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1、第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：西安交通大学队伍名称：星光队参赛队员：沈乃鹏王鹏许李伟带队老师：刘小勇咎鑫本文在第五届“飞思卡尔”杯全国大学社工智能汽车竞赛的背景下，在 CodeWarrior IDE开发环境中对智能车进行软件开发，通过一个CMOS摄像头进行赛道图像的采集，利用图像处理算法提取出赛道黑色引导线位置。之后根据引导线的趋势变化，给出舵机和电机控制，并采用光电编码器检测模型车当前的车轮转速给以反馈，使智能车可以沿着黑色引导线疾速行驶。智能车系统主要由核心板，电源驱动，电机驱动，舵机驱动，图像采集模块,速度反馈模块组成。由一片飞思卡尔公司的16位单片机MC9S1
2、2XS128作为控制核心，结合图像的识别与处理，通过控制算法驱动转向机构与行驶机构，达到稳定且快速行驶的目的。本文详细叙述了智能车系统各个模块子系统的原理，设计目标，设计方法与过程，以及其所发挥的作用。主要分为机械结构设计，硬件电路设计和软件系统设计三大部分。为了提高智能汽车的行驶速度和可靠性，我们对比了各种方案的优缺点，开发了 SD卡模块，能完整的记录下小车运行时的所有中间变量，极大地方便了调试。实验结果表明，我们的智能车系统设计方案稳定可行，机械结构与控制算法经过长时间的调试均达到优化的状态，系统的鲁棒性较强。经测试，目前智能车可以稳定的完成一段路况复杂的赛道，平均速度达到2.5m/s,极
3、速达到6m/so 运行稳定，达到了设计目标。关键词：智能车；MC9S12XS128；传感器；PID控制目录第一章绪论11.1 课题背景11.2 飞思卡尔智能车大赛介绍21.3 章节安排3第二章机械结构设计与实现42.1 摄像头的架设42.2 车轮定位52.3 舵机架设52.4 差速的调整72.5 测速机构设计72.6 智能车主要技术参数说明82.7 本章小结8第三章硬件电路系统的设计与实现93.1 智能车系统设计方案93.2 MC9S12XS128简介93.3 最小系统板113.4 电源模块123.5 电机驱动模块133.6 图像采集模块163.6.1 CMOS图像传感器163.6.2 图像采
4、集方案173.6.3 图像采集原理183.7 舵机模块203.7.1 伺服马达内部结构203.7.2 舵机模块的控制213.8 速度反馈模块223.9 本章小结22第四章软件系统的设计与实现244.1 图像预处理244.2 透视变换244.3 滤波算法274.4 确定赛道类型304.4.1 赛道类型304.4.2 赛道类型判别314.4.3 起始线识别324.5 控制策略334.5.1 PID控制思想334.5.2 方向控制策略364.6 本章小结38第五章开发环境与调试工具介绍395.1 开发环境介绍395.2 SD Ndatlab 1)10 .405.3 赛道制作41第六章结论与展望43致
5、谢44参考文献45第一章绪论1.1 课题背景自从1976年八位微处理器由美国通用汽车公司成功地应用于汽车发动机控制系统后，随着科技水平的不断提高，十六位、三十二位等微处理器便逐步开始应用于发动机、速度控制和故障诊断中。计算机技术、控制技术被广泛的应用于汽车身上，使得其功能得到了不断的拓展和延伸。现代汽车的基本特征正逐步向电子化、智能化转移。为了提高车辆的自主控制与驾驶，使车辆行驶变得更加安全高效，需要对车辆智能化技术进行不断的研究和开发，对智能化车辆控制系统进行不断的完善。这样做相当于使驾驶员的控制与感官得到了扩展和延伸。用技术来弥补人为因素的缺陷是智能车辆的一个主要特点。智能汽车上面装有很多
6、相当于汽车的“眼睛”和“大脑”的摄像机和计算机。这些装置上都具有自动操作系统，用来进行感知环境、规划道路决策、辅助驾驶控制等多种操作。这些装置使得汽车可以自己独立的进行思考与判断。智能车作为一个高新技术集成体，主要集中运用了现代的一些高新技术，例如计算机、信息融合、人工智能及自动控制等。如何提高汽车的安全性以及舒适性，并且提供良好的人性化的人车交互界面，是面对智能车辆研究的主要方向。近年来，智能汽车已经被许多发达国家纳入到了各自的重点发展智能交通系统当中，它己经当之无愧的成为了世界汽车工业领域研究的新热点和新动力。从20世纪70年代起，无人驾驶汽车这项技术就开始被美国等一些发达国家深入研究以及
7、广泛应用。为了促进无人驾驶技术的研发，激励大家交流与创新智能车技术，各个国家都纷纷开展了各项活动。美国从2004年起开始举办汽车挑战大赛，该比赛要求参赛的车辆能够独立自主的完成全部路程。之后，德国也于2006年举办了欧洲陆地机器人竞赛，获得当时第一名的是德国一个名叫“途锐”的参赛车辆，该车能够自主的分析行人和树木，从而完成赛程，不过在关键的十字路口处还是需要靠手动驾驶。与国外相比，国内在智能车方面的研究从上世纪80年代才开始进行，起步较晚，开展这方面研究工作的单位主要是一些大学和研究所。虽然我国同国外相比还有一些距离，但是目前也是取得了一些成果的。国内清华大学、国防科技大学、上海交通大学、西安
8、交通大学、吉林大学、同济大学等都有过无人驾驶汽车的研究项目。1992年，我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车在国防科技大学诞生了。该车具有汽车计算机自动驾驶系统，由计算机及其配套监测传感器和液压控制系统组成，具有既可人工驾驶又可计算机控制自动驾驶的双重控制。2000年6月第四代无人驾驶汽车也试验成功，其最高时速创下了国内的最高纪录一一76km/h。2003年7月，红旗无人驾驶轿车试验成功，达到了世界先进水平，这是由国防科技大学和中国一汽联合研发的，最高稳定时速达130km/h。与此同时，清华大学也研制开发了清华V型智能车，具有激光测距，定位信息，通讯管理，决策控制等功能，分别由四台工控机完成。此
9、外，像是同济大学，交通大学，中科院等也在无人驾驶智能车方面取得了不少成果。1.2 飞思卡尔智能车大赛介绍“飞思卡尔”智能车竞赛是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办的全国性的比赛。智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。比赛要求参赛队伍研究并设计一款能够自主辨识路线并能够自主行驶的智能车，在专门设计的封闭跑道上行驶，跑完整个赛程用时越短的参赛队伍成绩越好。智能车的设计要求参赛队伍首先对汽车动力学有一定的研究和了解，从而设计合理的机械结构。同时要求参赛队伍自行设计控制器系统电路、图像采集模块电路、电机驱动电路、电源模块电
10、路等多个部分的电路。在硬件平台搭建完成后，参赛队伍要对智能车系统的路线辨识以及控制算法进行开发和调试，为了后期的调试方便，很多队伍还开发了用于调试的上位机监控程序。智能车大赛以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新比赛。随着赛事的逐年开展，不仅使参赛学生自主创新能力的提高，对于高校相关学科领域的学术水平的提升也有一定的帮助。目前，此项赛事己经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。“飞思卡尔”杯智能车竞赛于2000年在韩国首次举办，我国于2006年8月举办第一届“飞思卡尔”
11、杯全国智能车竞赛，当时吸引了来自全国50所高校的112支代表队的参与。在2007年的第二届智能车竞赛中，来自全国26个省（自治区）、直辖市的130余所院校的242支队伍分为5个赛区进行角逐，比赛场面空前激烈。今年智能车大赛已经是第五届。与上届竞赛相比，规则发生了一些新的变化，首先，摄像头组与光电组均使用新的B型车模，较上届所使用的车模有了极大的改变。其次，本届比赛的跑道比上届比赛所使用的跑道窄了10cm,增加了难度。其他规则均与上届比赛相同，具体如下：21）赛道路面用专用白色基板制作，在预赛阶段时，跑道所占面积在5mx7m左右,决赛阶段时跑道面积可以增大。2）赛道宽度不小于50cmo3）跑道表
12、面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm。铺设赛道地板颜色不作要求，它和赛道之间可以但不一定有颜色差别。4）赛道中心黑色线下铺设有直径0.1-0.3mm漆包线，其中通有20KHz,100 mA 的交变电流。频率范围20K2K,电流范围（50-150mA）。漆包线既可以购买全新的，也可以通过拆卸二手变压器线圈等获得，后者价格便宜，质量也可以满足要求。5）跑道最小曲率半径不小于50cm。6）跑道可以交叉，交叉角为90。7）赛道直线部分可以有坡度在15。之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。8）赛道有一个长为1m的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度10cm黑色计时起始线,赛车前
13、端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。赛道起始线示意图如图1T所示：图1T起始线不意图1.3 章节安排本文第二章叙述了智能车系统各个硬件电路模块的设计，第三章叙述了模型车机械结构的调整及改造，第四章叙述了智能车软件系统的设计实现，第五章叙述了开发实验环境与调试工具，最后一章是结论与展望。第二章机械结构设计与实现一个完整的智能车系统，其最底层的就是智能车模型的机械结构。所有的硬件电路，传感器，执行机构等都是架在车体机械结构上的，可以说机械结构对车模运行性能的影响是极其重要的，是影响速度的关键因素之一。一个良好的机械结构可以使智能车的控制算法部分变的更简单。鉴于这个原因，我们对模型车的机械结构
14、做了许多工作，进行了大量的调整。2.1 摄像头的架设摄像头架设的位置对智能车的性能有较大的影响。由于要获得足够的前瞻，因此摄像头是整部智能车架设位置最高的部件，所以其对智能车重心的影响很大。若摄像头高度不够，则不能获得有效足够的图像信息，但是若架设太高，则在车辆高速过弯时，可能由于重心升高而发生侧翻的情况。总的来说，在架设摄像头时，具体要注意的地方有：(1)保证摄像头杆在车的中心位置，这样才能使采集到的图像以车体中心为左右对称，保证所得图像的正确。(2)注意调节其架设高度与俯仰角度，确保获得足够的有效信息，这对摄像头的校准时至关重要的。(3)摄像头一定要稳固。车在高速运行时摄像头不能有剧烈的晃
15、动。若摄像头左右剧烈晃动，会导致获得图像模糊与不正确。(4)摄像头的支架要轻，这样才能尽量降低模型车的重心，使车辆在高速过弯时不至于翻车。经过多次实验，我们在对摄像头进行远度，中心，水平位置校正后，将其使用胶水封死，固定在模型车上。图2-1为专门设计的可调节高度与俯仰角度的摄像头连接件。图2-1摄像头的架设2.2 车轮定位前轮定位的作用是保证车在直线行驶时的稳定性，优化车过弯时的性能，使其转向轻便，主要包括调整车轮的主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束等参数。主销后倾角定义为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。主销内倾角定义：当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，主销轴线与地面垂线的夹角为主销内倾角。汽车直线行驶时，车轮轴线与主销的交角恰为这个最大值。车轮轴线与主销夹角在转向过程中是不变的，当车轮转过一个角度，车轮轴线就离开水平面往下倾斜，致使车身上抬，势能增加。这样汽车本身的重力就有使转向轮回复到原来中间位置的效果。所以主销内倾角的作用是使车轮自动回正。在一般情况下，主销后倾角为调整为0-3。，主销内倾角调整为0-10。，前轮外倾角为0或者1。在调试过程中我们发现，其中对车模性能影响最
