片机内部的模糊指令，简化了软件设计，提高 了运行速度。根据设计要求，系统可总体分为电源管理部分、控制部分、信号检测部分 和通讯及调试部分。其中控制部分包括：控制器模块、驱动电机模块、舵机转 向模块。信号检测部分包括：道路信息检测模块、方向角检测模块、速度检测 模块。各模块的功能关系、逻辑关系如下：道路信息检测模块为控制器模块获取 路径参数，提供小车与跑道的位置信息；控制器模块则根据控制策略对驱动电 机模块和舵机转向模块输
5、出合适的控制信号；而方向角检测模块与速度检测模 块测得描述小车运行的状态量：舵机转动的方向与角度、小车后轮的转速，并 反馈给控制器模块；通讯及调试部分用于在线与控制器通讯并调整控制器的有 关参数；电源管理模块为各模供电。系统的方框图如图1.1所示。图2.1系统方框图2.2设计方案各模块的设计如下：1）控制器模块控制器主要用于各个传感器信号的接收和处理、控制小车舵机转向与驱动 电机速度等。该模块的核心是S12单片机。2）驱动电机及转向舵机驱动模块驱动电机及舵机控制均采用S12单片机的PWM驱动方式。其中，直流驱动 电机采用飞思卡尔公司的电机驱动芯片MC33886o3）路面信息检测模块路面信息检测
6、模块要能够实现检测路径参数。检测路径传感器采用CCD图 像传感器。普通CCD传感器图像分辨率都在300线Z上，远大于光电管阵列。 通过镜头，可以将车模前方很远的道路图像映射到CCD器件中，从而得到车模 前方很大范围内的道路信息。对图像中的道路参数进行检测，不仅可以识别道 路的中心位置，同时还可以获得道路的方向、曲率等信息。利用CCD器件，通 过图像信息处理的方式得到道路信息，可以有效进行车模运动控制，提高路径 跟踪精度和车模运行速度。4）方向角检测模块采用电位器检测舵机的转角与转向。电位器选用了口本Sakae精密单圈线 绕电位器，该电位器主要的有关参数如表1.1所示。表2. 1电位器的主要参数
7、封装阻值功率机械行程重量寿命轴套安装200 Q0. 5W360 （连续旋转）30g1, 000, 000 转电路连接简单，使用方便。通过电位器把舵机的转角与转向变成模拟的电压 信号，经单片机内的ADC采集，可以得出较精确的数值。5）速度检测模块该模块釆用编码器检测小车的速度。编码器选用了日本SES-17编码器。该 编码器的主要参数如表1.2所示。表2.2编码器的主要参数电源电压电流消耗输出脉冲数输出相输出波形最大允许旋转速度许可载荷起动扭矩相位差重量DC5V30mA200A,B相近似A、B相60001.90.3 X20g10%(LED:正弦差90。/minN103Nm20mA)波该编码器为增量
8、式编码器，输出波形为近似正弦波，但通过比较器方便获得 脉冲信号，输入单片机的增强型捕捉功能的定时器端口即可以算得脉冲数。6）通讯及调试部分为了方便在线调试智能小车，在组委会提供的嵌入式单片机开发调试接口 模块BDM、Codewarrior基础乞上，该部分增加了无线串口通讯模块，并利用VB 软件在PC机进行相关的串口编程。7）电源管理部分电源管理主要稳压与升压两部分。智能车系统根据各部件正常工作的需要， 对配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池进行电压调节。其中，单片机 系统、方向角检测模块、速度检测模块需要5V电压，路面信息检测的视频分离 芯片LM1881工作电压范围5V到
9、12V, CCD摄像头工作电压为12V。伺服驱动 电机工作电压范围4.8V到6V,直流驱动屯机可以使用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄 电池直接供电。所以系统的电压调节如图所示。图2. 2系统电压调节图第三章模型车系统的电路设计3.1系统硬件电路的组成基于设计方案的分析，系统硬件上可分为电源管理、传感器检测、智能控 制三大部分。图3.1系统电路的硕件结构电源管理部分：系统采用了芯片LM25755.0、LM2575-ADJ MAX632分别 进行5V、6V、12V的电压调节。电源管理部分包括3个单元电路：5V稳压电 路、6V稳压电路、12V升压电路。传感器检测部分：系统采用了 CCD图像传
10、感器、电位器、增量式编码器等 三种类型的传感器，这些传感器将检测到的一系列信息（例如路面状况、舵机 的转向、车速的大小）转变为单片机可辨认的电信号。传感器数量为：3个传感 器，其中包括CCD图像传感器1个，电位器1个，编码器1个。传感器检测部 分主要包括3个单元电路：CCD视频信号分离电路、方向角检测电路、速度检 测电路智能控制部分：系统中单片机根据由传感器交换输出的信号，进行处理、 逻辑判断，控制小车的驱动电机及伺服驱动电机，从而完成对小车自动寻迹进 行智能控制任务。智能控制部分包括3个单元电路：单片机端口资源配置、电 池输出电压检测电路、驱动电机电路3.2主要单元电路的设计3. 2.1电源
11、部分的单元电路设计以下为电源部分的电路图：1) 5V稳压电路U5LM2575 5.0V图3.2 5V稳压电路图2) 6V稳压电路3) 12V升压电路330UH37680K100UF T*C18_0 1UFGND图3.412V升压电路图3. 2.2传感器检测部分的单元电路设计以下为传感器检测部分的电路图1）CCD视频分离电路12VC200.1UF图3.5 CCD视频分离电路图3）方向角检测电路VCCAN1J8SERVO_Te$tGND方向角检测电路图4）速度检测电路图3.6图3.7速度检测电路图3. 2.3智能控制部分的单元电路设计1）本设计采用组委会提供的S12电路板，单片机端口资源配置如下:
12、 AD输入端口： ANO输入视频模拟信号VIDEO；AN1输入电位器模拟电压信号；外部中断口 IRQ :输入视频行同步信号CS；数字I/O 口:PORTAO输入奇偶场信号0/E；PORTA 1 输入 MC33886 的 FS （见图 3. 9）；PORTA3输入电池输出屯压检测模块LM311的OUTPUT （见图3.8）；P0RTA6 输出 MC33886 的 D1 端口;PORTA7 输出 MC33886 的 D2 端口;PORTTO输入速度检测模块LM311的OUTPUT （见图3. 7）PWM输出端口：PWM2输出电机控制信号；PWM5输出伺服电机控制信号。2）电池输出电压检测电路RK4
13、8rfT50QZO1COKGMD图3.8电池输出电压检测电路图3）电机驱动电路与DV* 齐OUT) OVT1 DNC PGWD PQID16CHIJP3PA720亘 I?J2UOTOFJ41315IT2)图3.9驱动电机电路图第四章 模型车的安装及改装制作4.1模型车的安装按照使用说明书所述步骤，模型车的安装主要有安装舵机、调整连杆的机械 结构及改善驱动电机与后轮减速齿的啮合。4. 2模型车的改装制作改装制作包括传感器检测部分中传感器的设计安装、主电路的定位。其中, 传感器的安装包括4部分安装环节：CCD摄像头、光电管、检测舵机转向电位 器和检测驱动电机编码器的固定安装。CCD摄像头的固定安装
14、主要是设计与制作一个基座架与移件架相配合的支架。 CCD支架具体安装分别如图4.1所示；电位器安装则在底盘加钻一个3mm的定 位孔。固定于模型车的前部，通过齿轮啮合将电位器与舵机连接关系。具体安 装如图4.2所示。图4.1 CCD支架安装图图4.2电位器具体安装图编码器安装则在编码器的连轴固定一个与小车差速轮相配合的小齿轮，固定于 模型车的后部。具体安装如图4.3所示；主电路的定位则在制作PCB板时设计 四个定位孔，用于安装在模型车的支架上。具体定位如图4.4所示。图4.3编码器具体安装图4.4电路板的固定图第五章模型车系统的软件设计系统的软件设计包括小车的状态信息检测、控制算法和执行控制三人部分。 其中，状态信息检测部分包括道路信息检测、速度检测、方向角检测和电池输 出电压检测。道路信息检测由CCD摄像头视频信号采集和处理两部分组成。涉 及MC9S12DG128的ATD模块、ECT模块、PWM模块、外部中断等的使用。开发工 具是Mctrowerks的Code Warrior IDE V3. 1编译器，主要用C语言进行代码的 编写，模糊控制算法用汇编语言编写。调试工具使用清华大学摩托罗拉MCU应 用开发中心的DBM调试模块。5. 1软件主流程软件的运行主流程是：采集程序在外部中断服务程序中交替对CCD摄像头的 奇偶场视频信号
