基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计.doc

东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 I 页 基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计 摘 要 本智能车系统设计以 MC9S12DG128B 微控制器为核心 通过一个CMOS 摄像头检测 模型车的运动位置和运动方向 使用LM1881视频分离芯片对图像进行处理 用光电传 感器检测模型车的速度并使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向 完成 对模型车运动速度和运动方向的闭环控制 为了提高智能车的行驶速度和可靠性 采 用了自制的电路板 在性能和重量上有了更大的优势 对比了各种方案的优缺点 实 验结果表明 系统设计方案可行 关键词 MC9S12DG128 CMOS 摄像头 PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 II 页 The Research of Small and Medium sized Electric Machines in Fuan City Author Yao fang Tutor Ma shuhua Abstract Fujian Fuan City industry of electric motor and electrical equipment is the one of the most representative phenomenon of industry cluster in Fujian Province mechanical industry Its output value of small and medium sized electric machines accounts for 20 of the whole province s electrical equipment industry The output amount of small and medium sized electric machines from this region takes up 1 3 of that of the whole nation Fuan electric motor and electrical equipment industry plays a significant role in the development of local national economy being considered to be the main growth point of local economy and called the Chinese electric motor and electrical equipment city This paper launched a research on small and medium sized electric machines in Fuan city from two angles The first one inferred the situation of Fuan electric machine industrial cluster as well as the analysis of the temporary existed problems and then propose a few of suggestions on the part of local government The second part focus on the improvement of the competitiveness of Fuan electric machine enterprises through the application of Michael Porter s Five Forces Model into the local industry of electric machine consequently carried out some strategies local enterprises should take Key Words small and medium sized electric machines Five Forces Model industrial cluster 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 III 页 目目 录录 1 绪论 1 1 1 智能车竞赛背景介绍 1 1 2 智能车系统设计思路及方案分析 2 1 3 系统整体设计结构图 3 2 机械结构的调整与设计 4 2 1 机械安装结构调整 4 2 2 舵机安装方式的调整 4 2 3 摄像头的安装 5 2 4 测速码盘的安装 5 2 5 前轮倾角的调整 6 2 6 地盘高度的调整 7 2 7 齿轮传动机构及后轮差速的调整 7 3 硬件电路的设计与实现 8 3 1 硬件电路设计方案 8 3 2 硬件电路的实现 8 3 2 1 以 S12 为核心的单片机最小系统 8 3 2 2 主板 13 3 2 3 电机驱动电路 18 3 2 4 摄像头 23 3 2 5 速度传感器 24 3 2 6 加速度传感器 24 3 2 7 去抖动电路 25 4 软件系统设计与实现 28 4 1 软件系统结构方案选择 28 4 2 软件主流程 28 4 3 端口分配 29 4 4 底层驱动程序设计 30 4 4 1 时钟模块 30 4 4 2 PWM 模块 31 4 4 3 外部中断模块 31 4 4 4 ECT 模块 32 4 4 5 AD 模块 32 4 4 6 串口模块 33 4 4 7 普通 IO 模块 33 4 4 8 实时中断 34 4 5 图像信息处理及道路识别程序设计 34 4 5 1 赛道提取算法 35 4 5 2 有一定抗干扰和抗反光能力的黑线提取算法 37 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 IV 页 4 5 3 道路识别算法 39 4 6 起跑线识别程序设计 40 4 7 车体控制程序设计 41 4 7 1 舵机控制算法 42 4 7 2 速度控制算法 43 结 论 44 致 谢 45 参考资料 46 附 录 47 附录 A 47 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 1 页 1 绪论 1 1 智能车竞赛背景介绍 全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛是教育部主办的面向全国大学生的五大赛事之 一 另外四个 数学建模 电子设计 机械设计 结构设计 智能车竞赛是以迅猛 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意性比赛 大赛旨在加强大学生的创新与实践动手的能 力 为社会培养一批优秀的创新型人才 全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了三届 比赛规模不断扩大 比赛成绩不 断提高 前三届比赛决赛分别由清华大学 上海交通大学和东北大学承办 通过比赛 促进了高等学校素质教育 培养了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 激发了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了条件 全国大学生智能汽车竞赛是在竞赛组委会提供的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 通过设计道路识别传感器 和电机驱动电路 编写相应软件及装配模型车 制作一个能够自主识别道路的模型汽 车 按照规定路线 路线赛前未知 行进 以完成时间最短者为优胜 Freescale 公司是目前全球领先的半导体公司之一 它为汽车电子 消费电子 工 业控制 网络和无线市场设计并制造了众多的嵌入式半导体产品 拥有多达 19000 种 产品 Freecale 公司是全球十大芯片制造商之一 在 8 位 16 位和 32 位微控制器领 域处于领先地位 智能汽车竞赛所使用的自动控制器是以单片机 MC9S12DG128 为核心 配合有传感 器 电机 舵机 电池以及相应的驱动电路 它能够自主识别路径 控制模型车高 速稳定运行在跑道上 本届比赛按照赛车进行道路检测方式的不同分为光电组和摄像 头组 如果赛车使用了透镜成像原理进行道路检测则属于摄像头组 其余属于光电组 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 2 页 1 2 智能车系统设计思路及方案分析 智能车竞赛已成功举办了三届 水平越来越高 每一届都能有很多创意值得学习 也会有一些教训需要吸取 我们对所能找到的资料进行了认真的分析和总结 从而确 定了我们的设计思路 首先 采用低重心设计 前三届的比赛中 不乏因重心过高而翻车的例子 重心 成了进一步加快智能车弯道速度的限制之一 反观一些速度很快的赛车 重心一般都 比较低 有个别例外 因此 尽可能降低重心成为我们设计智能车过程中始终重点 考虑的问题之一 对智能车重心影响最大的当属摄像头及其支架 支架选择轻质材料 制作 且在不影响道路识别的情况下 尽量降低支架高度 还可以通过减小PCB版面积 低位安装来降低重心 第二 提高图像的分辨率 增强摄像头及算法对光线的适应性 在赛场上 智能 车因无法适应场地光线 从而无法完成比赛 是一件很可惜的事情 我们从摄像头的 选型到程序的编写 再到平时的调试 始终注意了提高智能车道路检测系统对场地光 线的适应性 我们选用了CMOS摄像头 它一方面可以提供很高的分辨率 另一方面对 光线的适应性也很好 第三 在算法设计上 要实现 抄近道 的跑法 所谓 抄近道 是指智能车 并不是严格沿着黑线行进 而是在保证不犯规的情况下 走最短的路径 抄近道 也就是路径优化 我们曾经做过测试 通过一个小S弯 沿弯道跑的赛车比直冲小S弯 的赛车多费一倍多的时间 如何实现路径优化 是我们软件设计中重点解决的问题之 一 最后 减轻车重 调整车模机械结构 也可以有效地提高智能车的平均速度 在智能车硬件电路的设计上 我们采用了模块化的设计思想 将整个系统分为最 小系统板 电源模块 驱动模块 图像采集模块等若干模块 每个模块只负责完成特 定的功能 与其他模块之间相对独立 这种 分而治之 的模块化硬件设计思想 把 复杂的系统分为若干功能模块 方便了小组内进行分工设计 同时 由于进行了模块 化划分 电路规模也相对变小了 减小了出错的几率 增大了成功率 在前期开发阶 段 可以对各个模块进行单独测试 保持各模块间接口定义不变 各模块可以单独升 级换代 具有一定的通用性 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 3 页 在调试过程中 每一模块均有备件 且拆装替换方便 如果某一模块出故障或需 要升级 可以马上替换 不会出现因一点小故障导致调试工作无法进行的问题 这也 保证了我们的调试进度 比如 我们针对驱动模块 电源模块在调试过程中出现的问 题 对这两个模块进行了改进 此外 对数字摄像头模块也进行过改进 提高了图像 的质量 这些改动都没有对我们的调试进度产生大的影响 对于系统软件的设计 我们也力图使软件模块化 层次化 在程序中 有一个专 门的 h和 c文件负责和硬件的接口 如果在调试中改动了硬件 只需改变这两个文件 中的部分设置 其他部分程序不需要改动 这样的设计方便了我们调试软件 提高了 代码的可重用性 也减小了出错的几率 1 3 系统整体设计结构图 按照预先的设计 我们设计了整个系统的结构图 系统力求简单高效 在满足比 赛要求的情况下 使硬件结构最简单 减少因硬件而出现的问题 图 1 1 智能车系统结构图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 4 页 2 机械结构的调整与设计 为了使车能够更稳定的高速运行 我们对这个车进行了系统的分析 今年的车模 精度不是很高 因此尽量在规则允许范围内改造车模 提高车模整体精度是很必要的 另外 我们在实际调试中发现 前轮的束角和主销倾角对车的高速运行下的稳定性影 响很大 高速运行下舵机的转动速度对车转向的灵活程度也起到了根本性的作用 所 以 在整车的机械结构方面我们进行了三方面改进 转向机构改进 前轮束角调整 底盘高度调整 2 1 机械安装结构调整 由于在比赛时硬件部分对赛车的速度有很大的影响 所以对赛车的机械安装部分 的调整有很大的必要 2 2 舵机安装方式的调整 将舵机竖立放置 并适当加长其传动杆 可以提高舵机的控制精度 加快赛车转 向的灵敏度 图 2 1 舵机安装调整图 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 5 页 2 3 摄像头的安装 图 2 2 摄像头安装方式 今年我们采用了更轻的材料制作摄像头支架 并且就地取材 采用小车配备的备 用零件固定摄像头 并将摄像头放置在小车的后方 以便减少赛车前方的盲区 对小 车的控制十分有利 2 4 测速码盘的安装 图 2 3 测速安装方式 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 6 页 在测速方面我们采用了透射式光电码盘的方法 并且将码盘固定在电机的转动轴 上 从而能获取更多的脉冲 该方法在速度不是特别高的时候 足以满足我们的测量 要求 具有很高的性价比 2 5 前轮倾角的调整 我们在调试中发现 由于前轮轴和车轮之间的间隙较大 对车高速转向时的重心 影响较大 会引起高速转向时车的转向不足 而且这里又是规则中严禁改动的部分 所以为了尽可能降低转向舵机负载 我们对前轮的安装角度 即前轮定位进行了调整 前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性 转向轻便和减少轮胎的磨损 前轮是 转向轮 它的安装位置由主销内倾 主销后倾 前轮外倾和前轮前束等 4 个因素决定 反映了转向轮 主销和前轴等三者在车架上的位置关系 主销内倾是指主销安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 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 前轮稳定性也越好 图 2 4 主销后倾角调整图 主销内倾和主销后倾都有时骑车转向自动回正 保持直线行驶的功能 不同之处 是主销内倾的回正与车速无关 主销后倾的回正与车速有关 因此高速时后倾的回正 作用大 低速时内倾的回正作用大 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 7 页 前轮外倾角对汽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 导致车轮联结件损坏 所以事先将车轮校偏一 个外八字角度 这个角度约在 1 度左右 所谓前束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 2 6 地盘高度的调整 底盘适当降低 在可以过坡道的情况下 尽量降低底盘 从整体上降低车的重心 使车在转弯时可以更加稳定 快速 我们在前路上增加了组委会提供的两个黄色垫片 将赛车前端的中心降低了 1 5MM 2 7 齿轮传动机构及后轮差速的调整 车模后轮采用 RS 380SH 4045 电机驱动 由竞赛主办方提供 电机轴与后轮轴之 间的传动比为 9 38 电机轴齿轮齿数为 18 后轮轴传动轮齿数为 76 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 差速机构的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 差速器的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 转弯时阻力小的车轮会打滑 从而影响车模的过弯 性能 好的差速机构 在电机不转的情况下 右轮向前转过的角度与左轮向后转过的 角度之间误差很小 不会有迟滞或者过转动情况发生 判断齿轮传动是否调整好的一个依据是 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 8 页 则说明齿轮间的配合间隙过小 或者两齿轮轴不平行 电机负载加大 调整好的齿轮 传送噪音小 并且不会有碰撞类的杂音 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 9 页 3 3 硬件电路的设计与实现硬件电路的设计与实现 3 1 硬件电路设计方案 从最初进行硬件电路设计时我们就定了系统的设计目标 可靠 高效 简洁 在 整个系统设计过程中严格按照规范进行 可靠性是系统设计的第一要求 我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性 设计 做好各部分的接地 屏蔽 滤波等工作 将高速数字电路与模拟电路分开 使 本系统工作的可靠性达到了设计要求 高效是指本系统的性能要足够强劲 我们主要是从以下两个方面实现的 1 采用运算放大器制作的比较器实现了图像二值化的高速转换 大大提高了图像 采集的分辨率 2 使用了由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器 该驱动器的额定 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 简洁是指在 满足了可靠 高效的要求后 为了尽量减轻整车重量 降低车体重心位置 应使电路 设计尽量简洁 尽量减少元器件使用数量 缩小电路板面积 使电路部分重量轻 易 于安装 我们在对电路进行详细 彻底地分析后 对电路进行了大量简化 并合理设 计元件排列和电路走线 使本系统硬件电路部分轻量化指标都达到了设计要求 3 2 硬件电路的实现 整个智能车控制系统是由三部分组成的 S12 为核心的最小系统板 主板 电机驱 动电路板 最小系统板可以插在主板上组成信号采集 处理和电机控制单元 为了减 小电机驱动电路带来的电磁干扰 我们把控制单元部分和电机驱动部分分开 做成了 两块电路板 3 2 1 以 S12 为核心的单片机最小系统 单片机最小系统板使用 MC9S12DG128 单片机 80 引脚封装 MC9S12DG128 是 Freescale 公司推出的 S12 系列微控制器中的一款增强型 16 位微 控制器 其集成度高 片内资源丰富 接口模块包括 SPI SCI I2C A D PWM 等 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 10 页 它不仅在汽车电子 工业控制 中高档机电产品等应用领域有广泛的用途 而且在 FLASH 存储控制及加密方面也有很强的功能 MC9S12DG128 微控制器采用增强型 16 位 S12 CPU 片内总线时钟频率最高可 25MHz 片内资源包括 8KB RAM 128KB FLASH 2KB EEPROM SCI SPI PWM 串行接口 模块 PWM 模块可设置成 4 路 8 位或 2 路 16 位 可宽范围选择逻辑始终频率 它还提 供 2 个 8 路 10 位精度 A D 转换器 控制器局域网模块 CAN 和增强型捕捉定时器 并支 持背景调试模式 BDM 下面主要介绍 S12 系列的特点 基本结构 引脚功能 操作模式 振荡电路 系 统运行监视 实时中断 复位电路等 1 S12 的核心 16 位 S12CPU 20 位 ALU 指令队列 增强型索引寻址 多种外部总线接口 MEBI 模块映射控制机制 MMC 中断控制 INT 断点 BKP 背景调试模块 BDM 2 CGR 时钟和复位发生器 锁相环 PLL 看门狗 COP watchdog 实时中断 RTI 时钟监视器 CM 3 带中断功能的 8 位和 4 位端口 可编程的上升沿或下降沿触发 4 存储器 128 KB FLASH 2 KB EEPROM 8 KB RAM 5 2 个 8 通道模 数转换器 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 11 页 10 位精度 外部触发转变功能 6 3 个 1Mbps 的 CAN 总线模块 兼容 CAN2 0 A B 5 个接受缓冲器 3 个发送缓冲器 4 个独立的中断通道 分别是发送中断 接受中断 错误中断和唤醒中断 低通滤波器唤醒功能 7 增强型捕捉定时器 16 位计数器 7 位预分频功能 8 个可编程输入捕捉或输出比较通道 4 个 8 位或 2 个 16 位脉冲累加器 8 8 个 PWM 通道 每个通道的周期和占空比由程序决定 8 位 8 通道或 16 位 4 通道 各通道独立控制 脉冲在周期内中心对称或左对齐输出 可编程时钟选择逻辑 紧急事件关断输入 可作为中断输入 9 串行口 2 个异步串行通信接口 SCI 2 个同步串行设备接口 SPI Byteflight 模块 10 I2C 总线 兼容 I2C 总线标准 多主 I2C 总线模块 11 LQFP 112 和 QFP 80 封装选择 5V 输入和带驱动能力 I O 5VA D 转换器输入 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 12 页 50MHz 系统频率 相当于 25MHz 总线频率 单线背景调试模块 片上硬件断点 MC9S12DG128 系统结构大致可分为 MCU 核心与 MCU 外设两部分 MCU 核心 该部分包括 MCU 的 3 种存储器 FLASH RAM EEPROM 多电压调整器 包括数 字电路和模拟电路电源电压 具有单线背景调试接口 BDM 和运行监视功能的增 S12CPU 程序存储器的页面模式控制 具有中断识别 读 写控制 工作模式等控制功 能的系统综合模块 SIM 可用于系统扩展的分时复用总线端口 其中 A 口 B 口可 作为外扩存储器或接口电路时的分时复用地址 数据总线 E 口的部分可作为控制总线 MCU 外设 S12 外设部分包括 A D 转换器 ATD0 ATD1 增强型定时捕捉模块 ECT 串 行接口 SPI I2C CAN Byteflight 等接口是许多微控制器所没有的 Byteflight 协议接口是只针对安全临界 Safety Critical 应用的时间控制协议 有 BWM 联合 Freescale Elmos 及 Infineon 公司联合开发 主要用于机动车辆中的安 全临界应用 该系统应用在 BMW7 系列汽车中 主要用于安全气囊系统中的时间临界 Time Critical 数据的处理与传输 另外 咳可用于传输车身及底盘电子系统的相 关数据 Byteflight 的传输速率为 10Mbps 采用塑料光纤作为传输介质 Byteflight 技术不仅可以应用在汽车系统中 而且在需要实现高实时性 高传输速率以及在恶劣 的电磁环境中保证传输无故障等领域都大有用武之地 为减少电路板空间 我们设计的板上仅将本系统所用到的引脚引出 包括两路 PWM 接口 一路外部中断接口 17 路普通 IO 接口 其他部分还包括电源滤波电路 时钟电 路 复位电路 串行通讯接口 BDM 接口 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 13 页 图 3 1 单片机最小系统板原理图 为提高系统工作稳定性 我们使用有源晶体振荡器为单片机提供时钟 单片机最 小系统板电路原理图如图 3 1 我们自行设计的 PCB 电路板尺寸为 38mm 40mm 在尺寸和重量上有了很大的改善 如图 3 2 图 3 2 最小体统 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 14 页 3 2 2 主板 主板上装有组成本系统的主要电路 它包括如下部件 电源稳压电路 视频同步 分离电路 摄像头接口 舵机接口 电机驱动电路 测速接口 电源接口 单片机最 小系统板插座 跳线 指示灯 开关等 1 电源稳压电路 本系统中电源稳压电路有三路 一路为 5V 稳压电路 第二路路为 3 3V 稳压电路 第三路为摄像头 9V 稳压电路 为整个智能模型车自动控制系统中除后轮驱动电机 转 向舵机外的所有设备供电 其中 3 3V 稳压电路为加速度传感器供电 使用串联稳压芯片 TPS7333 电路原理图如图 3 3 所示 图 3 3 TPS7333 电源稳压电路 由于整个系统中 5V 电路功耗较小 为了降低电源纹波 我们首先使用串联型稳压 电路 另外 后轮驱动电机工作时 电池电压压降较大 为提高系统工作稳定性 必 须使用低压降电源稳压芯片 常用的低压降串联稳压芯片主要有 LM2940 LM1117 等等 LM2940 虽然压降比 LM1117 更低 但是纹波电压较大 相比之下 1117 的性能更好一 些 具有输出电压恒定 压降较低的优点 但是其线性调整工作方式在工作中会造成 较大的热损失 导致电源利用率不高 工作效率低下 为了提高电源的利用率 我们进一步选择 DC DC 电源稳压电路 DC DC 是开关型稳 压电路 它的优点是电路结构简单 对电源的高频干扰有较强的抑制作用 效率高 输入电压的范围宽 输出电压 电流的纹波值较小 DC DC 电源稳压电路原理图如图 3 4 所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 15 页 但是 DC DC 也存在一些缺点 如体积大 成本较高 纹波电压相对理论值较大 并且工作压降要求在 1 0V 以上 不便于电池电源的使用 因此我们又探索了新的稳压 芯片 TPS7350 TPS7350 是微功耗低压差线性电源芯片 具有完善的保护电路 包括过流 过压 电压反接保护 使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路 与前两 种稳压器件相比 TPS7350 具有更低的工作压降和更小的静态工作电流 可以使电池获 得相对更长的使用时间 由于热损失小 因此无需专门考虑散热问题 图 3 4 DC DC 稳压电路原理图 TPS7350 电源稳压电路原理图如图 3 5 所示 图 3 5 TPS7350 电源稳压电路 整个系统中只有摄像头采用 9V 电压 因为自己设计的可调的电源稳压电路使用的 元器件比较多 在设计 PCB 电路板的时候会占用很大的空间 所以我们使用了比较简 单的办法 直接用 DC DC 为摄像头供电 电路图和 3 4 相同 只是采用的是 0509 的型 号 输入电压相同 输出电压不同而已 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 16 页 舵机的工作电压为 4 6V 在舵机稳定工作的前提下 电压越高舵机的响应速度越高 因此我们设计了 6V 的工作电压 并保留了电池电压的接口 6V 的电压采用 TPS7350 芯 片 在接地端串联两个二极管 使端电压太高 1V 电路图不再重复 舵机的控制信号 PWM 信号 由接收机的通道进入信号调制芯片 获得直流偏置电 压 它内部有一个基准电路 产生周期为 20ms 宽度为 1 5ms 的基准信号 将获得的 直流偏置电压与电位器的电压比较 获得电压差输出 最后 电压差的正负输出到电 机驱动芯片决定电机的正反转 当电机转速一定时 通过级联减速齿轮带动电位器旋 转 使得电压差为 0 电机停止转动 图 3 6 PWM 占空比对舵机的控制 2 视频采集电路 视频采集模块由摄像头 1881 视频信号分离芯片以及 S12 的 AD 模块构成 视频 信号是 AD 采集的基础 下面先简要介绍视频信号的特征 然后再逐步展开 摄像头分黑白和彩色两种 根据赛道特点可知 为达到寻线目的 只需提取画面 的灰度信息 而不必提取其色彩信息 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 将芯片和外围电路制作在一块电路 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 17 页 板上 称为 单板 若给单板配上镜头 外壳 引线和接头 就构成了通常所见的 摄像头 摄像头通常有三个端子 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 具体而言 参见图 3 7 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 即持续时间远长于 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到来 不 过 场消隐区恰好跨在上一场的结尾和下一场的开始部分 得等场消隐区过去 下一 场的视频信号才真正到来 摄像头每秒扫描 25 幅图像 每幅又分奇 偶两场 先奇场 后偶场 故每秒扫描 50 场图像 奇场时只扫描图像中的奇数行 偶场时则只扫描偶数 行 图 3 7 摄像头视频信号 摄像头有两个重要的指标 分辨率和有效像素 分辨率实际上就是每场行同步脉 冲数 这是因为行同步脉冲数越多 则对每场图像扫描的行数也越多 事实上 分辨 率反映的是摄像头的纵向分辨能力 有效像素常写成两数相乘的形式 如 320 x240 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 18 页 其中前一个数值表示单行视频信号的精细程度 即行分辨能力 后一个数值为分辨率 因而有效像素 行分辨能力 分辨率 我们的智能模型车自动控制系统中使用黑白全电视信号格式 CMOS 摄像头采集赛道 信息 摄像头视频信号中除了包含图像信号之外 还包括了行同步信号 行消隐信号 场同步信号 场消隐信号以及槽脉冲信号 前均衡脉冲 后均衡脉冲等 因此 若要 对视频信号进行采集 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 要能有效地对视频信号进行采样 首先要处理好的问题是如何提取出摄像头信号中的 行同步脉冲 消隐脉冲和场同步脉冲 这里有两种可行的方法 第一 直接通过单片 机 AD 进行提取 因为行同步脉冲 消隐脉冲或场同步脉冲信号的电平低于这些脉冲以 外摄像头信号的电平 所以据此可设定一个信号电平阈值来判断 AD 采样到的信号是否 为上述三类脉冲 第二 就是给单片机配以合适的外围芯片 此芯片要能够提取出摄 像头信号的行同步脉冲 消隐脉冲和场同步脉冲以供单片机作控制之用 我们使用了 LM1881 芯片对黑白全电视信号进行视频同步分离 得到行同步 场同 步信号 由 1881 及其外围电路构成的摄像头采样电路如图 3 8 所示 摄像头视频信 号端接 1881 的视频信号输入端 同时也接入 S12 的一路 AD 转换端口 选用 AD0 1881 的行同步信号端 引脚 1 接入外部中断引脚 IRQ 同时将 LM1881 的场同步 信号和奇 偶场同步信号输入到 ECT 模块中 选用 PT1 PT2 这样 既可以采用查 询方式获取奇偶场信号跳变 又可以采用脉冲捕捉方式获取电平变化 通过这样的接 线 为软件开发提供了多种选择的机会 使程序更加灵活 图 3 8 视频同步分离电路 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 19 页 其中 引脚 2 为视频信号输入端 引脚 1 为行同步信号输出端 如图 3 9 中的 b 引脚 3 为场同步信号输出端 当摄像头信号的场同步脉冲到来时 该端将变为低 电平 一般维持 230us 然后重新变回高电平 如图 3 9 中的 c 引脚 7 为奇 偶场 同步信号输出端 当摄像头信号处于奇场时 该端为高电平 当处于偶场时 为低电 平 事实上 不仅可以用场同步信号作为换场的标志 也可以用奇 偶场间的交替作为 换场的标志 图 3 9 LM1881 信号时序图 3 2 3 电机驱动电路 第一代驱动电路采用一片组委会提供的 MC33886 驱动电机 33886 作为一个单片电路 H 桥 是理想的功率分流直流马达和双向推力电磁铁控 制器 它的集成电路包含内部逻辑控制 电荷泵 门控驱动 及低读选通 on 金属 氧化 物半导体场效应晶体管输出电路 33886 能够控制连续感应直流负载上升到 5 0 安培 输出负载脉宽调制 PWM ed 的频率可达 10 千赫一个故障状态输出可以报告欠压 短路 过热的情况 两路独立输入 控制两个半桥的推拉输出电路的输出 两个无效输入使 H 桥产生三态输出 呈现高阻抗 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 20 页 33886 制定的参数范围是 40 C TA 125 C 5 0V V 28V 集成电路也可 以工作在 40V 通过降低规定的定额值 集成电路能够在表面安装带散热装置的电源组 件 特点 与 MC33186DH1 类似的增强特性 5 0 v 至 40 v 连续运转 120 m RDS ON H 桥 MOSFETs TTL CMOS 兼容输入 PWM 的频率可达 10 千赫 通过内部常定时关闭对 PWM 有源电流限制 依靠降低温度的阈值 输出短路保护 欠压关闭 故障状况报告 33886 简化内部结构图 图 3 10 MC33886 芯片内部封装图 芯片的封装 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 21 页 图 3 11 MC33886 芯片外部引脚的封装图 各个引脚的功能 表 3 1 MC33886 引脚对应功能列表 在调速过程中发现 芯片内通过电流太大 MC33886 发热量很大 导致 MC33886 的 FS 引脚置位 从而使其不工作 反向制动后这种情况更为严重 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 22 页 第二代驱动电路改用两片 MC33886 并联 使用两片 MC33886 将堵转时通过电流的 极限值提升了 这需要在设计 PCB 板时采用合理的布线方案 以提高整个驱动系统的 可靠性 在设计 PCB 时还要为 MC33886 添加散热盘 降低其工作时的温度 为增强驱 动能力 我们设计了第三代驱动电路 第三代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 70A 以上 相对与 MC33886 能提供的最大 6A 的电流来说 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 功率 MOSFET 管栅极驱动电路 桥 式功率驱动电路等 功率 MOSFET 管的驱动芯片为 TD340 由功率 MOSFET 管搭建的驱动电路原理如下图 图 3 12 由 MOSFET 管构成的 H 型 PWM 变换器电路 直流电机脉宽调速通过改变控制电压的脉冲宽度来改变加在直流电机上的平均电 枢电压的大小 从而改变直流电机的转速 图 3 12 所示为可逆的 PWM 变换器主电路的 H 型结构形式 图中 4 个 MOSFET 管的基极驱动电压分为两组 其中 Q2L 和 Q1H 为一组 当 Q2L 接收 PWM 信号导通时 Q1H 常开 而 Q2H 和 Q1L 截止 这时 电机两端得到电压而旋 转 而且占空比越大 转速越高 由于直流电机是一个感性负载 当 MOS 关断时 电机中 的电流不能立即降到零 所以必须给这个电流提供一条释放通路 否则将产生高压破坏 器件 处理这种情况的通常方法是在 MOSFET 管旁边并联一个二极管 使电流流过二极 管 最后通过欧姆耗散的方式在二极管中消失 对于大电流 耗散是重要的排放方法 这里必须使用高速二极管 电机反转时道理相同 TD340 的模拟输入控制电路如图 3 13 所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 23 页 图 3 13 TD340 的模拟输入控制电路 TD340 驱动器芯片是 ST 微电子公司推出的一种用于直流电机的控制器件 TD340 芯片是 N 沟道功率 MOS 管驱动器 适合于直流电机控制 图 3 14 为 TD340 的输入电压 与输出 PWM 间的特性曲线 该器件内集成有可驱动 N 沟道高边功率 MOS 管的电荷泵和 内部 PWM 发生器 可进行速度和方向控制而且功耗很低 同时具有过压 20V 欠 压 20 return uchar max2 min2 2 uchar Thresholdkp1 max2 min2 100 else return uchar max2 min2 2 uchar Thresholdkp2 max2 min2 100 2 边沿检测算法 由于赛道是在白色底板上铺设黑色引导线 因此干扰比较小 黑线提取较为容易 因此可以使用图像处理算法中较为简单的边界提取算法 由于黑色和白色底板之间的 色差较大 直接放映在图像数据中就是数据差值大于一个阈值 此阈值可以经过试验 确定 该算法的流程为 1 从最左端的第一个有效数据点开始一次向右进行阈值判断 由于实际黑白赛道边 沿可能会有模糊化 导致阈值并不是简单的介于相邻的两个点之间 找到阈值点记为 start 2 从 strat 开始寻找第二个跳变点 记为 end 则黑线中心位置为 start end 2 考虑的算法的可靠和稳定性 本系统采用了阈值分割 边沿检测和黑线搜索相结 合的方法提取黑线 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 38 页 开始 双峰发计算阈值 边沿检测方法及阈值分割 相结合提取黑线中心 边沿检测方法及阈值分割 相结合提取黑线中心 黑线搜索方法提取黑线中 心 中值和黑线连续性滤波 结束 4 5 2 有一定抗干扰和抗反光能力的黑线提取算法 1 原始图像特点 在单片机采集出图像信号后需要对其进行处理以提取赛道信息 同时 由于杂点 交叉线 起始线的影响 光线 赛道连接处以及赛道以外图像的干扰 图像的效果会 大打折扣 因此 在软件上必须排除干扰因素 对有效赛道进行识别 并提供尽可能 多的信息供决策使用 我们在图像信号处理中提取的赛道信息主要包括 1 赛道中心位置 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 39 页 2 赛道宽度 3 赛道曲率 4 赛道变化幅度 6 赛道形式判别 由于摄像头自身特性 图像会产生梯形式变形 这使得摄像头看到的的信息不真 实 所以我们利用赛道进行测量 创建函数还原出了真实赛道信息原始图像是一个将 模拟图像经模拟电路转换得到的二位数据矩阵 矩阵的每一个元素对应一个像素点的 阈值 图像的第一行对应最远处 大约 150cm 图像的最底部一行对应最近处 大约 20cm 远处的图像小 近处的图像大 黑线为梯形状 预赛之后在调试中我们发现 视场底部距离车体最前部越远 在通过半径较小的 270 弯道时越容易丢失黑线 在这 种情况下 对十字交叉道的处理变得比较困难 针对这个问题 队员们讨论之后 决 定将摄像头后置于电机前方附近 即将整个视场向后平移 使视场底部到车体最前部 的距离在 3 5cm 之间 采用这个方案之后 赛车在通过小半径弯道时基本上不会丢失 黑线 在这个基础上我们就比较好的解决了赛车通过十字交叉道容易出错的问题 2 黑线提取算法的基本思想 a 直接利用原始图像逐行扫描 根据设定的阈值提取黑白跳变点 b 黑线宽度有一个范围 在确定的黑线宽度范围内提取有效黑块 这样可以滤除 不在宽度范围内的黑点干扰 c 利用黑线的连续性 根据上一行黑线中心的位置来确定本行求出的黑线中心是 否有效 d 图像是远处小近处大 所以黑线宽度范围和前后行黑线中心的位置差别都要动 态调整 e 求黑线中心时 因为近处的黑线稳定 远处黑线不稳定 所以采用由近及远的 办法 f 图像数据量大 全部扫描一遍会浪费很多时间 利用前面已经求出的黑线中心 位置判断出黑线的趋势 从而推断出下一行的黑线大概位置 确定出扫描范围 避免 整行逐点扫描 节约时间 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 40 页 g 提取出整场所有有效行的黑线中心后 根据预先设定好的权重计算出黑线中心 的加权平均 作为本场的黑线中心 3 赛车路径的选择 根据第二届比赛以及本届华北区预赛的获得的经验 赛车能否以最少的时间完成 比赛 与赛车的速度和路径都有着密切关系 因此 如何能够使赛车以一个最合理 最高效的路径完成比赛是提高平均速度的关键 对于赛车路径的优化 我们从两方面来完成 1 增加视场的长度和宽度 根据我们的分析 当赛车采集到的图像能够覆盖一个比较完整的 S 弯道时 通过 加权算法计算出来的黑线中心就会处于视场中央附近 此时赛车会以一个比较好的路 径快速通过 S 弯道 相反 如果视场无法覆盖一个完整的 S 弯道 赛车就会误处理为 普通的单向弯道 这样赛车的速度就会大大减慢 因此 尽量增大视场的长度和宽度 就很有必要了 视场的长度与单片机可以处理的图像行数成正比 华北预赛中 我们 采用的是外部 AD 方案 单场采集后进行处理 由于 AD 转换耗费时间较长 采集之后 剩下的处理时间限制了单片机能够处理的行数 因此预赛中的方案处理的行数过少 预赛之后 我们采用由运算放大器制作的模拟比较器进行图像二值化处理 处理速度 较 AD 转换有了很大提高 大大增加了单片机处理的图像行数 最终处理行数为 95 行 每隔 3 行处理一次 达到的视场长度为 150cm 为了增加视场宽度 增加每行采集的图像点数之外 我们采用了广角镜头 从而有效 地增加了视场宽度 4 5 3 道路识别算法 智能车的跟踪路径如图 4 所示大致可以分为三类 从图中可以看出三种典型路径 的阴影部分的面积大小是不同的 因此可以根据此面积大小区分三种跟踪路径 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 41 页 弯道 弯道 直道 通过图中的阴影部分的面积和直线拟和的斜率可以两个信息可以区分三种赛道 其算法流程图如下 开始 引导线进行坐标变换 跟踪路径面积信息求取 最小二成法直线拟求取偏 角信息 BP神经网络赛道识别 4 6 起跑线识别程序设计 赛道具体参数如图所示 根据起跑线特点可以在一个矩形区域内利用双峰发对矩形 图像进行分割 当出现黑白黑白的跳变图像时候 即为起跑线 为了防止起跑线重复 实现可以规定只在直道上进行识别 且每次只识别一次 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 42 页 4 7 车体控制程序设计 控制系统中 主要存在两个控制回路 一是控制车身与黑线相对位置的回路 操 作变量是舵机转向角 二是模型车速度控制回路 操作变量是电机驱动电路的平均输 出电压 控制系统如图所示 核心算法 驱动电机 舵机 传感器 东北大学秦皇岛分校毕业设计 论文 第 43 页 4 7 1 舵机控制算法 我们对舵机的控制采用了位置式 PID 算法 根据往届的资料和自己的测试 将图 象经过算法处理后得到的黑线位置和对应的舵机 PID 参照角度处理成一次线性关系 开始在较低速 2m s 以下 试验时 在偏离黑线很少的某个范围 将 Kp 直接置零 在 偏离黑线较少的某个范围 将 Kp 值减小为原来的一半 在偏离较大的其他情况 则保 持 Kp 原来的大小 取得的实际效果在弯道较多 直道较短的赛道上 车子转弯流畅 直道也能基本保持直线加速 车身左右抖动较小 但在提高车速至高速 2 5m s 以上 时 发现车身在跑直道特别是是长直道时 车身左右震荡比较严重 究其原因 硬件 上 我们认为首先是轮轴本身的松动并且转向机构左右转向性能可能存在不对称性 设计有待改进 软件上 则是自身编写的 PID 舵机控制还不够精细 动态