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1、第三届全国大学生“飞思卡尔，杯智能汽车竞赛技术报告学 校：深圳大学队伍名称：追梦队参赛队员：杨华良程传顺王恩指导教师：邱建郭小勤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三届全国大学生“飞思卡尔”杯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：摘 要本智能车以匕思卡尔公司提供的16 位微控制器M C 9 s 12 D G 12 8 B 为核心控制器，采 用 C
2、 C D 摄像头来识别跑道，车速检测采用欧姆龙旋转编码器，利用MO S 管搭建H 桥电路来控制驱动电机正反转的快速切换，配合电机、舵机、电池等组成的系统电路进行信息处理，控制模型车高速稳定地在跑道上行驶。实验结果表明，系统设计方案可行。关键词：MC9S12DG128B,CCD摄像头，MOS管目 录第1章 引 言.11.1 智能车对赛道信息的采集.21.2 利用控制器对采集到的数据进行分析.31.3 对采集到的图像进行分析，识别起跑线.31.4 智能车的整体控制策略.31.5 智能车主要执行单元.3第2章 智能车整体设计方案的概述.172.1 智能车系统设计的分析.52.2 智能车系统设计的结构
3、图.6第3章 智能车机械部分的设计.93.1 前轮主销后倾角调整.93.2 前轮主销内倾角调整.113.3 车底盘与地面距离的调整.123.3.1 车前轮部分离地面的调整.123.3.1 车后轮部分离地面的调整.123.4 车后轮距的调整.133.5 车模转向机械结构的设计.143.6 车模测速机构的设计.15第4章 智能车硬件设计方案.错误！未定义书签。4.1 硬件方案设计概述.错误！未定义书签。4.2 硬件电路的实现.错误！未定义书签。4.2.1 以S12为核心的单片机最小系统.17V4.2.2 车的主板电路.194.2.2.1 电源稳压电路.194.2.2.2 视频同步分离电路.214.
4、2.3 电机驱动电路.224.2.4 速度传感器.234.3 摄像头概述.244.4 无线传输模块.25第五章智能车速度控制方案的设计.275.1 速度控制器的设计概述.275.2 电机运行速度的物理实现方案.275.3 被控对象结构及参数的确定.285.4 PID控制参数的设定.325.5 PID控制算法在单片机中的实现.33第 六 章 智能车软件设计方案.346.1 图像的采集和图像的处理.346.1.1 图像采集.346.1.2 图像的处理.346.1.2.1 黑色轨迹的寻找.346.1.2.2 弯道的识别.366.1.2.2.1 图像中有效信号的寻找.376.1.2.2.2 轨迹弯道的
5、计算.376.1.3 轨迹弯道值的补偿.386.2 上位机调试平台的设计.406.2.1 无线串口通讯模块.406.2.2 利用VISUALBASIC6.0设计小车的控制平台.406.3 智能车控制算法的设计.436.3.1 常规PID控制算法的设计.436.3.2 小车跟踪轨迹线控制算法的设计.456.3 2 1 小车 运动模型的分析.456.3.2.2 控制周期的选择.476.3.2.3 横向纠偏控制算法的设计.48VI6.3.2.4偏差量的标定.4963.2.5 PID控制算法系数整定.516.3.2.6基于图像的PID控制算法设计.56第 七 章 车模的主要技术参数.57第八章系统的调
6、试过程概述.58第九章总结.59参考文献.60附件A 原程序代码.61VII第1章 引 言随着人们生活水平的提高和现代科技的飞速发展，人们对智能化的要求已越来越高，而智能化在汽车相关产业上的应用最典型的例子就是汽车电子行业，汽车的电子化程度则被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。中国教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，经研究决定，委托教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛，并成立了由教育部、自动化分教委、清华大学、飞思卡尔半导体公司等单位领导及专家组成了组委会。全国大学生智能汽车竞赛由飞思卡尔公司提供统一的标准硬软件技术平台。各参赛队以飞思卡
7、尔1 6位单片机M C 9 s 1 2 D G 128 B为核心控制模块，以引导改装后的模型汽车按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。智能车(i n te l l i g e n t ve h i c l e)又叫轮式移动机器人，是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。本队制作的智能车以16位单片机M C 9 S 12D G 128 B为控制系统核心，利用C C D视频传感器采集路径信息，经过系统处理，识别当前路径情况，做出判断决策，从而给出相应的P W M信号，通 过M O
8、 S管建立的H桥电路驱动直流电机以合适的速度行驶，同时，控制舵机转出相应的角度，使智能车能够稳定地沿着跑道行驶。在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。这份技术报告中，我们通过对智能车的整体设计方案、系统电路、控制算法、调试方法以及车辆参数进行介绍，并详尽地阐述了我们的思想和创意,具体表现在S 12最小系统的设计，电机驱动电路的创新设计，测速装置的设计与安装，舵机系统的固定设计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
9、血和智慧，是我们共同努力后的成果。第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图 1.1车模的整体图片1.1智能车对赛道信息的采集今年比赛是分两组进行的，即摄像头组和光电管组，所以对赛道的信息采集主要有两种方式。它们分别是：（1）用摄像头完成对道路的拍摄后把图像信息传入处理系统。（2）用光电传感器把不同位置的道路情况转化为数字量或模拟量传入处理系统。采集信息的快慢及准确程度直接决定了后续工作能否顺利进行，这是智能车设计种非常重要的一步工作。所以道路信息采集工作的核心是找到一种相对高分辨率、高速度的数据采集方法为分析工作及时提供准确的数据。2第 1章引言1.2 利用控制器对采集到的数据进行分析CCD采集
10、到的数据通过PAD 口输入到单片机中后，将根据采集的方法不同来对其进行运算，以得到小车与赛道的相对位置关系及相对运动关系，如果考虑道路信息的历史记录或利用摄像机的话也可以得到道路弯直，曲率等更进一步的信息。分析是上层控制算法的基础，根据摄像头安装位置，获得的图像质量是不一样的。分析的目的是从综合考虑了上述因素安装的摄像头拍摄图像中获取尽可能多的有用信息。1.3 对采集到的图像进行分析，识别起跑线小车顺利沿跑道跑完两圈，然后在起跑线三米以内的范围停车，这是今年比赛新加入的规则。要达到自动停车的功能，对智能车摄像头的安装高度,俯仰角，对焦距和清晰度有很高的要求，同时对程序的算法也是一种挑战。车在行
11、驶的过程中可能会把各种干扰信号当成起跑线，造成在没有跑完赛道的情况下停车，很大程度上加大了比赛的冒险性，同时比赛的难度也得到了提升。1.4 智能车的整体控制策略根据采回的数据和微控器对数据的进行处理，我们可以利用已知信息来完成对智能车控制指令的输出。但如何能够达到“智能地”让车模完成对赛道的判断将成为难点。我们的主要目标是：根据道路趋势来制定策略，在不违规的前提下缩短行驶距离，消除车体产生的振荡现象，尽量减轻车身的重心，加快调节的响应速度等。1.5 智能车主要执行单元智能车的执行机构主要涉及一些硬件电路问题和一些机械传动问题。它保证控制系统发出的指令被正确可靠执行。实践证明：执行部件对发热，对
12、3第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告大电流的较强的承受能力和各连接部位之间的良好的润滑应该是这部分所要考虑的主要问题。例如电机的发热，驱动的电路电流的大小，传动机构的润滑性等。五个步骤中的难点主要集中在于第二步与第四步数据的分析与控制策略的制定，实际上小车的适应性和极限速度很大程度上是由它们决定的。除此之外，必要的显示机构对车模的调试会产生积极的作用。如，可以通 过LED或LCD表示车模决策的情况及对道路识别的结果。甚至可以通过存储介质或利用无线通信的方式把车模运行情况全部记录下来。这样在调试阶段可以更为充分地掌握策略制定和执行的细节。4第2 章智能车整体设计方案概述第2章智能车整体设计方案
13、概述2.1 智能车系统设计的分析今年比赛和以往两年最大的差别是光电管组和摄像头组分开来进行比赛，这样在比赛中就不存在摄像头和光电管对路径识别的优缺点所带来的误差，提高了比赛的公平性。智能车竞赛要求设计一辆以组委会提供车模为主体的可以自主寻线的模型车，比赛最后成绩按单圈最快时间来计算。我们分析了以往两届决赛各个队伍的优缺点，分析了两种传感器的特点和应用范围，并展望了智能车发展方向，比较了光电传感器和CCD图像传感器的优缺点。红外传感器相对简单，程序处理也不是很复杂，但是前瞻距离很小，安装排位相对麻烦；CCD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，安装相对简单，但是其程序处理相对
14、比较复杂，时序控制要求很严格，对单片机速度的要求较高。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，车的前瞻性是个很重耍的因素。而 月 一，对前方路径分析的越清楚，那么动作决策的灵活性就越大，你可以根据前面的数据做出适当的速度和角度的控制策略。基于以上的考虑和以及以后的技术发展方向，我们决定采取以CCD图像传感器为基础的寻线系统。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，编码器检测车速，为 S1
15、2单片机控制提供有效的小车状态量，转向和车速；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加上预啸控制；根据设计要求，系统可总体分为电源管理部分、控制执行部分、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、驱动电路5第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告模块、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。2.2 智能车系统设计的结构图按照预先的设计，我们设计了整个系统的结构图。系统力求简单高效,在满足比赛要求的情况下，使硬件结构最简单，减少因硬件而出现问题。图 2.1 智能车系统的结构图6第 2 章智能车整体设计方案概述图 2.2
16、智能车系统的电源模块结构图7第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告8第 3 章智能车机械部分的设计第3章智能车机械部分的设计为了使车能够更稳定的高速运行，在比赛备战之初，我们就对这个车进行了系统的分析。今年的车模精度不是很高，因此尽量在规则允许范围内改造车模，提高车模整体精度是很必要的。另外，我们在实际调试中发现，前轮的束角和主销倾角对车的高速运行下的稳定性影响很大。高速运行下舵机的转动速度对车转向的灵活程度也起到了根本性的作用。所以，在整车的机械结构方面我们进行了三方面改进：转向机构改进、前轮束角调整、底盘高度调整3.1 前轮主销后倾角调整主销后倾角定义：上球头或支柱顶端与下球头的连线向前或后倾斜的角度，向前倾称为负主销后倾角，向后倾斜称为正主销后倾角。其功能影响转向稳定性及转向后车轮自动回正能本组将图3.1中的黄色小垫片由原来的前2后2改成图3.2中的前1后3,可使小车主销后倾角为23。增加了小车的回正力矩和直线高速行驶的稳定性。9第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图3.1前轮主销后倾角调整前图3.2前轮主销后倾角调整后10第 3 章智能车机械部分的设计3.2前轮主销内倾角调整主销
