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1、第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校：北京科技大学队伍名称：北京科技大学摄像头一队参赛队员：周 尧 顿海洋 罗林聪带队教师：杨 珏 马 飞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八届“飞思卡尔”杯全国大学生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 要本文设计的智能车系统以MK60N512VMD100微控制器为核心控制单
2、元，通过CMOS摄像头检测赛道信息，使用模拟比较器对图像进行硬件二值化，提取黑色引导线，用于赛道识别；通过光电编码器检测模型车的实时速度，使用PID控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的速度和稳定性，使用C#、MFC上位机、SD卡模块、键盘模块等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案确实可行。关键字：MK60N512VMD100，CMOS，PID，C#，SD卡AbstractIn this paper we will design a smart car system based on MK60N512
3、VMD100as the micro-controller unit. We use a CMOS image sensor to obtain lane image information. Then convert the original image into the binary image by the analog comparator circuit in order to extract black guide line for track identification. An inferred sensor is used to measure the cars moving
4、 speed. We use PID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor, to achieve the closed-loop control for the speed and direction. In order to increase the speed and the reliability of the car, a great number of the hardware and software test
5、s are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are compared by using the C#、MFC simulation platform, SD card module and the keyboard module. The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible.Keywords: MK60N512VMD100，CMOS，PID，C#，SD card目 录
6、摘 要IIIAbstractIV目 录V引 言1第一章 系统总体设计21.1系统概述21.2整车布局3第二章 机械系统设计及实现42.1车模转向模型分析42.2舵机安装52.3转向轮的定位72.4车模重心82.5编码器的安装82.6摄像头的安装92.7齿轮啮合及差速调整10第三章 硬件系统设计及实现113.1硬件设计方案113.2传感器的选择113.2.1 摄像头113.2.2陀螺仪143.3电路设计方案143.3.1单片机最小系统板153.3.2电源稳压电路163.3.3图像处理电路173.3.4电机驱动电路173.3.5保护隔离与电平转换电路183.3.6键盘拨码电路183.3.7 LCD
7、液晶显示屏接口19第四章 软件系统设计及实现214.1赛道中心线提取及优化处理214.1.1原始图像的特点214.1.2赛道边沿提取224.1.3图像校正254.1.4推算中心264.1.5路径选择284.2 折点求取原理简介294.3 PID 控制算法介绍304.3.1位置式PID324.3.2增量式PID324.3.3 PID参数整定334.4转向舵机的PID控制算法334.5驱动电机的PID控制算法35第五章 系统开发及调试工具375.1开发工具375.2上位机图像显示375.2.1 C#静态上位机375.2.2 MFC SD卡上位机385.3 SD卡模块415.3.1 SD卡介绍415
8、.3.2 SPI总线介绍415.3.3软件实现425.4键盘模块43第六章 模型车的主要技术参数44结 论45参 考 文 献I附录：程序源代码II引 言随着科学技术的不断发展进步，智能控制的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。智能车技术依托于智能控制，前景广阔且发展迅速。目前，掌握着汽车工业关键技术的发达国家已经开发了许多智能车的实验平台和商品化的车辆辅助驾驶系统。有研究认为智能汽车作为一种全新的汽车概念和汽车产品， 在不久的将来会成为汽车生产和汽车市场的主流产品。面向大学生的智能汽车竞赛最早始于韩国，在国内，全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛从2006年开始已经举办了八届，得到了各级领导及
9、各高校师生的高度评价。大赛为智能车领域培养了大量后备人才，为大学生提供了一个充分展示想象力和创造力的舞台，吸引着越来越多来自不同专业的大学生参与其中。全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛包括光电组、摄像头组和电磁组，其中数摄像头组的智能车速度最快，备受关注。本技术报告主要包括机械系统、硬件系统、软件系统等，详尽地阐述了我们的设计方案，具体表现在硬件电路的创新设计以及控制算法的独特想法。智能车的制作过程包含着我们的辛勤努力，这份报告凝聚了我们智慧，是我们团队共同努力的成果。在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，几个月来的经历，培养
10、了我们电路设计、软件编程、系统调试等方面的能力，锻炼了我们知识融合、实践动手的能力，对今后的学习工作都有着重大的实际意义。第一章 系统总体设计1.1系统概述智能车系统的总体工作模式为：CMOS图像传感器拍摄赛道图像，输出PAL制式信号，经过信号处理模块进行硬件二值化，采用LM1881进行视频同步分离，二值化图像信号、奇偶场信号、行同步信号输入到MK60N512VMD100微控制器，进行进一步处理获得主要的赛道信息；通过光电编码器来检测车速，并采用MK60N512VMD100的输入捕捉功能进行脉冲计算获得速度和路程；转向舵机采用PD控制；驱动电机采用 PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的
11、功率；而车速的目标值由默认值、运行安全方案和基于图像处理的优化策略进行综合控制。根据智能车系统的基本要求，我们设计了系统结构图，如图1.1所示。在满足比赛要求的情况下，力求系统简单高效，因而在设计过程中尽量简化硬件结构，减少因硬件而出现的问题。MK60N512VMD100LM1881图像处理模块摄像头CMOS光电编码器电机驱动模块舵机转向模块上位机模拟图像信号奇偶场信号行同步信号二值化后图像速度信息IIC/SPI/SCI图1.1 系统结构图1.2整车布局今年模型车的整车布局本着轻量化设计，如图2.1.具有以下特点： （1）架高舵机并直立安装，以提高舵机响应速度； （2）主板低位放置，降低赛车重
12、心； （3）采用强度高、质量轻的材料制作摄像头支架； （4）摄像头后置于模型车的中间部分，减少赛车前方盲区。图1.2 整车布局图第二章 机械系统设计及实现摄像头组今年采用B车模，前轮驱动后轮转向，因此我们分析后轮转向模型，结合B车模的特点，将我们车的机械部分设计如下：2.1车模转向模型分析摄像头组今年采用B车模，前轮驱动后轮转向，所以首先我们分析下后轮转向与前路转向的区别。下图为小车后轮转向的示意图：图2.1 后轮转向模型图中为理想状态下的车模向左转弯，其中、为转向轮的打角，为质心处侧偏角，转向半径为。理想的转向模型（阿克曼转向模型），是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形
13、，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的转向建模。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与前轮轴线这三条直线必然交于一点。在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。从图中可以看出在质心处小车在转弯时有向外侧侧偏角，如果将质心速度分解平行于车身和垂直于车身的两个分量后，会发现垂直车身的速度分量指向车身外侧，这表明小车在转弯时有向外侧移动的趋势。图2.2 两种转向模型对比上图为后轮转向汽车与前轮转向汽车在转弯时前后轮路径上的差别。从图中可以看出，前轮转向的车与后轮转向的车在转向轮打角相同时，站在车本身的角度来看，驱动轮与转向轮的路径完全相同。但如果把车放在弯道上来看，后轮转向车的转向中心能够与弯道的圆心
14、重合，而前轮转向车的转向中心与后轮的相比远离弯道圆心一个车身的距离，因此前轮转向和后轮转向的车在转弯时的路径有着很大的区别，前轮转向的车能够非常轻松的沿赛道内侧转弯，而后轮转向的车转则需要走一段相对较大的圆弧来转弯，比较不容易切内。同时由于前轮转向的车转向中心的在车身后侧，后轮转向的车在车身前侧，因此后轮转向也存在一定的滞后性。下图为我们用MATLAB拟合过后的转向模型。图2.3 MATLAB拟合车身路径示意图2.2舵机安装舵机安装方法如图2.5所示图2.4 舵机安装B车模的配套舵机的型号为S-D5，与去年的摄像头组A车模的S3010相比，在性能上有很大的差别。因此，我们以往的经验优化设计了舵机的安装方式。我们的舵机采取如下装法：舵机直立安装，并靠近转向桥。舵机直立安装是为了保证舵机在底盘上的质量分布尽量平均。对于连片的选择，通过试验和理论的分析，我们发现长度较短的连片优点是能够输出更大力矩，但是不足的是反应速度不够快，而对于长的连片优点是反应速度较快，但是输出力矩不足，所以综合考虑舵机的反应特性和输出力矩、转向模型和极限转角以及实际调车过程的现象，我们采用了自行设计了舵机连片，如下图所示：图2.5 舵机连片在此基础上我们分析了舵机打角与小车转弯直径之间的关系，赋给舵机不同占空比的P波之后测试车的转弯直径，然后分析此
