智能车调试和开发平台报告.doc

于技术报告使用授权的说明本人完全了解第三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目录第1章绪论........................................................................................................11.1前言................................................................................................................................11.2竞赛背景........................................................................................................................11.3论文概述........................................................................................................................2第2章智能车设计方案概述............................................................................32.1车模硬件系统设计........................................................................................................32.2车模软件系统设计........................................................................................................42.3车模机械结构的设定....................................................................................................42.3.1前轮悬挂的调节......................................................................................................52.3.2舵机的安装..............................................................................................................62.3.3差速器的调节..........................................................................................................62.3.4电路板的安装和重心分配.......................................................................................62.4车模技术参数统计........................................................................................................8第3章车模硬件系统设计................................................................................93.1图像采集硬件的设计....................................................................................................93.1.1OV7620面阵数字式CMOS传感器........................................................................93.1.2先入先出FIFO缓冲器SN74V293.......................................................................103.2MC9S12DG128单片机最小系统................................................................................123.3大电流直流电机驱动器..............................................................................................133.4速度传感器..................................................................................................................13第4章车模软件系统设计..............................................................................154.1图像处理算法..............................................................................................................154.1.2图像的二值化........................................................................................................164.1.3跑道黑线的提取....................................................................................................17IV4.1.4图像透视变形的矫正............................................................................................184.1.5跑道特征计算........................................................................................................194.2模糊控制器的设计.....................................................................................................204.2.1模糊控制器的特点................................................................................................204.2.2模糊控制器自适应性的实现................................................................................204.2.3双输入双输出模糊控制器在智能车上的应用....................................................214.3车速PID控制的实现.................................................................................................22第5章智能车调试和开发平台.......................................................................235.1HCS12开发工具.........................................................................................................235.2智能车在线监控调试系统.........................................................................................245.3智能车远程监控系统设计.........................................................................................25第6章总结与展望...........................................................................................27插图索引...............................................................................................................I参考文献............................................................................................................III附录A［单击此处键入标题］........................................................................V第1章绪论1.1前言在半导体技术日渐发展的今天，电子技术在汽车中的应用越来广泛，汽车电子化已成为行业发展的必然趋势。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。车体汽车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统（车身电子ECU）。汽车电子最显著特征是向控制系统化推进，用传感器、微处理器MPU、执行器、数十甚至上百个电子元器件及其零部件组成的电控系统，正获得极其广泛的市场。作为全球最大的汽车电子半导体器件供应商，飞思卡尔一直致力于汽车电子半导体器件的开发与推广。飞思卡尔在不同的半导体器件市场拥有领先的地位。其中8位和32位微控制器市场占有率第一，传感器市场占第三位，其丰富的半导体器件可用于所有汽车电子控制单元中。9S12微控制器是基于16位HCS12CPU及0.25微米、高速、高性能5.0VFLASH存储器技术的中档芯片，其较高的性能价格比使其非常适合应用于中高档汽车电子控制系统。1.2竞赛背景飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛是由教育部批准并委托自动化分教指委主办，飞思卡尔公司协办，面向全国大学生的重要赛事。它是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了自动控制、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意性比赛。根据比赛章程，全第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告2国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、设计电机驱动电路、编写相应软件以及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车。改装后的模型汽车按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。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。竞赛集科学性、趣味性和观赏性于一体，吸引了大批同学参与其中，受到了广泛的欢迎。1.3论文概述本文将以飞思卡尔MC9S12DG128单片机作为核心控制器，以面阵CMOS传感器OV7620作为图像传感器，获取跑道图像，运用数字图像处理技术进行图像的分割和赛道特征的提取，最后通过自适应模糊控制器控制模型车转向，使车模能按照比赛规定的跑道和规则最快地完成任务。智能车系统包括图像采集硬件、跑道图像预处理和跑道特征提取算法、自适应模糊控制器、大功率电机驱动器和智能车调试监控几个子系统组成。第2章智能车设计方案概述车模按照在上两届比赛中常见的摄像头设计方案进行设计。系统分为图像采集硬件、图像处理算法、转向模糊控制器、转向系统、电机PID转速控制、车速采集和大功率电机驱动七个部分。系统结构如下图像采集硬件系统图像处理模糊控制器PID速度控制器光电编码器驱动电机伺服电机路况转向给定速度给定运行速度软件系统图2.1系统结构图2.1车模硬件系统设计车模的硬件电路主要由MC9S12DG128核心模块、图像采集与缓存模块、直流电机驱动模块和辅助调试模块构成。其中MC9S12DG128核心模块以单片机最小系统板的形式安装在电路主板上，以便于安装和更换。S12单片机负责图像数据接收、处理里、信息提取，最后形成合适的控制信号驱动伺服电机和直流电机驱动器。图像采集模块由面阵CMOS图像传感器OV7620、FIFO数据缓冲器和与之配合的分频电路构成。鉴于单片MC33886有限的驱动能力和多片MC33886并联导致的电路体积庞大和多个芯片之间难于同步和配合的缺点，我们另行设计了大功率的直流电机驱动器。第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告4我们在车模上设置了多个开关和指示灯，便于参数切换，同时预留了TFT液晶模块接口和无线收发模块的接口，便于车模运行信息的纪录和算法优化。硬件系统结构如下MC9S12DG128微控制器OV7620CMOS面阵图像传感器FIFO缓冲器逻辑分频电路电机驱动器舵机TFT显示器图2.2智能车硬件结构图2.2车模软件系统设计对于同一组别的车模来说，硬件设计总体上都大同小异，而车模控制软件的设计是决定比赛成绩的重中之重。智能车控制软件主要由图像采集和与处理、赛道特征提取、转向控制和车速控制程序四部分。车模要在比赛中取得好成绩，离不开快速的控制相应、良好的行车路线规划和准确的速度控制这三个关键点。要完成上述目标，就必须有效地融合智能车的硬件和软件，进行充分的测试、标定和实验，不断改进控制算法。软件部分将在下文详细叙述。2.3车模机械结构的设定在汽车维修中，汽车的四轮定位和悬挂的设定对行使性能和驾驶舒适性有着巨大的影响。在赛车比赛中，机械工程师会根据每场比赛跑道的特征和第2章智能车设计方案概述5驾驶员的驾驶习惯对赛车的轮胎定位和悬挂进行针对性的调整。飞思卡尔杯智能车大赛采用竞赛组委会统一提供的1/10的Matiz仿真车模，控制结构采用前轮转向，后轮驱动方案。由于该车模结构比较简单，车体可调的参数很少，故我们只对前轮定位、舵机安装和悬挂户弹簧进行更改。同时我们在车模改装时发现，车模的塑料质量较差，东莞厂家仿造的车模的精度和耐久度比第一届的原装进口的差了几个档次，同一批车模有一部分前轮有的可调的螺杆塑料部分由于质量问题已经被厂家用胶水封死。2.3.1前轮悬挂的调节该车模前轮可调的参数包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前束四个参数。主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好，但过大的主销后倾角会导致转向沉重。主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。前轮外倾角（Camber）对赛车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称外八字，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1°左右。所谓前束（Toeout）是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。最终我们通过减小主销后倾角，加大主销内倾角，减小前轮外倾角，加大前束，测试后发现车模转向有了一点提高。但由于车模质量和精度比较差，前轮支架有不对称得现象，且前轮固定精度比较低，松松垮垮的，导致调整效果有较大的折扣。第三届全国大学生智能汽车竞赛技术报告62.3.2舵机的安装为了保护舵机不在卡舵的时候损坏舵机齿轮组，原配的舵机和转向连杆之间的连接器上设有缓冲装置。但缓冲装置有弹性会导致转向迟钝，故我们利用覆铜板自行制作了舵机的力臂，用于舵机盘和转向连杆之间的连接。同时，由于在一定的工作电压下舵机的转动速度是一定的，增长舵机力臂可提高舵机的摆动速度同时，由于舵机输出的扭力一定，力臂太长会影响转向的力度，使舵机变软，我们制作了长度适中的舵机力臂，并把舵机安装在车头正中的位置，使左右转向对称。2.3.3差速器的调节比赛使用的模型车设置有后轮差速机构，其作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动，并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。本模型车后轮轴上配备的是简易的差速器，且比赛规则规定不能更换，所以在调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，从而大大影响车模的寻迹性能。过松会使差速器严重打滑，损失电机输出的驱动扭矩，过紧又会损失差速能力。2.3.4电路板的安装和重心分配在分区赛的比赛中，虽然我们队成绩不错，但由于车模质量大，重心高，在比赛中一直运行在临界翻车的极限上，速度提高受到限制。我们对车模的电路板和摄像头的安装方式作了较大的改革，采用了低位主板的布局，同时应用高强度轻量化的材料制作摄像头的支撑机构，降低高位的重量，同时适当调整了车模前后的重量分布，以获得更好的行使性能。