第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校： 哈尔滨理工大学队伍名称: Thunder参赛队员：孙嘉瑞 黄文忠 牛淑艳带队教师：李双全III关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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： 第一章 引言11.1智能汽车制作情况概述11.2文献综述11.3本文结构1第二章智能汽车系统整体方案设计22.1 设计要求22.2 智能汽车系统总体设计22.3 智能汽车机械结构设计32.3.1 智能汽车结构特点3第三章 智能汽车硬件设计53.1 转向模块53.2 驱动模块53.3 测速模块63.4 赛道图像采集模块73.4.1 摄像头工作原理73.4.2 摄像头的选择83.4.3 LM1881视频同步信号分离芯片93.4.4 采样电路的设计103.4.5 摄像头的安装12第四章 智能汽车软件设计134.1 智能车软件系统总体流程图134.2 赛道识别134.2.1 图像分割144.2.2 指引线信息提取144.3 交叉线、起始线的识别154.4 赛道参数计算184.4.1 赛道中心位置的计算184.4.2 偏航距离的计算194.4.3 曲率半径的计算194.5 控制算法的实现20第五章 开发流程215.1 编译环境215.2 下载调试215.2.1 无线调试模块215.2.3 上位机调试单元23第六章 总结I参考文献II附录III 第一章 引言1.1 智能汽车制作情况概述智能汽车以比赛组委会提供的飞思卡尔16位微控制 MC9S12XS128B为控制器，采用CMOS传感器进行信息采集、检测车模的运动位置和运动方向。电机驱动芯片选用MC33886,同时使用MC9S12XS128B单片机的PWM模块、运用PID控制算法，控制舵机的转向和电机的转速，完成对智能汽车运动速度和运动方向的闭环控制。系统还扩展了LED和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。 1.2 文献综述针对本次飞思卡尔智能汽车比赛，主要存在的技术问题就是如何涉及智能小车的机械结构是小车轻便、运动是受到的阻力小、转弯时中心平稳、寻线，及采取何种控制策略保证智能小车在不违背比赛规则的前提下尽可能跑得快。对于S12 芯片的寄存器设置和操作，参考了飞思卡尔的S12用户使用手册。由于采用CMOS传感器，为方便设计采用视频同步信号分离芯片LM188110；对于采集到的视频信号，刘立萍，吴立德4阐述了动态阈值与静态阈值的优缺点，鉴于赛道的特点兼顾单片机的运行速度及内部资源我们采取静态阈值发对采集到的图像进行分割后二值化；基于应骏，叶秀清5提出的提取算法我们采用对赛道进行边缘提取。邵贝贝1文中详细介绍了如何在S12 系列单片机上进行程序代码编译和CodeworriorIDE 编译器使用方法，对程序调试和软件开发提供了很好的参考。1.3 本文结构技术报告以智能汽车的设计为主线，包括小车的构架设计、硬件设计、软件设计，以及控制算法研究等，分为六章。其中，第一章为引言部分，第二章主要介绍了小车的总体设计方案以及车模的相关参数，第三章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，其中包括机械改造，电路设计两大部分，第四章对小车的软件设计思想和相关算法进行介绍，第五章详细介绍了赛车系统开发的调试工具、软件和各种调试手段和方法，对小车的开发调试等进行说明，第六章叙述了我们在设计过程中遇到的问题和解决方法。第二章 智能汽车系统整体方案设计2.1 设计要求 在本次的飞思卡尔第四届智能汽车的比赛中，要求参赛队伍设计的智能汽车具有自动循迹的功能，能够在黑白两色的跑道上沿黑色指引线快速稳定的行驶。因此，能沿着黑色指引线自动行驶是前提，未取得较好的成绩还得尽量提高智能小车的运行速度。2.2 智能汽车系统总体设计 系统框图如图2.1所示：图2.1 系统框图 根 据 摄 像 头 方 案 设 计 ， 赛 车 共 包 括 六 大 模 块 ： 控 制 处 理 芯 片MC9S12XS128，信息模块，信息处理模块，控制决策模块，执行模块。其中S12 单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。各个模块的作用如下所示：3第二章 智能汽车系统总体方案设计 1.信息采集模块：在该模块中对采集到的信息进行处理，一次信息来判断当前智能小车所出赛道的变化趋势、小车的当前速度机转角的信息。将处理得到的信息传给单片机以采取相应的控制决策。 2.信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心是MCU，MCU接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制命令。 3.控制模块：在该模块中基于信息处理之后的数据对小车采取相应的控制侧率来调节小车的运动状态，是小车平稳快速的行驶。4. 执行模块：在该模块中包括了驱动电机和舵机，当接收到单片机的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给单片机 。从而整个系统构能够形成一个闭环系统，保证了小车的平稳运行。5. 人机交互模块：该模块包含了按键输入与LED显示等功能模块，其中按键用于调节小车的工作模式，LED显示小车的一些当前参数，便于实时观测小车的运行状态。2.3 智能汽车机械结构设计 机械结构在很大程度上影响着小车的速度与转向特性，包括小车的重心，前轮倾角，差速的松紧等。我们在参考往届赛队的基础上，通过不断实践将小车的机械结构调整到最佳的状态。2.3.1 智能汽车结构特点小车前轮倾角的调整：我们在调试的时候发现，增大轮胎与地面的摩擦力可以大大减少小车在高速过弯时小车冲出赛道的几率。鉴于此，我们调整了小车的前轮主销倾角，使之成为“八”字形，这样就大大的增大了小车的前轮与地面的摩擦力。舵机的改造：在初期的时候，我们将舵机平放，但是随之而来的问题是小车转向迟钝，并且左右的转向不相等。为此我们在参考往届赛队的基础上，根据小车的实际特点，将小车的力臂进行了适当的加长，并且将舵机由平放改为了竖直放置。差速的调整：差速的松紧程度在很大程度上影响着小车的过弯与加速特性，差速太松，小车在加速时容易打滑，差速太紧，小车再过弯时较为吃力。经过反复试验，我们将差速调整到一个比较合适的程度。11 第三章 智能汽车硬件设计 第三章 智能汽车硬件设计3.1 转向模块 转向舵机我们使用的是组委会提供的舵机，并加长了舵机的力臂。根据舵机驱动的原理，舵机的控制周期是20ms,，在一定范围内，占空比决定着舵机的舵角。XS128单片机80PIN共有8路可配置的PWM接口，PP0PP7其中两个相邻的接口可以合成一路16位的PWM。我们将PP4和PP5合成了一路16位的PWM发生器，并由PP5输出。舵机的标称电压是6V，但我们通过实验发现：适当地提高舵机的供电电压可以明显提高舵机的转向速度与转向力度。为此我们直接使用电池电压给舵机供电。舵机的电路连接图3.1如下： 图3.1 舵机接口电路3.2 驱动模块 驱动芯片的选择直接影响小车的加速效果，智能车大赛的主要标准就是速度，因此驱动芯片至关重要。在准备过程中我们反复试验了若干的电机驱动芯片，都没有达到满意的效果。后来我们用MOS管自己搭建了驱动电路，效果也不是太理想。我们在参考往届赛队的基础上，采用了MC33886电机驱动芯片，但单片驱动芯片容易发热，最后我们采用了4片33886并联的方式驱动电机。我们用单片机的PP2和PP3分别接到驱动芯片的IN1和IN2来控制电机的转向。PP0和PP1合成16位的PWM发生器并由PP1输出控制电机的转速。电机的连接电路如图3.2所示：图3.2 驱动模块电路图3.3 测速模块好的控速效果是建立在精确的反馈的基础上的，同时也是各种速度控制算法的基础。在初期的调试阶段，我们用自制的光电码盘配合光电管和比较器获取小车的当前速度，但我们发现这种方法产生的信号并不整齐，影响速度的采集。最后我们放弃了这种方案而改用信号比较整齐精确的光电编码器来测速。我们采购到了增量式的分辨率为100线的光电编码器。因为小车并不检测车的前进方向，所以我们只用了XYZ的中的一相。XS128有16位的脉冲累加器，我们将从光电编码器输出的信号接至PT7口，在单片机软件设计中，每隔20ms将脉冲累加器中的值读回并将寄存器清零。这样就能获取光电编码器20ms的发出的脉冲，进而根据齿轮的比例就能计算出小车的实际速度。光电编码器的电路如0图3.3所示： 图3.3 测速模块电路图3.4 赛道图像采集模块3.4.1 摄像头工作原理摄像头分黑白和彩色两种，为减轻单片机的负担，同时考虑赛道的特点：只需提取画面的灰度信息，所以本设计中采用的是黑白摄像头。摄像头主要由镜头、图像传感芯片和外围电路构成。图像传感芯片是其最重要的部分，但该芯片要配以合适的外围电路才能工作。单板通常有三个端子：电源端、地端和视频信号端（有的还多出一个端子，那是音频信号端）。电源接的电压要视具体的单板而定，目前一般有两种规格，6-9V 或9-12V。视频信号的电压一般位于0.5V-2V 之间。摄像头的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3V），并保持一段时间。这样相当于，紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描的），开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着又会出现一段场消隐区。该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于（即持续时间长于）其它的消隐脉冲，称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的