第八届飞思卡尔智能车竞赛摄像头组哈工大(威海)技术报告.doc

第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校：哈尔滨工业大学（威海）队伍名称：LUCKYWOLF参赛队员：王 元张晓亮叶匡政指导老师：黄海滨 63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七届“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：摘要本文主要介绍了以K60单片机为核心的智能车系统，包括机械、硬件和软件三个方面。在稳定、简单、高效的原则下，针对三个方面设计了各种方案，做了大量调试工作，并最终修改得到现行方案。实验结果表明，系统方案可行。关键词：智能车，机械调整，图像分割，PIDAbstractIn this paper we present a smart car system based on the micro-controller K60, including machinery, hardware and software three aspects. In the principle of stability, simplicity and efficient, different schemes are designed for the three aspects, lots of tests are carried on for these schemes, and finally the current system are determined. The result of tests show that the design scheme of system is available. Keywords: Smart car, Mechanical adjustment, Image Segmentation，PID目录引言1第一章 系统设计概要31.1 系统工作原理31.2系统设计结构图3第二章 赛车机械系统设计与实现52.1 车体模型52.2 后轮参数的调整62.2.1 主销后倾角调整62.2.2主销内倾角调整72.2.3后轮前束调整72.3前轮参数的调整82.3.2前轮滑差和轮距调整92.4底盘的调整92.5 舵机的安装92.6 CCD摄像头支架安装102.7 光电编码器11第三章硬件电路系统设计与实现133.1硬件电路设计方案133.2硬件电路的实现133.2.1以K60为核心的单片机最小系统133.2.2 电源板143.2.3 视频同步分离电路153.2.4 片外A/D电路163.2.5 电机驱动电路163.2.6键盘拨码电路183.2.7 PCB板183.3 摄像头18第四章软件系统设计与实现214.1图像处理214.1.1图像采集214.1.2黑线提取214.1.3起始道判断254.1.4虚线提取264.1.5图像校正274.2 控制算法284.2.1基于窗口的方向与速度控制284.2.2 PID速度闭环控制28第五章调试工具开发与使用315.1 开发工具315.2 串口调试315.2.1 C#图像显示程序315.2.2 C#辅助调试程序325.2.3 SD卡模块32第六章总结34参考文献35附录A：源程序37引言智能汽车竞赛最早始于韩国，在国内，全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛从2006年举办以来，得到了各级领导及高校师生的高度评价。大赛为智能车领域培养了大量后备人才，为大学生提供一个充分展示创造力的舞台，吸引着越来越多来自不同专业的大学生参与其中。全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛包括光电组、摄像头组和电磁组，其中数摄像头组的智能车速度最快，备受关注。本技术报告主要包括机械系统、硬件系统、软件系统等，详尽地阐述了我们的设计方案。这份报告凝聚了我们智慧，是我们小组共同努力的成果。第一章 系统设计概要1.1 系统工作原理智能车系统的工作原理是：CCD摄像头拍摄赛道图像，通过片外AD进行模数转换，将得到的数据输入K60控制枢纽，通过一定的软件程序对图像进行分割，提取黑色引导线；通过编码器检测车速，通过K60输入捕捉功能进行脉冲计数得到小车的实时速度。由得到的引导线，选择参考行，通过分段P系数算法来控制舵机；通过赛道的曲率，计算得到目标速度，利用PID相结合的闭环控制算法调整电机来控制小车速度。1.2系统设计结构图本着稳定、简单、高效的设计原则，在将近一年的时间里，我们将小车不断改进，有以下几个特点：机械方面：竖直安装舵机，提高转向反应速度；采用单碳素杆支架，辅以两根细碳素杆固定，并降低摄像头位置，降低重心。硬件方面：保证稳定性前提下，尽量减小电路板面积；采用广角摄像头，保证各种S弯都能提取到完整的黑线。软件方面：采用动态阈值和跟踪算法提取黑线，保证黑线稳定性；只采用简单的PID控制策略，并且基本上不对路型作判断，提高赛车对赛道适应性。赛车的整体结构框图如图1.1所示：编码盘上位机摄像头K60电机驱动舵机图1.1 系统框图得到小车最终版如图1.2所示。图1.2最终作品第二章赛车机械系统设计与实现第二章 赛车机械系统设计与实现经过这长时间的调车经历，我们发现当速度达到一定值时，机械性能成为制约赛车速度提高的瓶颈。特别是后轮的前束角和内倾角对转弯的稳定性起着决定性的作用，而后轮差速齿轮的松紧对弯道内部速度也起着关键性的作用。在这一章我们主要介绍车模的机械结构和特点，并对舵机安装、后轮参数和前轮参数的调整和优化作简单叙述。2.1 车体模型赛车机械结构使用的是竞赛组委会提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用后轮转向，前轮驱动方案。具体车模数据如下：车总长：340mm车总宽：172mm示意图如图2.1所示：图2.1车模模型图模型车技术参数统计我们对车模进行改装后得到的赛车参数列于下表：浙大三队车模指标浙大三队车模参数路径检测方法（赛题组）摄像头组车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）340、172、330车模轴距/轮距（毫米）210/100电路功耗（匀速）（瓦）40.2电路电容总量（微法）1800传感器种类及个数摄像头，编码器，陀螺仪 3新增加伺服电机个数0赛道信息检测频率（次/秒）50赛道检测精度2cm主要集成电路种类/数量电源驱动编码器车模重量（带有电池）（千克）1.3表1车模参数2.2 后轮参数的调整后轮的参数主要包括后轮主销后倾角，主销内倾角，前束角等等。这几个参数对赛车直线的稳定性和弯道灵巧性都有很重要的影响。2.2.1 主销后倾角调整图2.2 主销后倾角主销后倾角指车体纵向平面和地面垂直线的夹角，如图2.2所示，主销后倾角可以产生一个与转向相反的力矩使得车轮具有自动回正的能力，一般主销后倾角越大，车速越高，后轮的自动回正能力就越强。但是主销后倾角太大，将会引起后轮回正过猛，导致转向沉重。调试中发现，我们发现车速加快后，增加主销后倾角未必是好事，但是通过适当调整，能在一定程度上稳定车身。2.2.2主销内倾角调整图2.3 主销内倾角和外倾角如图2.3所示，主销内倾角是主销在汽车横向平面内向倾斜了一个角，即主销轴线与地面垂线在汽车断面的夹角，调大主销内倾角的好处是，当后轮受到外力作用发生偏转，由于主销内倾，汽车前部被抬高，外力结束后，由于重力作用下又恢复到原来中间位置。经过长时间调试发现，适当调节对赛车的影响是不大的，所以可以在不影响性能的前提下尽量将主销内倾角调大。后轮外倾角是后轮的上端向外倾斜的角度，如果前面两个轮子呈现“V”字形则称正倾角，呈现“八”字则称负倾角。后轮外倾可以抵消由于车的重力使车轮向内倾斜的趋势，减少赛车机件的磨损与负重。如果后轮过于外倾，会使汽车的直道行驶变得不稳定，所以我们在不影响转角的情况下，将外倾角调至最小。2.2.3后轮前束调整图2.4后轮前束后轮前束是后轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为外八字。由于后轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。后轮外八字与后轮外倾搭配，一方面可以抵消后轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。但是，如果后轮调成了内倾角，则选用内八字比较好，因为这样两者刚好抵消，因此在调车我们选用了内倾加前束，效果还是很好的。后轮调整图如图2.5所示：图2.5 后轮调整效果图2.3前轮参数的调整2.3.1齿轮啮合调整车模前轮采用由竞赛主办方提供的电机驱动。电机齿轮和滑差齿轮之间的内核对车的性能影响还是不小的。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动前轮的负载，影响车的加速度，从而影响到最终成绩。调整的原则可以归纳如下：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，白白浪费动力;经过多次试验，啮合度在70%是比较理想的状态。编码器的齿轮和电机齿轮的齿数和模数是一模一样的，所以安装要点是一样的。2.3.2前轮滑差和轮距调整在拐弯时由于弯道内侧轮比外侧轮的拐弯半径小，则内侧轮比外侧轮的速度小，这就使两轮胎有一定的速度差，称为差速。为了考虑这种情况，车模中设计了机械差速齿轮，是赛车的内外轮在拐弯是做到协调。差速齿轮有以下特性：如果差速过紧，即两轮胎的速度很接近时，转弯的时候内侧轮很容易打滑，从而产生侧滑，使赛车滑出赛道。当差速过松时，会使直道的时候两轮打滑（电机不是处于后轴中央），大大的减小了赛车的驱动能力。所以差速调整要适当，才会使直道驱动能力强且稳定，弯道转弯容易。调整滑差的标准时，电机全速时捏住一个轮子，另外一个轮子刚好处于转与不转的边缘就好。2.4底盘的调整由于全国决赛时赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。所以摄像头安装不能非常的低，因为假如摄像头太低将会导致在上坡时赛车丢失道路信息，但是随着摄像头安装位置的提高，在高速过弯时则所需向心力比较大，同时由于惯性则车很容易向一侧翻倒。为了避免这类事情的发生，我们把车的后轮底盘放低，采用的方法是在前轴加装垫片，后轴的放低也是采用组办方提供的轴承，从而降低整车的重心，防止车翻倒。但是后轮的底盘高度不能太低，我们只加了一个半垫片，这是为了使车能顺利的上坡而不至于由于底盘过擦到赛道。同时，我们采用了pcb板加固了地板，使底板变成了刚性，这样的好处是减少了摄像头与车模的相对位移，使读图更加准确。2.5 舵机的安装全国比赛过程中车速很快，这要求舵机转向要非常灵敏，我们使用的是主办方提供的S-D5舵机，额定电压为5V。为了解决舵机滞后问题，将舵机竖直安装，并且使输出杆等长，转角更加精确。舵机具体安装结构如图2.6所示：图2.6 舵机安装2.6 CCD摄像头支架安装根据上届同学的经验，我们选用了质地坚硬但重量较小的碳素杆作为摄像头的支架。并且用两根细碳素杆固定，以减少车身震动而引起摄像头震动。图2.7 摄像头支架2.7 光电编码器我们采用增量式光电编码器实现对驱动电机转速的检测，通过齿轮传动的方式将测速电机上小齿轮与差速齿轮啮合，可以实时地获得准确的运行速度。我们考虑采用的是500线的小型编码器，该编码器的外径只有18mm，安装方便，重量也很小第三章硬件电路系统设计与实现第三章硬件电路系统设计与实现3.1硬件电路设计方案在智能车比赛中，硬件电路的设计思路是：稳定、高效、简单。稳定性对于智能车这种比赛的重要性不言而喻，因此，设计电路板时，要考虑到接地，屏蔽，滤波等问题，将数字电路与模拟电路分开。高效性主要体现在A/D转换和电机驱动电路上：1、我们采用了TLC5510片外AD对图像进行采集，提高了图像数据的水平分辨率，对于黑线提取的准确性和距离都有了提高。2、我们采用技术成熟的mos管作为电机的驱动芯片，它具有内阻小、转换效率高等特点。简单性是指在满足了稳定性、高效性的前提下，为了尽量减轻整车重量，降低车体重心位置，应使电路设计尽量简单，尽量减少元器件的使用数量，缩小电路板面积，使电路板安装于车底盘上面。3.2硬件电路的实现整车的电路系统分为四个部：K60为核心的最小系统板、功能板和驱动板。功能板包括信号采集和处理、片外AD转换、数码管显示、串口输出等功能。3.2.1以K60为核心的单片机最小系统单片机最小系统板使用K60单片机，为了减小最小系统板的空间，板上仅将智能车所需要的引脚引出，包括三路PWM接口，串行通讯接口，一路计数器接口，两路外部中断接口等等。单片机引脚规划如下：PTC1-8：片外AD的输出接口PTC9,10,11,12,14：按键PTB1,2,3,10：拨码盘PE2-3，PH0-2：双位数码管PTB0：舵机角度控制脉冲输出PTD4-5：电机速度控制脉冲输出PTB18-19：测速编码器脉冲输入PTE25,PTA17：视频中断信号输入PTD6-7：串口通讯输出3.2.2 电源板本系统中电源稳压电路有五路，有三路为+5V稳压电路，一路为+12V升压电路，另一路为+3.3V稳压电路。其中，+12V升压电路为CCD摄像头供电，三路+5V稳压电路分别为功能板内芯片、测速编码器和无线传输供电。为了提高最小系统部分的稳定性，我们采用三个+5V稳压电路分别供电，一路+3.3V稳压电路对最小系统板供电。电源板结构图如图3.1所示：图3.1 电源板结构图电路原理图如图3.2所示：图3.2电源稳压电路系统中+5V电路功耗较小，最大可提供500mA电流，所以采用较为普遍的LM2940。最小系统板由AMS1117提供3.3V稳压。采用MC34063升压到12V，最大可提供1.5A电流，对CCD摄像头进行供电。3.2.3 视频同步分离电路我们的智能车使用黑白CCD摄像头对赛道信息进行采集。摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包含场同步信号、场消隐信号、行同步信号、行消隐信号等等。因为，要对频率信号进行处理，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。我们使用LM1881芯片对视频信号进行同步分离，得到场同步信号与行同步信号。视频同步分离电路如图3.3所示：图3.3 视频同步分离电路3.2.4 片外A/D电路K60单片机自身具有A/D转换功能，但是受到时钟总线的限制，其转换速度很慢。因此，我们使用TLC5510芯片作为片外A/D，K60单片机通过IO口进行图像数据采集。TLC5510是美国德州仪器公司生产的8位高速A/D转换器，它提供最大20Msps的采样频率。使用片外A/D后，受到IO口读取数据的限制，每行图像可以采集到120个有效点，这样，使图像的行分辨率提高了一倍。TLC5510电路图如图3.4所示：图3.4TLC5510电路图3.2.5 电机驱动电路电机驱动板为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四支 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号输入接口、逻辑换向电路、死区控制电路、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、缓冲保护电路等。我们采用IR公司的IRF3205芯片作为电机的驱动芯片，以IR公司的IR2104来控制桥臂的导通、关断。图3.5 驱动电路图得到实际电路板如图3.6所示：图3.6驱动电路板3.2.6键盘拨码电路图3.7 键盘拨码电路3.2.7 PCB板为了提高硬件稳定性，我们将除了驱动以外的硬件电路印证了一块与车模底板相适应的PCB板，如图3.8所示。将驱动电路与其他电路分开的目的是为了防止驱动电路工作时较大的驱动电流容易影响其他电路的工作，从而引起非正常工作。图3.8 PCB板主电路3.3 摄像头我们对CCD摄像头和CMOS摄像头进行了对比。CMOS摄像头动态图像差，智能车在高速行驶时，图像模糊，不利于黑线的提取。CCD摄像头虽然工作电压为12V，且相对功率大，但图像对比度高，动态特性好，因此，我们CCD摄像头。在调试过程，我们发现一旦小车进入弯道内部，在大部分情况下都不能提取到黑线，在120度大S弯里采用了270度弯的控制策略，大大降低了的速度，针对这种情况进行分析后，发现这是由于摄像头角度过窄导致S弯的左边界和右边界在摄像头视角之外，如图3.8所示。将摄像头镜头换成广角之后，这种情况基本得到解决，在大S弯能够采取比较切线的线路，大大减小了小车行使的路程。图3.8两种摄像头镜头的视角范围第四章软件系统设计与实现第四章软件系统设计与实现4.1图像处理4.1.1图像采集为了提高分辨率，采用片外AD采集数据，每行可采集230点，这样我们即使将摄像头前瞻提高到1.7m也能精确地提取到黑色引导线，在兼顾道路信息和处理时间的前提下，提取45行进行处理，将摄像头提取到的数据存于二维数组image_dataij，得到图像图4.1所示。图4.1 摄像头采集到的赛道图像4.1.2黑线提取黑线提取实际上是一种图像分割技术。图像分割指图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程，是一种基本的计算机视觉技术。只有在图像分割的基础上才能对目标进行特征提取和参数测量，使得更高层的图像分析和理解成为可能。由摄像头得到的图像实际上是一幅灰度图像，可以将图像分为几个区域，区域内部的灰度具有灰度相似性，而在区域边界上一般具有灰度不连续性，因此灰度图像分割一般可分为利用区域内灰度相似性的基于区域的方法和利用区域间灰度不连续性的基于边界的方法，分别称为阈值法和边界法。阈值法是一种最常用的方法，基本思想是利用阈值来区分不同目标的灰度值，从而提取目标。对于摄像头而言，黑线部分灰度值小，白板灰度值大，设阈值为limit，若满足iamge_dataij imagerowline+2+limit（取白点到黑点的间距为2是为了消除白黑边界的灰点的影响），再从j=line+2+width（width代表黑线的最小宽度）进行搜索，若能搜到image_datarowj+limit black_topRIGHT ? black_topLEFT : black_topRIGHT; tail = black_topLEFT head - 2) CtrlWindow = head - 2; else if (CtrlWindow = 1 ) for (