第十届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技技 术术 报报 告告学 校：中北大学队伍名称：蓝色太行一号参赛队员： 章怀宇刘晓杰赵明宇带队教师：闫晓燕单彦虎I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十届“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： II摘要本设计以“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，以 Freescale32 位 MK60DN512ZVLQ10 单片机作为系统控制处理器，通过二值化摄像头检测赛道信息，提取黑线引导线，用于赛道识别；用 PD 方式对舵机进行控制，实现对车模的转向控制；同时通过编码器获取赛车的当前速度，并采用 PID 控制系统实现速度闭环控制。为提高车模的速度和稳定性，使用上位机、拨码开关、按键模块等调试工具，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。关键词关键词：MK60DN512ZVLQ10，二值化摄像头，编码器，PID摘要 III第一章 引言 .11.1 飞思卡尔智能车竞赛概述 .11.2 系统设计框架介绍 .1第二章 模型车机械结构调整与优化 .32.1 模型车机械结构 .32.2 智能车前轮定位调整 .42.3 智能车舵机定位调整 .52.4 智能车后轮减速齿轮结构调整52.5 摄像头的安装 .62.6 编码器的安装 .62.7 智能车重心位置的调整 .8第三章 模型车硬件电路设计 .93.1 主控板设计 .93.2 电源模块 103.3 电机驱动模块设计 113.4 单片机及其他电路部分设计 113.5 摄像头 113.6 编码器 123.7 液晶屏 12全国大学生智能汽车邀请赛技术报告第四章 模型车控制软件设计 134.1 软件系统概述 134.2 摄像头路径识别算法 144.2.1 原始图像的特点144.2.2 图像校正14第五章 开发工具、制作、安装、调试过程 175.1 开发工具 175.2 调试过程 17第六章 模型车的主要技术参数 186.1 模型车外形参数 186.2 模型车技术参数 18第七章 总结 19参考文献 .20附录 A 程序源代码.21全国大学生智能汽车邀请赛技术报告0第一章 引言智能车涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。1.1 飞思卡尔智能车竞赛概述飞思卡尔智能车竞赛是以加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革为目的，受教育部高等教育司委托，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛由竞赛秘书处设计、规范标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，力求向健康、普及、持续的方向发展。该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国 30 个省市自治区 400 余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008 年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函200730 号文）。1全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。本届比赛的竞赛组分为光电、摄像头、电磁三个赛题组，本文主要论述摄像头赛题组的智能车制作过程及算法实现。1.2 系统设计框架介绍本智能车系统是以检测赛道黑线引导线为基础，通过单片机处理信号实现对车体控制。系统电路部分包括单片机控制单元、电机驱动电路、伺服机控制转向、编码器测速。综上所述，本智能车系统包含了以下几个模块：1.2.1电源模块1.2.2单片机最小系统1.2.3. 摄像头采集模块1.2.4. 电机驱动模块1.2.5. 编码器模块1.2.6. 舵机模块1.2.7按键薄码开关电路1.2.8. 人机交互模块全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2第二章 模型车机械结构调整与优化智能汽车各系统的控制都是在机械结构的基础上实现的，优秀的机械结构调整与设计可以是车模获得更好的稳定性和更为优异的速度，尤其是当软件控制上出现瓶颈时，机械结构的优化往往达到事半功倍的效果。2.1 模型车机械结构此次竞赛选用的是 C 车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分、转向部分和驱动部分。采用前轮转向后轮驱动的方案。我们最终采取了质量轻重心低的设计方案，如图所示：32.2 智能车前轮定位调整现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，转向轮定位参数有：主销后倾、主销内倾、前轮外倾、前轮前束 4 个参数。智能车竞赛模型车的四项参数都可以调整，但是由于模型车加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着一些偶然性。主销后倾角增加车子行驶时的稳定性和在转向后使前轮自动回正。主销后倾越大方向稳定性越好，自动回正作用越强，但转向越沉重。通过多次实验发现后倾角设为 2 时效果比较好。主销内倾作用是使车轮转向后能自动回正，内倾角过大会增加转向难度，合适的内倾角即会增加稳定性，同时也不会使转向的迟钝。合适的前轮前束有使前轮向内转向的趋势，前轮前束是通过伺服机带动的左右拉杆实现的。在实际的调整中，我们发现较小的前束可以减小转向阻力，使车模转向更为轻便。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告42.3 智能车舵机定位调整比赛车模的转向是通过舵机带动左右拉杆实现，舵机的转动速度和功率是一定的，要想加快转向机构的响应速度，唯一的方法就是优化舵机的安装位置及其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。之前车模采取主流式直立安装，效果不是太好，经过多次尝试发现采取卧式安装实现了预期的目标。2.4 智能车后轮减速齿轮结构调整模型车采用 RN260-CN 38-18130 电机驱动。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装不恰当，会增大电机驱动后轮的负载；齿轮配合间隙过松则容易打坏齿轮过紧则会增加传动阻力。所以我们在电机安装过程中尽量使得传动齿轮轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不存在卡壳或迟滞现象。噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。52.5 摄像头的安装为了降低整车重心，需要严格控制摄像头的安装位置和重量，我们购买了轻巧的塑料夹持组件并采用了碳纤维管作为安装摄像头的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使摄像头便于拆卸和维修。2.6 编码器的安装我们所使用的 C 车车模有两个电机，转向时需要电子差速，因此我们的采用了两路速度闭环控制，为每个轮子各安装了一个编码器进行测速。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告6安装时应注意调整好齿轮间隙。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响最终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。72.7 智能车重心位置的调整为提高车的速度，车的重心必须低且居中，重心靠前转弯迟钝，后轮抓地不牢，重心靠后加速迟缓，电池是组成小车车重的主要部分，它的安装对重心的影响极大。我们采取主板靠近舵机安装，电池靠近电机，驱动安装在后桥的电机上方。整车重心位于中心靠后，提高了后轮的抓地力又不至于出现甩尾现象。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告8第三章 模型车硬件电路设计3.1 主控板设计关于硬件设计，我们制定了一些目标原则：可靠、简洁。 可靠。电路进行单片化设计，将电源模块、调试模块、图像信号处理模块、速度反馈信息处理模块和各个接口电路设计在一块主板上。主板直接用螺丝螺母固定于底盘上。电路做好了模拟部分和数字部分的隔离、各个电源的滤波，以及对干扰信号的屏蔽工作。各个接口连接可靠牢固。 简洁。主板外形设计根据车模尺寸、形状量身打造。器件排放整齐。减少了各个电路板之间的连线，使整车看上去简洁美观。93.2 电源模块3.2.1 智能车使用镍镉充电电池，充满时电压在 7.88.2V。直接用于电机供 电使用较高的供电电压可以让电机获得更快的响应速度。3.2.2 逻辑电路和编码器的供电使用直流 5V，5V 电源选用线性稳压芯片 LM29403.2.3 使用 3.3V 为单片机供电，采用线性稳压芯片 7333。3.2.4 电机驱动模块使用直流 17V，使用 XL6009 升压电源模块使输出电压 达到 17V。全国大学生智能汽车邀请赛技术报告103.3 电机驱动模块设计电机驱动电路为两路由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由 8 支 N 沟道功率 MOSFET 管组成，额定工作电流可以轻易达到 100A 以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：PWM信号输入接口、电源电路、上桥臂功率 MOSFET 管栅极驱动电压泵升电路、功率MOSFET 管栅极驱动电路、桥式功率驱动电路等。3.4 单片机及其他电路部分设计核心控制单元：K60（主频 128MHz，FlashRom512KB，具备SPI，SCI，IIC 等常用接口），根据需要引出适量的管脚。3.5 摄像头我们使用的摄像头为数字摄像头，它采用的是 OV7725 芯片，是一款硬件二值化摄像头，速率可达 150 帧每秒，去噪点能力极强，二值化效果非常理想。另外，该摄像头采用的 BGA 封装，其电气特性有着极其突出的优点：电气特性好管脚短，寄生电感、电容、电阻小、串扰小；管脚引线长度易于控制，延时一致性好；11高速、高频信号完整性好高速、高频信号完整性好信号完整性好互扰小；抗干扰性好接地完整性好地弹小；电源完整性好电弹小；适合多层板配合接地层/电源层，信号返回路径好；焊点机械强度高抗热应力，抗冲击应力。数字摄像头接口如下图所示：因为该摄像头是硬件