基于摄像头的飞思卡尔智能循迹小车设计【自动化毕业论文开题报告外文翻译说明书】.zip
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毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过毕业设计，加强应用研究训练，使学生能够理论联系实际，进一步提高分析、解决实际工程问题的能力；锻炼文献检索能力，熟悉相关文献、规范的内容，并在设计中参考使用；培养学生科学严谨的工作态度和习惯，掌握应用研究一般流程和步骤，提高实践能力和综合素质。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 基于摄像头的飞思卡尔智能循迹小车设计课题通过K60开发板和摄像头等器件组装车模，通过对摄像头采集的数据进行处理，达到能沿着地面轨迹前行的目的，设计完成后可以达到避障、循迹功能，后期添加其他器件可以改造为自动吸尘器，足球机器人等后期开发项目，应用广泛，有一定的研发设计价值。通过设计锻炼学生理论结合实践，解决实际问题的能力。本毕业设计课题，要求学生通过毕业设计，学会查阅相关参考资料，掌握自动化系统相关设计的步骤和方法，将专业知识应用到实际课题的设计中去，要求完成系统硬件搭建和软件设计，完成硬件模型的构建，软件系统的调试，实现毕业设计预期设定的行车速度、拐弯半径等功能，设计完成后，设计作品参加飞思卡尔智能车竞赛，检验设计效果。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括图表、实物等硬件要求： （1） 画出主要硬件搭建结构框图、软件设计流程图（2） 说明主要控制原理及方案（3） 完成毕业设计报告（包括中英文摘要、设计依据的标准和规范、方案比对优化及确定、设备选型等）（4） 毕业设计完成的作品或实物应设计合理，设计计算准确，设计能达到预期效果4主要参考文献： 1 卓晴, 黄开胜,邵贝贝. 学做智能车M. 北京:北京航天航空大学出版社, 2007.3 2 臧杰，阎岩. 汽车构造M. 北京. 机械工业出版社M20053 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法M.清华大学出版社，2004 4 楚现知，吴吉祥，李锦忠. 基于LabVIEW的监控界面设计与单片机的串行通信J.工业控制计算机，2005年18卷第7期 5 杨晖，曲秀杰. 图像分割方法综述.电脑开发与应用J.2005.3 6俞斌，翁华，华文. 浙江大学EE-fly队技术报告. 7张鹏，徐怡，任亚楠.北京科技大学CCD一队技术报告. 8庆楠，蔡兴旺，潘锦州. 上海大学S.U.L挑战者技术报告. 9 胡晨晖, 陆佳南,陈立刚. 上海交通大学CyberSmart 队技术报告. 10 林辛凡, 李红志, 黄颖. 清华大学三角洲队技术报告. 11卓晴，王琎，王磊. 基于面阵CCD的赛道参数检测方法. 电子产品世界，200612王琳，商周，王学伟数据采集系统的发展与应用电测与仪表，2004，41（464）：4813张伟等Protel DXP高级应用M北京. 人民邮电出版社200214邵贝贝，龚光华单片机认识与实践北京：北京航空航天大学出版社，200615胡寿松.自动控制原理.北京:科学出版社.2001 年2 月第4 版16阎石.数字电子技术基础M.北京. 高等教育出版社，2006.5 毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起讫日期工 作 内 容2015.11.102015.12.13调研、收集相关资料、对学生进行初步辅导，拟题、选题、填写任务书。2015.12.152015.12.31学生查看任务书，为毕业设计的顺利完成，进行前期准备。12月31日前正式下发任务书。12月21日两个系提交专业选题分析总结（撰写要求详见对内通知中附件2）2016.01.092016.04.05学生在指导教师的具体指导下进行毕业设计创作；拟定论文提纲或设计说明书（下称文档）提纲；撰写及提交开题报告、外文参考资料及译文、论文大纲；在2016年4月5日前学生要提交基本完成的毕业设计创作成果以及文档的撰写提纲，作为中期检查的依据。指导教师指导、审阅，定稿由指导教师给出评语，对论文主要工作未通过的学生下发整改通知。2016.04.062016.04.10提交中期课题完成情况报告给指导教师审阅；各专业组织中期检查（含毕业设计成果验收检查）。2016.04.112016.05.10进行毕业设计文档撰写；2016年5月8日为学生毕业设计文档定稿截止日。2016年5月9日-13日，指导教师和评阅教师通过毕业设计（论文）管理系统对学生的毕业设计以及文档进行评阅，包括打分和评语。5月1日前，做好答辩安排，通知学生回校进行答辨2016.05.142016.05.15查看答辩安排，毕业设计（论文）小组答辩2016.05.162016.05.29对未通过答辨的学生进行二次答辨完成毕业设计的成绩录入2016.05.302016.06.07根据答辩情况修改毕业设计（论文）的相关材料，并在毕业设计（论文）管理系统中上传最终稿，并且上交纸质稿。2016年6月7日为学生毕业设计文档最终稿提交截止日。2016.06.072016.06.30各系提交本届毕业设计（论文）的工作书面总结及相关材料。所在专业审查意见：通过负责人： 2015 年 12 月28 日 毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字左右的文献综述： 智能汽车是一种正在研制但尚未应用到社会生活中的新型高科技汽车，这种汽车集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集中的应用到制动控制、模糊识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多学科，具有重要的军用和民用价值。 智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，研究人员从智能汽车的信息系统、控制系统、网络环境及智能结构等几个方面进行研究。智能汽车由导航信息资料， GPS 定位系统，紧急报警系统，无线通信系统，自动驾驶系统、探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统等组成，智能汽车通过GPS 实时分析车所在位置、行驶方向、速度等实时信息通过与导航信息资料对比得出车所在道路的状况，并把信息实时传输给指挥中心。由指挥中心综合分析后发出指令信息，根据指挥中心发回的指令信息自动驾驶，高效、快速、安全地完成驾驶任务，实现辆的智能控制。 智能车有极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；它也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶由于人的反应速度及信息获取受到能见度的影响经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生。可见，智能汽车的发展将在很大程度上解决现在交通中遇见的部分问题。 智能汽车与一般所说的自动驾驶有所不同，它指的是利用多种传感器和智能公路技术实现的汽车自动驾驶。智能汽车首先有一套导航信息资料库，存有全国高速公路、普通公路、城市道路以及各种服务设施的信息资料；其次是GPS定位系统，利用这个系统精确定位车辆所在的位置，与道路资料库中的数据相比较，确定以后的行驶方向；道路状况信息系统，由交通管理中心提供实时的前方道路状况信息，如堵车、事故等，必要时及时改变行驶路线；车辆防碰系统，包括探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统 ，控制与其他车辆的距离，在探测到障碍物时及时减速或刹车，并把信息传给指挥中心和其他车辆；紧急报警系统，如果出了事故，自动报告指挥中心进行救援；无线通信系统，用于汽车与指挥中心的联络；自动驾驶系统，用于控制汽车的点火、改变速度和转向等。 智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通领域当中。 通常对车辆的操作实质上可视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。驾驶员既要接受环境如道路、拥挤、方向、行人等的信息，还要感受汽车如车速、侧向偏移、横摆角速度等的信息，然后经过判断、分析和决策，并与自己的驾驶经验相比较，确定出应该做的操纵动作，最后由身体、手、脚等来完成操纵车辆的动作。因此在整个驾驶过程中，驾驶员的人为因素占了很大的比重。一旦出现驾驶员长时间驾车、疲劳驾车、判断失误的情况，很容易造成交通事故。 通过对车辆智能化技术的研究和开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全畅通、高效。对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性。智能车辆的主要特点是以技术弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶。 “飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在己举办全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大专业竞赛的基础上，经研究决定，委托高等学校自动化专业教学指导分委会主办自2006年每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。高等学校自动专业教学指导分委会决定飞思卡尔半导体公司为协办单位，赛事冠名为“飞思卡尔”杯。竞赛要求参赛者在提供的模型车体及主微控制器芯片基础上设计制作具有自主道路识别能力并满足比赛规则的智能汽车，在赛道上以最快速度完成赛程者为优胜。 与以往的专业竞赛不同，智能车大赛是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、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新比赛，已经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。 智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。比赛要求参赛队伍研究并设计一款能够自主辨识路线并能够自主行驶的智能车，在专门设计的封闭跑道上行驶，跑完整个赛程用时越短的参赛队伍成绩越好。智能车的设计要求参赛队伍首先对汽车动力学有一定的研究和了解，从而设计合理的机械结构。同时要求参赛队伍自行设计控制器系统电路、图像采集模块电路、电机驱动电路、电源模块电路等多个部分的电路。在硬件平台搭建完成后，参赛队伍要对智能车系统的路线辨识以及控制算法进行开发和调试，为了后期的调试方便，可以开发用于调试的上位机监控程序。 参考文献：1 卓晴, 黄开胜,邵贝贝. 学做智能车M. 北京:北京航天航空大学出版社, 2007.3 2 臧杰，阎岩. 汽车构造M. 北京. 机械工业出版社M20053 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法M.清华大学出版社，2004 4 楚现知，吴吉祥，李锦忠. 基于LabVIEW的监控界面设计与单片机的串行通信J.工业控制计算机，2005年18卷第7期 5 杨晖，曲秀杰. 图像分割方法综述.电脑开发与应用J.2005.3 6俞斌，翁华，华文. 浙江大学EE-fly队技术报告. 7张鹏，徐怡，任亚楠.北京科技大学CCD一队技术报告. 8庆楠，蔡兴旺，潘锦州. 上海大学S.U.L挑战者技术报告. 9 胡晨晖, 陆佳南,陈立刚. 上海交通大学CyberSmart 队技术报告. 10 林辛凡, 李红志, 黄颖. 清华大学三角洲队技术报告. 11卓晴，王琎，王磊. 基于面阵CCD的赛道参数检测方法. 电子产品世界，2006 12王琳，商周，王学伟数据采集系统的发展与应用电测与仪表，2004，41（464）：48 13张伟等Protel DXP高级应用M北京. 人民邮电出版社2002 14邵贝贝，龚光华单片机认识与实践北京：北京航空航天大学出版社，200615胡寿松.自动控制原理.北京:科学出版社.2001 年2 月第4 版16阎石.数字电子技术基础M.北京. 高等教育出版社，2006.5毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 本课题设计一个基于飞思卡尔xs128单片机的能够自主识别道路并行驶的智能车模。在模型车的制作过程中，最关键的问题就是如何探寻黑线，如何施以合适的控制策略来确保小车沿黑线尽可能快速稳定前进。而探寻黑线的准确与否将直接影响小车行进的稳定效果，故而，设计出准确的寻线系统是该智能车制作过程中最重要的环节。而寻线一般有两种方案，即光电传感器和摄像头，光电传感器简单易行，抗干扰能力强，但是其探测距离较短，不能对前方道路信息作成很好的预测判断，而且单个光电传感器的功能有限，需要较多的传感器构成光电阵列来检测，这样不仅增加了车辆的重量，不利于快速前行，而且也会使得小车过宽，严重影响其安全性。本课题采用摄像头，充分利用其探测距离长，道路可预测信息强的优点，对其采集到的道路信息进行分析处理，利用PID 算法实现对小车行进的控制。根据摄像头对黑白灰度值不同的分辨率采集赛道的黑色引导线信息，根据得到的每帧图像信息，判断小车偏离黑线的程度，并确定前方赛道是直道、弯道抑或是S道，再根据各种不同的赛道，予以相应的控制策略，基于“进弯减速，出弯加速”的原则，并且以直线方式冲过S 道以减少转弯浪费的时间，使小车能够提前准备转弯等动作，从而防止小车因为直道加速过大而使得转弯时速度难以减下来而冲出赛道，分析摄像头获得的图像信息，读入速度传感器获得的速度，利用增量式PID 算法实现速度的闭环反馈控制。 本课题的主要研究手段是：以模型车体为基础架构以K60为主 控芯片，制作出具有自主道路识别、自动调速能力的自适应控制智能汽车，因此从以下几个宏观的方向做规划安排：1 .硬件设计l小车的组装、系统优化l摄像头与舵机安装方案设计l电源模块、电机驱动模块，测速模块以及单片机模块的设计2 .软件设计l视频采集与去噪方案的实现lPID算法的研究与实现软硬件的统调毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 指导教师意见：1对“文献综述”的评语：文献综述的阅读量和相关性符合相关要求，文献综述能清楚表达原文献的相关观点。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题的深度适中、广度及工作量适中，相信通过师生的共同努力能够较好的完成毕业设计（论文）的预期目标和任务。3.是否同意开题： 同意 不同意 指导教师： 2016 年 03 月 14 日所在专业审查意见：同意 负责人： 2016 年 03 月 22 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的框架成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。5.开题报告（文献综述）字体请按宋体、小四号书写，行间距1.5倍。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字的文献综述： 智能汽车是一种正在研制但尚未应用到社会生活中的新型高科技汽车，这种汽车集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集中的应用到制动控制、模糊识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多学科，具有重要的军用和民用价值。 智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，研究人员从智能汽车的信息系统、控制系统、网络环境及智能结构等几个方面进行研究。智能汽车由导航信息资料， GPS 定位系统，紧急报警系统，无线通信系统，自动驾驶系统、探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统等组成，智能汽车通过GPS 实时分析车所在位置、行驶方向、速度等实时信息通过与导航信息资料对比得出车所在道路的状况，并把信息实时传输给指挥中心。由指挥中心综合分析后发出指令信息，根据指挥中心发回的指令信息自动驾驶，高效、快速、安全地完成驾驶任务，实现辆的智能控制。 智能车有极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；它也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶由于人的反应速度及信息获取受到能见度的影响经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生。可见，智能汽车的发展将在很大程度上解决现在交通中遇见的部分问题。 智能汽车与一般所说的自动驾驶有所不同，它指的是利用多种传感器和智能公路技术实现的汽车自动驾驶。智能汽车首先有一套导航信息资料库，存有全国高速公路、普通公路、城市道路以及各种服务设施的信息资料；其次是GPS定位系统，利用这个系统精确定位车辆所在的位置，与道路资料库中的数据相比较，确定以后的行驶方向；道路状况信息系统，由交通管理中心提供实时的前方道路状况信息，如堵车、事故等，必要时及时改变行驶路线；车辆防碰系统，包括探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统 ，控制与其他车辆的距离，在探测到障碍物时及时减速或刹车，并把信息传给指挥中心和其他车辆；紧急报警系统，如果出了事故，自动报告指挥中心进行救援；无线通信系统，用于汽车与指挥中心的联络；自动驾驶系统，用于控制汽车的点火、改变速度和转向等。 智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通领域当中。 通常对车辆的操作实质上可视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。驾驶员既要接受环境如道路、拥挤、方向、行人等的信息，还要感受汽车如车速、侧向偏移、横摆角速度等的信息，然后经过判断、分析和决策，并与自己的驾驶经验相比较，确定出应该做的操纵动作，最后由身体、手、脚等来完成操纵车辆的动作。因此在整个驾驶过程中，驾驶员的人为因素占了很大的比重。一旦出现驾驶员长时间驾车、疲劳驾车、判断失误的情况，很容易造成交通事故。 通过对车辆智能化技术的研究和开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全畅通、高效。对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性。智能车辆的主要特点是以技术弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶。 “飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。 教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在己举办全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大专业竞赛的基础上，经研究决定，委托高等学校自动化专业教学指导分委会主办自2006年每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。高等学校自动专业教学指导分委会决定飞思卡尔半导体公司为协办单位，赛事冠名为“飞思卡尔”杯。竞赛要求参赛者在提供的模型车体及主微控制器芯片基础上设计制作具有自主道路识别能力并满足比赛规则的智能汽车，在赛道上以最快速度完成赛程者为优胜。 与以往的专业竞赛不同，智能车大赛是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、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新比赛，已经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。 智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。比赛要求参赛队伍研究并设计一款能够自主辨识路线并能够自主行驶的智能车，在专门设计的封闭跑道上行驶，跑完整个赛程用时越短的参赛队伍成绩越好。智能车的设计要求参赛队伍首先对汽车动力学有一定的研究和了解，从而设计合理的机械结构。同时要求参赛队伍自行设计控制器系统电路、图像采集模块电路、电机驱动电路、电源模块电路等多个部分的电路。在硬件平台搭建完成后，参赛队伍要对智能车系统的路线辨识以及控制算法进行开发和调试，为了后期的调试方便，可以开发用于调试的上位机监控程序。参考文献：1 卓晴, 黄开胜,邵贝贝. 学做智能车M. 北京:北京航天航空大学出版社, 2007.3 2 臧杰，阎岩. 汽车构造M. 北京. 机械工业出版社M20053 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法M.清华大学出版社，2004 4 楚现知，吴吉祥，李锦忠. 基于LabVIEW的监控界面设计与单片机的串行通信J.工业控制计算机，2005年18卷第7期 5 杨晖，曲秀杰. 图像分割方法综述.电脑开发与应用J.2005.3 6俞斌，翁华，华文. 浙江大学EE-fly队技术报告. 7张鹏，徐怡，任亚楠.北京科技大学CCD一队技术报告. 8庆楠，蔡兴旺，潘锦州. 上海大学S.U.L挑战者技术报告. 9 胡晨晖, 陆佳南,陈立刚. 上海交通大学CyberSmart 队技术报告. 10 林辛凡, 李红志, 黄颖. 清华大学三角洲队技术报告. 11卓晴，王琎，王磊. 基于面阵CCD的赛道参数检测方法. 电子产品世界，200612王琳，商周，王学伟数据采集系统的发展与应用电测与仪表，2004，41（464）：4813张伟等Protel DXP高级应用M北京. 人民邮电出版社200214邵贝贝，龚光华单片机认识与实践北京：北京航空航天大学出版社，200615胡寿松.自动控制原理.北京:科学出版社.2001 年2 月第4 版16阎石.数字电子技术基础M.北京. 高等教育出版社，2006.5毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 本课题设计一个基于飞思卡尔xs128单片机的能够自主识别道路并行驶的智能车模。在模型车的制作过程中，最关键的问题就是如何探寻黑线，如何施以合适的控制策略来确保小车沿黑线尽可能快速稳定前进。而探寻黑线的准确与否将直接影响小车行进的稳定效果，故而，设计出准确的寻线系统是该智能车制作过程中最重要的环节。而寻线一般有两种方案，即光电传感器和摄像头，光电传感器简单易行，抗干扰能力强，但是其探测距离较短，不能对前方道路信息作成很好的预测判断，而且单个光电传感器的功能有限，需要较多的传感器构成光电阵列来检测，这样不仅增加了车辆的重量，不利于快速前行，而且也会使得小车过宽，严重影响其安全性。本课题采用摄像头，充分利用其探测距离长，道路可预测信息强的优点，对其采集到的道路信息进行分析处理，利用PID 算法实现对小车行进的控制。根据摄像头对黑白灰度值不同的分辨率采集赛道的黑色引导线信息，根据得到的每帧图像信息，判断小车偏离黑线的程度，并确定前方赛道是直道、弯道抑或是S道，再根据各种不同的赛道，予以相应的控制策略，基于“进弯减速，出弯加速”的原则，并且以直线方式冲过S 道以减少转弯浪费的时间，使小车能够提前准备转弯等动作，从而防止小车因为直道加速过大而使得转弯时速度难以减下来而冲出赛道，分析摄像头获得的图像信息，读入速度传感器获得的速度，利用增量式PID 算法实现速度的闭环反馈控制。本课题的主要研究手段是：以模型车体为基础架构以K60为主 控芯片，制作出具有自主道路识别、自动调速能力的自适应控制智能汽车，因此从以下几个宏观的方向做规划安排：1 .硬件设计l 小车的组装、系统优化l 摄像头与舵机安装方案设计l 电源模块、电机驱动模块，测速模块以及单片机模块的设计2 .软件设计l 视频采集与去噪方案的实现l PID算法的研究与实现软硬件的统调毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：3.是否同意开题： 同意 不同意指导教师： 年 月 日所在专业审查意见：负责人： 年 月 日目 录1 引言1 1.1 发展现状 1 1.2 方案简介 1 1.3 文章结构 22 系统整体框架 2 2.1 系统整体框架 2 2.2 系统硬件参数 3 2.3 车模外形 43 模块的基本方案及论证4 3.1 图像采集模块 4 3.2 速度采集模块 5 3.3 电机驱动模块 6 3.4 舵机驱动模块 7 3.5 电源管理模块 7 3.6 调试模块 7 3.7 最终决策方案 74 机械结构调整8 4.1 总体机械结构 8 4.2 摄像头的安装 8 4.3 系统PCB板的安装 9 4.4 稳定性调整 9 4.4.1 主销后倾角9 4.4.2 前轮前束 10 4.5 底盘抬高策略 10 4.5.1 后轮底盘升高 10 4.5.2 后轮位置的固定 11 4.5.3 前轮底盘升高 115 信息采集模块 11 5.1 摄像头及其采集电路设计12 5.1.1 摄像头简介 12 5.1.2 摄像头的工作原理 12 5.1.3 摄像头路径识别原理 17 5.1.4 摄像头的选取 18 5.1.5 摄像头提取信号 19 5.1.6 摄像头的安装 19 5.2 速度检测电路 206 执行模块电路设计 20 6.1 电机驱动电路 20 6.2 舵机 217 电源模块 22 7.1 总体电源电路 22 7.2 单片机等5V 稳压芯片的选择 23 7.2.1 芯片的选择 23 7.2.2 电路实现 23 7.3 CMOS 摄像头用电源 24 7.4 舵机电源 248 系统软件设计 25 8.1 概述 25 8.2 整体过程 25 8.3 MCU 简介 25 8.4 系统初始化26 8.4.1 摄像头初始化 26 8.4.2 PWM初始化26 8.4.3 超频设置 27 8.5 图像采集和黑线提取 27 8.5.1 图像采集 27 8.5.2 黑线提取 29 8.6 速度控制30 8.6.1 速度控制介绍 30 8.6.2 简单沿线行驶策略 31 8.6.3 最佳行驶路线策略 31 8.6.4 速度获取 339 开发工具、制作调试过程 33 9.1 软件开发平台Codewarrior IDE 33 9.1.1 Codewarrior IDE 功能介绍 33 9.1.2 Codewarrior IDE 基本使用方法 33 9.2 辅助调试方法3510 结论35参考文献 37附 录 38外文资料 55中文翻译 64目 录摘 要 Abstract 1 绪论1 1.1 课题背景 1 1.2 设计思路 12 系统整体框架 2 2.1 系统整体框架 2 2.2 系统硬件参数 2 2.3 车模外形 33 模块的基本方案及论证4 3.1 图像采集模块 4 3.2 速度采集模块 4 3.3 电机驱动模块 5 3.4 舵机驱动模块 5 3.5 电源管理模块 5 3.6 调试模块 6 3.7 最终决策方案 64 信息采集模块 7 4.1 摄像头及其采集电路设计 7 4.1.1 摄像头简介 7 4.1.2 摄像头的工作原理 7 4.1.3 摄像头路径识别原理 10 4.1.4 摄像头的选取 11 4.1.5 摄像头提取信号 11 4.1.6 摄像头的安装 12 4.2 速度检测电路 125 执行模块电路设计 13 5.1 电机驱动电路 13 5.2 舵机 146 电源模块 15 6.1 总体电源电路 15 6.2 单片机等5V稳压芯片的选择 14 6.2.1 芯片的选择 15 6.2.2 电路实现 15 6.3 CMOS 摄像头用电源 16 6.4 舵机电源 16 7 系统软件设计 17 7.1 概述 17 7.2 整体过程 17 7.3 系统初始化17 7.3.1 摄像头初始化 17 7.3.2 PWM初始化18 7.3.3 超频设置 18 7.4 图像采集和黑线提取 19 7.4.1 图像采集 19 7.4.2 黑线提取 19 7.5 速度控制20 7.5.1 速度控制介绍 20 7.5.2 沿线行驶策略 20 7.5.3 最佳行驶路线策略 20 7.5.4 速度获取 218 开发工具、制作调试过程 22 8.1 软件开发平台Codewarrior IDE 22 8.1.1 Codewarrior IDE 功能介绍 22 8.1.2 Codewarrior IDE 基本使用方法 22 8.2 辅助调试方法238.3 车模安装与调试239 结论 25参考文献 26附 录 27致 谢 41V基于摄像头的飞思卡尔智能循迹小车设计摘 要本文介绍了一种智能车的寻迹设计方案。由总到分地介绍了系统的硬件和软件设计思想路，再从各模块具体介绍如何设计。该系统以K60 芯片为核心，使用摄像头获取赛道的路况，计算出黑线中点的坐标，推出小车偏离赛道的角度，分辨出赛道的形状，对信息进行更深化的处理来控制转动舵机的角度，使用传感器来获取当时的速度，使用PID 算法实现闭环反馈控制。文章详细介绍了图像采集模块、速度采集模块等信息采集模块和电机驱动模块和舵机驱动模块等动作执行模块的方案选取和电路设计原理，还介绍了系统调试方法策略。测试表明，该智能车能够很好的跟随黑色引导线，可以实现对应于不同形状的道路采用相应的控制策略进行寻迹，可快速稳定的完成的整个赛道的行程。关键字：飞思卡尔； 单片机； 摄像头； 速度传感器； PIDBased on the Freescale Intelligence of Cameras Tracking Car DesignAbstractThis article brings a complete model of intelligent car design which follows the black line closely and also describes the process of detail of the design. From the whole to detail, we introduce the design method of the hardware and software, and then we present every module of the model at large.The intelligent car system, with single-chip MC9S12DG128 as its information management and sending out control command center, uses image-sensor module based on camera to obtain lane image information, then abstract the black line on the contest lane, and calculates the position difference between the car and the black line, distinguishes the different shape of the lane, then we analyze and deal with the information farther to control the steering angle. This article introduces the scheme selection and the circuit design theory of the information collection module which comprises the image collecting module and speed collecting module and action executing module which includes the motor drive module and steer drive module.The experimental evaluation indicates that the model car is able to follow the black line on the lane closely, realize the function that it executes corresponding control strategy toward different shape lane, and accomplishes the whole journey fast and steadily.Key words：Freescale；Single-chip； micro camera； speed sensor； PID 1 绪 论1.1 课题背景智能汽车，是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集中地应用到自动控制、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，是典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶。这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行操作。通常，智能车接受辅助定位系统提供的信息完成路径规划，如由GPS 等提供的地图，交通拥堵状况，道路条件等信息。1.2设计思路按照课题要求，需要制作出一个能够自主识别道路并行驶的智能车模。那么在模型车的制作过程中，最关键的问题就是如何探寻黑线，如何施以合适的控制策略来确保小车在不违背比赛规则的前提下沿赛道尽可能快速稳定前进。而探寻黑线的准确与否将直接影响小车行进的稳定效果，故而，设计出准确的寻线系统是该智能车制作过程中最重要的环节。而寻线一般有两种方案，即光电传感器和摄像头，光电传感器简单易行，抗干扰能力强，但是其探测距离较短，不能对前方道路信息作成很好的预测判断，而且单个光电传感器的功能有限，需要较多的传感器构成光电阵列来检测，这样不仅增加了车辆的重量，不利于快速前行，而且也会使得小车过宽，容易撞倒道旁边的插杆，严重影响其安全性。本文采用摄像头，充分利用其探测距离长，道路可预测信息强的优点，对其采集到的道路信息进行分析处理，利用PID 算法实现对小车行进的控制。根据摄像头对黑白灰度值不同的分辨率采集赛道的黑色引导线信息，根据得到的每帧图像信息，判断小车偏离黑线的程度，并确定前方赛道是直道、弯道抑或是S道，再根据各种不同的赛道，予以相应的控制策略，基于“进弯减速，出弯加速”的原则，并且以直线方式冲过S 道以减少转弯浪费的时间，利用摄像头得到信息的预测方向，使小车能够提前准备转弯等动作，从而防止小车因为直道加速过大而使得转弯时速度难以减下来而冲出赛道，分析摄像头获得的图像信息，读入速度传感器获得的速度，利用增量式PID 算法实现速度的闭环反馈控制。32 系统整体框架2.1 系统整体框架为了使小车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能地高速前进，小车必须具备一套集导引线检测并实时控制汽车速度、姿态的智能处理单元。小车主要由以下几大部分组成：信息处理芯片，图像采集模块，速度采集模块，电机驱动模块，舵机驱动模块，电源管理模块，调试模块。整个系统的结构示意图2.1 所示: 图2.1总体框架工作过程：系统将图像采集模块，速度采集模块采集到的路况信息、速度信息送至整个系统的核心部分MC9S12XS128 进行分析处理，然后发出相应控制命令输出到执行模块的电机和舵机执行适宜的速度和转向动作，配以键盘方便实时调试，进而实现整个系统的闭环反馈控制。2.2 系统硬件参数通过多次的调试，我们最终确定了小车系统的各硬件参数：系统PCB板的设计安装，摄像头安装的倾斜角度、高度及距离前轮距离等，表2.1 硬件参数项目参数赛道数据采集摄像头车模大小286，160，85传感器种类摄像头赛道信息检测空间精度（毫米）6mm赛道信息检测频率50次/秒主要集成电路种类K602.3 车模外形在多次调试与修改车模之后，最后决定将车模进行如下的组装，实物如下图示： 图2.3整车模型3 模块的基本方案及论证3.1 图像采集模块为了探测小车前进过程中的路况信息，以及小车在沿黑线行走过程中的偏离黑线的程度等行驶状态信息，以便通过此信息来指导MCU应该怎样对执行部分发出命令，我们最终采用下面这种方法：直接采用摄像头：图3.1摄像头优点： 探测距离远，有很强的赛道预测能力；能精细地探测赛道，视角范围大，不会出现黑线漏检。缺点： 抗干扰性差，受光线影响大；运算量大，算法复杂，需要占用较多资源。决策方案： 通过CCD(CMOS)采集的赛道影像中获取中心线的位置，能提供很全面的赛道信息。同时，由于简化了电路，减小了体积，减轻了重量，更加合理有效地分配了整车的功率，使小车更快速稳定的前进。3.2 速度采集模块为了能够提高小车的总体速度，就需要使其能在直道上全速行驶，在弯道上也能够以比较快的速度前进，这就需要有准确的速度信息采集方案，将小车的速度值随时采集送到MCU，对速度进行闭环反馈控制，以使小车能够稳定高速的行驶。图3.2译码器方案： 采用速度传感器脉冲计数将测速传感器安装在小车后轮边上，把编码盘安装在靠近车轮的轴上，这样就可用检测黑线，产生脉冲，通过计数脉冲来测量小车的速度。优点： 原理简单，实现容易。缺点： 占用ECT 资源。决策方案： 由于我们对速度并不需要很准确，利用这种方式获得的速度值精度就够了。3.3 电机驱动模块电机驱动对速度控制有着决定性作用，所以使用以下这种方案：直流脉宽调速（PWM）图3.3电机驱动模块优点： 主电路不复杂，需要很少功率器件； 开关频率高，电流容易连续，电机损耗和发热都小；有很快的动态响应和很强的动态抗干扰能力；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小。缺点： 开关过渡过程中损耗大，在供电回路中会产生谐波。决策方案：最终采用了飞思卡尔公司的半桥式驱动器MC33886。这种驱动器是桥式驱动电路，通过对输入信号的控制，可以通过控制两个半桥的通断来实现电机的正反转。因为使用双路PWM信号进行驱动，我们同时使用两块芯片来发送信号。3.4 舵机驱动模块方案一：因为舵机的电源在4.5-6V 的范围内，电流100mA 左右，故而我们从电池电压通过串联两组二极管来获得，为了防止电流过大烧坏二极管，每一组二极管有3个二极管并联而成。方案二：采用稳压芯片将电池电源直接降压并稳定到6V。决策方案：经过实验测试，为了保证舵机的稳定工作，使用稳压芯片将电压降到6V 对舵机进行供电，选择方案二。3.5 电源管理模块为了保证各个部件的正常工作，电源的供给是十分重要的，需要对配发的标准车模用蓄电池进行电压调节。单片机系统、摄像头、车速传感器电路，等各个电路的工作电压不同，需要想办法来使得电压满足各自的要求，一种方法是利用升压或降压的芯片来达到它们的要求，另一种方法是利用双电源供电的方法，来实现各模块的不同需要，由于电路模块较多，该方案中仍需要升压或降压芯片。实际应用中，我们确定采用升压降压芯片等来实现对各个模块的供电要求。而且，在电路设计中，考虑到由于电机驱动所引起的电源不稳定，在电源输入端，各芯片电源引脚都加入滤波电路。3.6 调试模块通过键盘控制高速，中速，低速等几个功能。在不改变软件程序的前提下，随时根据赛道的变化而改变相应的速度。3.7 最终决策方案综上所述，总的整体方案如下：（1）采用摄像头获取赛道信息；（2）利用速度脉冲计数对速度检测；（3）双路PWM 驱动电机；（4）专用稳压芯片为舵机供电；（5）采用稳压芯片为各模块供电； （6）利用键盘实现实时调试。274 信息采集模块4.1 摄像头及其采集电路设计摄像头具有探测距离远，获取信息量大的优点。通过摄像头输入的数据，处理算法不仅可以提前预知前方道路的方向，而且还可以判断前方的道路是直道还是弯道，指导车速，执行拐弯动作等策略。4.1.1 摄像头简介（1）摄像头的发展摄像头作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的应用已变得越来越广泛。（2）摄像头的分类摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB 接口传输到计算机里。（3）摄像头的主要结构和组件n 镜头透镜结构：透镜,有塑胶透镜或玻璃透镜。n 图像传感器可以分为两类：CCD 和CMOS。n 数字信号处理芯片（DSP）4.1.2 摄像头的工作原理基于本次设计中对黑线的识别,只需要提取出被探测画面的灰度信息,不需要获取赛道色彩等其他信息,所以我们选择黑白模拟摄像头即可。黑白模拟摄像头的工作原理与黑白全电视信号的图像采集处理方式相同。因此，下面介绍黑白电视信号的工作方式，并借以一同说明了摄像头的工作原理：（1）全电视波形信号n 我国现行电视标准规定：啊啊以同步信号的幅值电平作为100；则消隐和黑色电平的相对幅度为75；白色电平相对幅度为1012.5；白色电平与黑色电平之间是图像信号电平。各脉冲的宽度为：A. 行同步4.7s； B. 场同步160s (2.5 行，H 表示行，V 表示场)； C. 均衡脉冲2.35s； D. 槽脉冲4.7s； E. 场消隐脉冲1612s； F. 行消隐脉冲12s。 n 我国广播电视扫描参数扫描方式：隔行扫描；行频：15625HZ； 场频：50HZ（帧频25HZ）；行周期:64us； 场周期：20ms；行正程时间：=52us； 场正程时间：=18.4ms；行逆程时间：=12us； 场逆程时间：f(x,y)= 0 u(x,y) 公式(4-3)式中的u(x,y)为原始数据,f(x,y)为二值化后的数据,为视频阈值。图4.7 CMOS的工作流程在再现真实的路径信息方面，视频数据去噪处理有着很重要作用，由于CMOS视觉传感器受环境影响较大，我们需要通过去噪算法进行去噪处理。CMOS图像传感器的典型工作流程：图4.74.1.4 摄像头的选取通过比较两种摄像头的性能比较表，我们选择了CCD摄像头进行赛道信息采集。CMOS与CCD图像传感器的性能比较如下表：表4.1 CMOS与CCD图像传感器的性能4.1.5 摄像头提取信号OV6620摄像头有模拟和数字两种信号输出，考虑到数据的稳定、外电路的简化以及单片机的运算能力，本文直接选用了它的数字信号，模拟信号只用来输入到显示器观察图像所用。4.1.6 摄像头的安装经过多次调试，我们最后采取这种摄像头安装方式：摄像头距地面最高高度为40cm，离前轮轴心距离为9cm，而前轮轴心距小车最前端距离为5cm，其摄像头的仰角、高度均可连续调节。4.2 速度检测电路经过调查，最终我们测量车速用的是欧姆龙公司生产的E6A2CW3C编码盘。因为比赛不需要倒车，所以实际只用分析编码盘的一路脉冲信号即可。5 执行模块电路设计5.1 电机驱动电路如前所述，本设计采用PWM直流脉宽调速，该方法有效地避免了串电阻调速其调速范围小，平滑性低的缺点，尽管也存在开关过渡过程损耗大，在供电回路中产生谐波等缺点，但可以通过合理选择开关频率等办法弥补不足。驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。我们考虑以下两种方案：(一)使用单片的电机驱动芯片：实现简单，但驱动电流仅5A左右。(二)两片电机驱动芯片并联：驱动电流达10A左右。比较：使用两片驱动芯片其驱动电流大，而且实现起来也不复杂，故而采用方案二，由两片MC33886芯片并联构成，并使用双路PWM信号进行驱动。其实现电路如下：图5.1 电机驱动电路5.2 舵机舵机本身时一个位置随动系统。经过调查，舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系呈线性分布：图5.2 舵机输出转角与控制信号脉宽的关系6 电源模块6.1 总体电源电路我们的车模中各个工作仪器工作环境的电压不一样，我们需要使用各种方法改变电源电压来使他们工作在额定电压下。本设计中，总体电源管理如图6.1示。图6.1 6.2 单片机等5V稳压芯片的选择6.2.1 芯片的选择我们经过调查可以清楚的发现TPS7150的优势，所以最终我们选定TPS7150最为主要降压芯片。6.2.2 电路实现使用TPS7150实现5V稳压，TPS7150的典型应用是输入电压为7V-40V，通过图7.2所示方法连接电路，便可得到稳定的5V电压。图6.2 5V系统电压电路电源6.3 CMOS摄像头用电源由于采用的OV6620直接有数字信号输出，因此不需要再进行AD转换，我们只需对摄像头提供5V电源，并使用一个接插件连接摄像头的数据信号即可，电路如图7.3所示：图6.3 摄像头电源电路6.4 舵机电源同样使用线性稳压芯片TPS7150得到6V电源向舵机供电。如图6.4所示：图6.4 舵机电源7系统软件设计7.1 概述硬件是整个系统的躯体，而软件就是赋予其思想的灵魂。在小车的整个软件设计中，主要有以下几个方面：一、摄像头图像采集；二、黑线提取；三、速度控制。其中图像采集和黑线提取是后者的基础，故而我们先介绍设计的总体过程，再从图像采集入手，逐步介绍各个模块。7.2 整体过程准备好硬件设备后，我们利用多的的信息分别对小车的速度和角度进行控制，如图7.1所示：图7.1 软件设计过程7.3 系统初始化 7.3.1 摄像头初始化我把行同步信号接到单片机的PT1引脚，所以当产生一个中断时会采集该行。 初始化程序包含其中断，具体过程如下：TIE_C1I=1; /中断IC1使能TIOS=0x00; /输入捕捉TCTL4=0x09; /通道0上升沿触发，通道1下降沿触发 场中断下降沿捕捉，行中断上升沿捕捉7.3.2 PWM初始化 脉冲宽度调制（PWM）模块有八个独立的8位PWM通道，每个通道可设置周期和占空比，并配有专柜。分别控制模块8个信号4个时钟源。 PWM模块的初始化设置过程如下：PWME=0x00; /关闭PWMPWMCTL=0xfb; / choose 16_bit mode PWMPWMCAE=0x00; /左对齐方式；PWMPOL=0xff; /极性位 = 1, duty = 高电平时间PWMCLK=0xff; /select clock mode SA/SB for all channelsPWMPRCLK=0x00; PWMSCLA=32; /ClockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)PWMPER01=10000; / 舵机 频率50HZ， 周期20msPWMDTY01=775; / 舵机无转向时的的占空比PWMSCLB=8;PWMPER23=2000; /电机in1 频率1KhzPWMDTY23=0; PWME=0x0a; /enable PWMchannel 01,23 7.3.3 超频设置 S12单片机中有四个不同的时钟，即外部晶振时钟、锁相环时钟、总线时钟和内核时钟。目前电路采用的是16MHz的外部晶振，默认设置下，锁相环时钟为32MHz，总线时钟为8MHz，内核时钟为16MHz。通过将PLLSEL置位，可选择总线时钟从锁相环时钟获得，而锁相环时钟与外部晶振时钟的关系由SYNR、REFDV两寄存器决定。通过寄存器设置，将总线时钟超频到了32MHz。由于总线时钟用作片上外围设备的同步，而内核时钟则用作CPU的同步，它决定了指令执行的速度。具体设置过程为：REFDV=0x03;SYNR=0x07; /PLL_CLOCK=2*OSC*(1+SYNR)/(1+REFDV)=64Mwhile(!CRGFLG_LOCK); /等待 VCO 稳定CLKSEL|=0x80; /BUS_CLOCK=PLL_CLOCK/2=32M7.4 图像采集和黑线提取7.4.1 图像采集采集数据的过程如下：因为一帧数据的前28行为场同步脉冲，故而将其舍弃，判断是否到达第28行，满足条件则采集数据，采用的方法是隔行采集，每7行一个采集周期，每一行采集50个点，并采集的数据点保存，一行的列数采集完毕，则将列计数清零，行数采集到40，采集完一帧数据后，清零行计数，准备采集下一帧数据。具体实现过程见图7.2流程图所示：图7.2 图像采集流程图7.4.2 黑线提取在提取黑线中心位置的时候，我们主要通过以下步骤进行操作：Step1、寻找黑线边界位置；Step2、初步确定每行黑线中心位置；Step3、滤波得到黑线中心位置；Step4、隔行提取，得到最终黑线中心位置数据。7.5 速度控制7.5.1 速度控制介绍 经过多次调试，由于使用的是加速减速特性较差的低负载简易永磁直流电机，而我们的小车对速度控制的精度要求并不高，所以选择bang-bang控制的快速性与开环的快速稳定性相结合，让电机动态稳定在一定转速下。7.5.2 沿线行驶策略 简单沿线行驶策略的目标是控制舵机使得赛车尽可能沿着导引线前进。如果采用光电管寻线方案，由于探测距离有限，即使赛车检测到导引线进入弯道时，立即开始按照距离偏差的正比执行转向，开始时角度偏转也将很小。若采用PID控制的D分量，由于微分量反映了路径曲率的变化，增加了这一项，可以提前对舵机进行转向控制。 经过长期测试，发现添加I参数后系统变得非常不稳定，所以这里只用了PD控制。改变P、D值发现，当路径偏差小的时候赛车跑完全程的时间就短，当方差等于40.3时，赛车的速度最快。因为路径偏差是赛车调整次数和调整程度的反映，当赛车调整次数少并且调整量小的时候，赛车就减少了走不必要路程的时间，总的时间当然就小了。 从理论上分析，当加入D分量后，赛车的动态特性基本不变，而超调变小。 由于采用摄像头对导引线进行识别，就可以在较早的时候检测到弯道，这样只要P参数足够大，便可保证赛车有足够的转向，所以D分量的作用几乎可以忽略不计，故本设计中也就只用了P控制。但是由于赛车在不同路段上的速度不同，为了保证系统稳定性，赛车的预瞄距离和对每行黑线偏差进行校正的P系数是动态选取的。7.5.3 最佳行驶路线策略 想要选取最佳路线，我们要使小车沿着赛道中心行驶，这样可以是小车速度保持最优，减少行驶时间。需要做到这种程度，我们需要将不同赛道区分开判断，并且要减少小车过s弯时的转弯幅度，尽量走直线，甚至直接冲过去。 我们可以直接通过摄像头的信号或者通过赛道记忆信息判别s弯。这里先讨论前者，第二种方法将在后进行详述。S弯和直道一样的黑线位置都在摄像头采集到的图像中间的某一范围内，而普通弯道会从图像的一边转出去，通过这个特征我们就可以判别出S弯。此外还尝试了通过远端斜率判断和图像积分来区分弯道。 远端斜率控制：比较图7.3的两幅图的远端斜率就能将普通弯道与S弯区分出来。 图像积分：通过实际测试发现图像积分对S弯道的检测和控制非常有效，但它同时也是把双刃剑，图像积分的使用会使小车对整个赛道的灵敏度降低，反而得不偿失。图7.3 普通弯与S弯判别出S弯后，我们要对舵机发出控制命令，使小车尽量减少摆动幅度冲过S弯。由于我们的舵机采用的是P控制，为了达到目的，我们在s弯时把P系数取得很小，同时摄像头采集的距离也取得远一些，这样舵机就能降低对S弯上导引线的敏感程度，以较小的摆动幅度冲过S弯。如图8.4所示，图中黑色曲线为S形导引线，路线1、路线2和最佳路线的P参数依次递减。图7.4 不同P参数下S道行驶效果7.5.4 速度获取 程序流程如图7.5所示.图7.5 速度获取8 开发工具、制作调试过程8.1软件开发平台Codewarrior IDE8.1.1 Codewarrior IDE 功能介绍CodeWarrior IDE 能够自动检查代码中的语法错误，它通过一个集成的调试器和编辑器来扫描代码，以找到并减少明显的错误，然后编译、链接程序以便计算机能够理解和执行程序。每个应用程序都经过了像CodeWorrior 这样的开发工具进行编辑、编译、链接和调试的过程。具体到比赛所应用 K60 的一个显著特点就是片上外围设备众多，每个外围设备对应的寄存器也较多，有的甚至达到三十多个。Metrowerks Codewarrior IDE 中的一个文件对所有寄存器对应的存储映射地址都进行了宏定义，开发者在软件开发时直接调用这些宏就可以了。这些宏的名称都与说明文档上相应寄存器的名称相同或近似，这样便于对K60 的开发。8.1.2 Codewarrior IDE 基本使用方法运行程序出现如图8.1的对话框：图8.1建立软件环境过程1按照提示选取期望的选项。直至建立工程文件如图8.2所示：图8.2 建立软件环境过程2 8.2 辅助调试方法根据仿真平台需要实现的各个功能，设计出仿真平台程序框图，利用LabVIEW编程软件编写程序。由于在LabVIEW环境下，程序基于数据流运行，所以宏观上，程序按照框图中各个功能模块的先后顺序结构执行；微观上,具体到每个功能模块内部实现时，其执行顺序由数据流的先后顺序决定。如：小车的转角显示和速度显示都是在同一个循环体内实现，但其执行的先后顺序是随机的。尽管如此，这种随机性并会不影响到程序的正确执行。在LabVIEW编程环境下，除了图形化的编程方式，与文本混合编程的特色，还值得注意的是其控件库包含了很多常用的功能模块。除了常用的数学函数，矩阵数组、显示、计时及文件I/O等模块外，还包括测量I/O模块、仪器I/O模块、应用程序接口模块、图形声音模块、信号处理模块、数据通信模块等。这些模块体现了LabVIEW与外界设备进行交互的强大功能，也符合了“仪器”的本质。每个功能模块集成了与外设交互的相关程序，因此程序员无需了解程序是如何跟外接设备建立连接的，也无需了解如何驱动外界设备，只需要根据功能模块的接口，接收/发送相关的数据即可。所以，与外接设备交互的繁琐细节被LabVIEW屏蔽了，程序员可以集中精力处理主程序。这为程序员提供了极大的方便，也最大限度的减小了程序体出现漏洞的可能性。在本硬件在环仿真平台中，用到LabVIEW提供的通信协议里的VISA配置串口，利用串口进行无线通信，轻易的就能实现数据的收发。8.3 车模安装与调试在一开始的过程中，车模安装成了一个大问题，因为之前没有过安装经验，所以摸索了好久。接线还是比较简单的，只是对模块的安装位置的选择上有了几种选择，尤其是译码器的安装遇到了很多问题。由于固定支架 与小车模型不是很匹配，我把支架的一部分减去，用螺丝固定在两边车身上；为了不影响电机齿轮的转动，在支架下垫了两片垫片，调整了译码器与齿轮的间距。经过多次安装测试，终于使小车能够正常行驶，并不影响最大速度，详情见图8.3.1,图8.3.2,图8.3.3,图8.3.4。图8.3.1 K60主板接线图 图8.3.2 舵机安装 图8.3.3译码器的安装图8.3.4 电源模块接线图9 结论本文介绍的结构和机械的调整方法飞思卡尔汽车，所描述的工作原理和设计概念车的编程工具，软件开发过程中使用的汽车的最后叙述各功能模块，以及各种调试和测试。总体而言，飞思卡尔汽车设计分为两部分一、硬件部分，硬件部分主要是组装车模，进行调试以及设计PCB板。二、软件部分，软件是调试的重点，除了这两部分外，还有下面两部分： （1） 视频采集和图像处理 这一部分是所有算法的基础，只有采集到精准的图像，才能分析数据准确控制。和之前的准备比较，因为我们采用的硬件设计得很好，而且算法的优化使得图像采集的精度有很大提高，虽然比赛不一定需要这么高的精度，但是高采集精度可以提供更多的图像信息。 （2） 车体控制 车体控制被分为两个部分，速度控制和旋转角度的控制。通过缩短控制周期中的速度控制部分，用于提前减速，减少的时间来完成的轨道使用，也加快平滑。更好的加速和减速性能，使汽车在应对不同的限速运行轨道。选择相关的方向上的伺服控制，不仅具有良好的转向控制，以准确地跟随线，而且还能够沿着最佳路径向前移动。 参考文献1 胡寿松.自动控制原理.北京:科学出版社.2001 年2 月第4 版2 张伟等Protel DXP高级应用M北京. 人民邮电出版社, 2002 3 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法M.清华大学出版社，20044 王琳，商周，王学伟数据采集系统的发展与应用电测与仪表，2004，41（464）：485 臧杰，阎岩. 汽车构造M. 北京. 机械工业出版社M20056 楚现知，吴吉祥，李锦忠. 基于LabVIEW的监控界面设计与单片机的串行通信J.工业控制计算机，2005年18卷第7期 7 杨晖，曲秀杰. 图像分割方法综述.电脑开发与应用J. 2005.3 8 卓晴，王琎，王磊. 基于面阵CCD的赛道参数检测方法. 电子产品世界，20069 邵贝贝，龚光华单片机认识与实践北京：北京航空航天大学出版社，200610 阎石.数字电子技术基础M.北京. 高等教育出版社，2006.511 卓晴, 黄开胜,邵贝贝. 学做智能车M. 北京:北京航天航空大学出版社, 2007.3 12 张毅刚.单片机原理与应用设计.电子工业出版社, 200813 郭天祥.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社, 2009.114 张鑫.单片机原理及应用（第2版).电子工业出版社, 2010 16 刘崇翔.基于ARM的智能小车的设计与研究.江南大学硕士学位论文, 2012.316 俞斌，翁华，华文. 浙江大学EE-fly队技术报告. 17 张鹏，徐怡，任亚楠.北京科技大学CCD一队技术报告. 18 庆楠，蔡兴旺，潘锦州. 上海大学S.U.L挑战者技术报告. 19 胡晨晖, 陆佳南,陈立刚. 上海交通大学CyberSmart 队技术报告. 20 林辛凡, 李红志, 黄颖. 清华大学三角洲队技术报告. 附 录主要程序源代码：#include /* common defines and macros */#include /* derivative information */#pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12xs128#include #define ROW 40#define LINE 50#define INTERVAL_ROW 7 /隔7行采一行#define SAMP_ROW 6 /数值滤波后选取的行数#define LATCH_P 50#define LATCH_N -50#define INTVERAL 4000 /修改PITvolatile unsigned int counter_row=0;volatile unsigned int row=0;volatile unsigned int line=0;volatile unsigned char ImageROWLINE=0; /40X50 volatile unsigned char g_SampleFlag=0; /图像采集中用到的变量volatile unsigned char Send_Flag=0;volatile int RT_count=0;volatile unsigned char motor_wait_flag=0; /实时时钟中用到的变量volatile char disturb;volatile char dif;volatile char dataSAMP_ROW; volatile unsigned char in_flag_1=0;volatile unsigned char out_flag_1=0;volatile unsigned char black_in=0;volatile unsigned char black_out=0;volatile unsigned char row_pixelLINE=0; volatile unsigned char black_midROW=0; /黑线采集中用到的变量volatile unsigned char black_mid_old=0;volatile char slop1;volatile char slop2;volatile char slop_add; /赛道预判 volatile unsigned int current_speed = 0; /读脉冲累加器值volatile char controler_steer=0;volatile char errSAMP_ROW=0; /6个/volatile char k_steer=0; /舵机控制中用到的变量volatile float k_steer=0; /舵机控制中用到的变量volatile unsigned int Bend_degree=0;volatile unsigned char speed_capture_flag=0;volatile float KP=0;volatile float KI=0;volatile float KD=0;volatile int expect_speed = 0;/volatile int current_speed = 0;volatile int err_speed3 = 0;volatile int speed_adjust=0;volatile unsigned char turn_left_flag = 0;volatile unsigned char turn_right_flag = 0;volatile unsigned int turn_value=0;void PID_motor_speed(void);/*函数名称：Delay2m简要描述：延时2m个机器周期 */void Delay2m( unsigned int m ) /延时2m个机器周期while (-m) / asm nop;void PitInit(void) /内部定时中断，用来测速 PITCFLMT_PITE=0; /disable PIT PIT Control and Force Load Micro Timer Register PITCE_PCE0=1; /enable timer channel 0 PITMTLD0=160-1; Micro Timer 0 PITMUX=0X00; / ch0 connected to micro timer 0 PITLD0=INTVERAL-1; /INTVERAL micro time bases 16-Bit Timer 0 PITINTE_PINTE0=1; /enable interupt channel 0 void PLL_Init(void) REFDV=0x03; SYNR=0x07; /PLL_CLOCK=2*OSC*(1+SYNR)/(1+REFDV)=64M while(!CRGFLG_LOCK); CLKSEL|=0x80; /BUS_CLOCK=PLL_CLOCK/2=32Mvoid IO_Init(void) DDRA=0x00; DDRB=0xff; DDRM=0xff;void ECT_Init(void) /增强型捕捉定时器 TIOS=0x00; /input capture TCTL4=0x09; /通道0上升沿触发，通道1下降沿触发 TSCR1=0x80; /TIE_C1I=1; /开场中断 PACTL=0X40; /脉冲累加器 PT7 falling edge且脉冲累加器使能（PAEN=1) void PWM_Init(void) PWME=0x00; PWMCTL=0xf0; PWMCAE=0x00; /左对齐方式； PWMPOL=0xff; /high polarity PWMCLK=0xff; /select clock mode SA/SB for all channelsP PWMPRCLK=0x00; PWMSCLA=32;/ClockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)=BUS_CLOCK/(2*PWMSCLA) = 0.5M PWMPER01=10000; / 舵机 频率50HZ， 周期20ms PWMDTY01=740; / 舵机无转向时的的占空比 PWMSCLB=8; /ClockSB=ClockB/(2*PWMSCLB) =BUS_CLOCK/(2*PWMSCLB) = 2M PWMPER23=2000; /电机in1 频率1Khz PWMDTY23=0; / PWM_MAX=1375! PWMPER67=2000; /电机in2 频率1Khz PWMDTY67=0; / PWM_MAX=1375! PORTB=0xf0;void RT_Init() / Clocks and Reset Generator延时秒后启动小车 RTICTL=0xff; CRGINT=0x80; / RTIE=1 Interrupt Enable Register RT_count=0;void Motor_Brake(unsigned int m) PTM=0xff; PORTB=0x00; PWMDTY23 = 0; PWMDTY67 = 1900; Delay2m(m); PWMDTY23 = 600;/ 500 PWMDTY67 = 0; PTM=0x00; unsigned char get_mid(unsigned char a,unsigned char b,
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