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1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：直立式光电智能车的设计与实现2015年 6月14日中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)直立式光电智能车的设计与实现摘 要本文以飞思卡尔杯智能车竞赛为背景，完成了直立式光电智能车的机械和硬件结构设计，并研究了不同赛道的图像处理算法。智能车以MKL26Z256VLL4单片机为控制核心，采用TSL1401线性CCD采集图像，并对二值化图像进行了低通滤波，通过边沿检测算法识别赛道的黑白边沿，求出中心偏差后作为转角的控制量。为方便调试，在智能车上还设计了OLED液晶显示和蓝牙通讯模块，通过无线通信实现上位机实时图像显示、参数曲线显示和在线调整功能。实验证明小车可
2、以准确识别赛道，并能保持平稳快速运行。 关键词：图像处理；线性CCD；边沿检测；控制周期The design and implementation of upright photoelectric smart carAbstractAccording to the requirement of photoelectricity group of Freescale smart car competition, the mechanical structure and hardware of the smart car was completed to improve stability and
3、 the image processing algorithms was designed. Based on the microprocessor MKL26Z256VLL4 and TSL1401 Linear CCD, the smart car could successfully identify the black line by edge detection algorithms after low-pass filtering of image. Then the track center line could be obtained and direction control
4、 value could be calculated. The smart car was also equipped with OLED and Bluetooth communication module used to transfer images and state data to computers. The parameters of running car could also be changed with software we designed. It made the debugging process more effective. Tests showed that
5、 the smart car could identify different tracks and run quickly and stably.Keywords：Image processing; Linear CCD; edge detection;Control period目 录第1章 引言11.1 智能车大赛概况11.2 光电组智能车11.2.1 光电组智能车的路径检测原理11.2.2 光电平衡组智能车的优缺点11.3 系统整体构想2第2章 系统硬件电路设计32.1 硬件电路整体架构设计32.2 系统主板电路设计32.3 系统电源电路设计42.4 电机驱动电路设计42.5 线性CC
6、D原理介绍52.6 蜂鸣器电路设计62.7 电源地的划分62.8 硬件电路部分总结7第3章 车模机械布局架构与结构调整83.1 机械部分总体概述83.2 线性CCD布局与安装83.3 电池、电路板等部分的固定93.4 3D模型设计103.5 角度传感器安装11第4章 软件系统设计124.1 开发工具124.2 软件控制的总体思路124.3 主程序设计134.3.1 主程序结构154.4 上位机设计164.4.1串口调试工具164.4.2 上位机164.5 角度控制174.5.1 互补滤波174.5.2 角度闭环控制194.6 速度控制194.7 方向控制204.7.1图像二值化204.7.2
7、图像滤波214.7.3 赛道元素识别224.7.4 电机差动控制264.8 软件部分总结27第5章 智能车调试实验285.1 硬件部分调试285.1.1 电源模块调试285.1.2 电机驱动模块调试285.2 软件部分调试285.2.1 静态参数调试285.2.2 动态参数调试295.3 小结30第6章 总结与展望316.1 总结316.2 展望31致 谢32参考文献33第1章 引言第1章 引言1.1 智能车大赛概况全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛起源于韩国，目前在国内已经发展到第十届。随着前九届大赛的成功举办，也陆续培养出一大批工程开发人才。竞赛秘书处每次大约在第一年的11月份左右提出比
8、赛规则，分区赛比赛在第二年的7月份左右。在分区赛当中成绩优秀的队伍可以获得8月份总决赛的参赛资格。参赛选手需要历经超过半年的调试才能完成一辆优秀的模型车，极大地锻炼了选手的耐心。参加智能汽车竞赛的参赛选手，须使用竞赛秘书处指定的车模，使用飞思卡尔半导体公司的微处理器作为核心处理器控制器，参赛选手需要在车模上增加传感器来识别路径，设计电机驱动电路，编写调试下位机与上位机软件，最终实现一个可以运行的汽车模型，完成时间最短者为优胜。该竞赛的涉及内容广泛，涵盖了模式识别、控制、机械等学科的知识，增强了学生的动手能力和团队协作意识。1.2 光电组智能车1.2.1 光电组智能车的路径检测原理光电智能车是基
9、于光的漫反射原理来检测路径的。光线照到白色赛道反射回来的光线强，而黑色赛道反射回来的光线弱（如图1-1所示），通过反射回来的光线强弱来识别赛道情况。 (a) (b) 图1-1 光线射到不同背景的反射情况(a)光线射到黑色背景情况；(b)光线射到白色背景情况1.2.2 光电平衡组智能车的优缺点光电平衡组智能车优点：生产成本较低、电路简单、信号处理速度快、响应快速、功耗较低等。光电平衡组智能车缺点：前瞻容易受到车模角度变化影响，在车模高速运行时表现明显；车模两轮直立行走，速度控制建立在车模直立基础上，速度控制周期相对较长，响应缓慢；车模中心较高，高速过弯时容易翻车；得到的图像只是一条直线上的信息，
10、空间分辨率低，数据量少；加速度计和陀螺仪噪声对角度滤波算法容易产生影响。1.3 系统整体构想模型车以加速度计和陀螺仪作为角度融合传感器，以6ms为周期控制车模直立，以两个高精度编码器作为测速传感器，以60ms为周期控制车模速度，以线性CCD作为道路信息传感器，以12ms为周期获取、处理赛道信息并控制左右电机差速，在保持车模直立以及速度稳定的基础上进行转向控制，以使平衡车始终行驶在赛道中央。单片机综合考虑各种赛道信息，进行小车实际位置的计算。在单片机软件的编写上，需要使平衡车在赛道上运行时尽可能保持车模角度稳定，速度稳定。对角度控制采用了比例微分 胡寿松. 自动控制原理M.北京：科学出版社，20
11、07：30-150.控制，对于速度控制采用了积分限幅比例积分控制算法，转向控制采用比例微分控制算法，配合不完全微分 郑伟鸿，郑顺杰，陈观淡.厦门大学至致远队技术报告R.2013：31-32.以及防偏差跳变。2第2章 系统硬件电路设计 第2章 系统硬件电路设计2.1 硬件电路整体架构设计3.3V5VMKL26Z256VLL45V3.3V电源管理模块加速度计、陀螺仪传感器模块双线性CCD3.3V测速模块液晶、蓝牙直流电机电机驱动模块7.2V图2-1 系统框图系统整体结构（如图2-1所示）。2.2 系统主板电路设计 韩国栋，月飞，娄建安. Altium Designer Winter 09电路设计入
12、门与提高M.北京：化学工业出版社，2010：1-100.主板电路主要有电源接口、单片机最小系统板插座，线性CCD插口，AD端口，陀螺仪、加速度计、液晶蓝牙插口，电机驱动接口，编码器接口等（如图2-2所示）。图2-2 系统主板电路设计2.3 系统电源电路设计稳定的系统首先需要电源稳定，系统中有三路电源，8.0V，5V，3.3V。8.0V电池电压直接接到电机驱动模块，5V为测速编码器、线性CCD供电，3.3V给单片机、陀螺仪、加速度计、液晶、蓝牙、蜂鸣器供电。采用了一片TPS7350 王明顺，沈谋全. Power Design of Intelligent Vehicle Based on TPS
13、7350J.东北大学信息科学与工程学院.2006，(24)：1-5.为两个线性CCD供电，TPS7350为微功耗低压差线性稳压芯片。使用一片低压降串联稳压芯片LM2940将电源电压8.0V稳到5.0V，作为两片电源芯片TPS7333的输入电压，避免TPS7333的前后压差太大。同时LM2940还要为两个编码器供电。用一片TPS7333单独为单片机最小系统供电，另一片TPS7333为陀螺仪、加速度计、液晶、蓝牙、蜂鸣器供电。系统电源原理图如图2-3所示。（a） （b）(c) (d)图2-3 系统电源原理图(a)TPS7350 5V稳压；(b)LM2940 5V稳压；(c)TPS7333 3.3V
14、稳压；(d)TPS7333 3.3V稳压2.4 电机驱动电路设计我们使用驱动芯片BTN7971搭建H桥来控制电机正反转，硬件电路简单，控制调试方便。光电平衡组智能车有两个直流电机，所以我们采用4片BTN7971，每两片控制一个电机（如图2-5所示），用四路PWM控制电机正反转。BTN7971的内阻比较小，驱动电流可达七十安，运行过程中发热量较少，符合智能车比赛要求。图2-4 电机驱动模块原理图2.5 线性CCD原理介绍TSL1401线性CCD是本次比赛官方指定传感器，它由128 个光电二极管的线性阵列组成。照射在光电二极管上的光的能量产生光电流，相关像素点上的有源积分电路对这些光电流进行积分。在积分期间，积分器的输出通过一个模拟开关连接到采样电容。在每个像素中积累的电荷量与光强度和积分时间成正比。积分器的输出和复位由一个128 位的移位寄存器和复位逻辑控制。图2-5 线性CCD驱动时序图对于线性CCD模拟信号的采集，我们采取的方法是用单片机两个普通IO端口PTE20、PTE21驱动两个CCD的两个SI和两个CLK引脚，采用两
