清华II队技术报告

1、第二届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛摄像头智能车技术报告学 校：清华大学队伍名称：清华大学2队参赛队员：张万君 贺凡波 刘诚哲指导教师：于庆广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全国大学生“飞思卡尔”杯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： 目 录第1章引言11.1 路径信息的采集21.2 对采集到的数据进行分析21.2.1 引导线

2、的识别21.2.2 获取赛道信息31.3 智能车控制决策31.4 智能车执行单元3第2章智能车硬件设计方案52.1 硬件方案设计概述52.1.1 CMOS图像传感器62.1.2 速度传感器62.1.3 主电机及舵机驱动62.1.4 人机界面62.1.5 电源模块62.2 主电机的驱动62.2.1 基于H桥芯片MC33886的主电机驱动方案62.2.2 电机驱动电路82.3 速度传感器82.4 摄像头92.5 基于LM1881的视频同步信号分离电路102.6 人机界面102.7 电源系统112.8 总装配方案12第3章软件设计方案153.1 图像采集与道路识别153.2 控制策略153.2.1

3、速度控制策略153.2.2 方向控制策略16第4章调试工具开发174.1 图像采集与道路识别的调试工具174.2 控制策略的调试工具17第5章结语185.1 问题与思考185.2 不足与改进18参考文献I第1章 引言全国大学生智能汽车比赛是经全国高等教育司研究，委托高等学校自动化专业教学指导分委会主办的，旨在培养创新精神、协作精神，提高工程实践能力的科技活动。比赛要求在组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机HCS12开发板、开发软件Code Warrior和在线调试工具的基础上制作一个能够自主识别路线的智能车，它将在专门设计的跑道上自动识别道路行驶。中心目标是不违反大赛规则的情况下以最短时间完成

4、单圈赛道。 本文主要对车模整体设计思路，硬件与软件设计及车模的装配调试过程作简要的说明。由于韩国举办这样的比赛已有多年历史，所以其原来的比赛模式成为了本次智能车竞赛的主要参考对象。车模竞赛的赛道是一个具有特定几何尺寸约束、磨擦系数及光学特性的白底面板，其中心贴有对可见光及不可见光均有较强吸收特性的黑色条带，宽度为2.5cm。智能 车通过实时对自身运动速度及方向等进行调整来“沿”赛道运动。运动策略的制定主要是依靠对传感器得到的道路及行驶信息进行采集、分析、决策、执行四个步骤来进行的。图1.1 赛道与车模1.1 路径信息的采集对道路信息采集方式主要可以分为：（1）用摄像头完成对道路的拍摄后把图像信

5、息传入处理系统。（2）用光电传感器把不同位置的道路情况（对光反射率不同的引导线）转化为数字量或模拟量传入处理系统。采集信息的快慢及准确程度直接决定了后续工作能否顺利进行。所以道路信息采集工作的核心是找到一种相对高分辨率、高速度的数据采集方法为分析工作及时提供准确的数据。此外，根据需要还可以对车体的运动情况进行监测，如加装速度传感器、加速度传感器等，用以获得车体运动的相关信息。 1.2 对采集到的数据进行分析数据输入到单片机中后，将根据采集的方法不同来对其进行运算，以得到小车与赛道的相对位置关系及相对运动关系，如果考虑道路信息的历史记录或利用摄像机的话也可以得到道路弯直，曲率等更进一步的信息。分

6、析是上层控制算法的基础，根据摄像头安装位置（高度，俯仰角，对焦距），获得的图像质量是不一样的。分析的目的是从综合考虑了上述因素安装的摄像头拍摄图像中获取尽可能多的有用信息。1.2.1 引导线的识别摄像头的输出信号为PAL制式的模拟信号。视野中，赛道偏白，像素返回电平较高；引导线偏黑，像素返回电平较低。连接每场图像中电平较低的点，即可获得引导线信息。但在非理想的调试环境下，单片机获得的图像质量较差，多数情况下会引入干扰，造成车模无法正确实别引导线而跑飞。针对所遇到的几种情况，我们做了如下处理：赛道外黑色物体干扰：由于引导线是连续、封闭的黑线，故当视野中出现跳变的黑点，则判断发生错误；赛道上阴影的

7、干扰：由于引导线是宽度固定的黑线，故当视野中出现大片连续的黑点或过粗的黑线，则判断发生错误；短暂失去引导线的容错处理：由于控制不当，车模超调造成引导线离开视野，再次搜索引导线时必须坚持“从哪一侧消失就从哪一侧出现”的原则，否则判断错误发生。1.2.2 获取赛道信息在获取正确的引导线信息的基础上，根据赛道的变化趋势对车模的速度、方向加以控制。当引导线偏离视野中心线较大时，判断车模跑偏或处于入弯状态，减速并调整舵机；当引导线偏离视野中心线较小时，判断车模处于直线路段或小“S”弯，匀速或适当加速。1.3 智能车控制决策在步骤一与二的前提下，我们可以利用已知信息来完成对智能车控制指令的输出。但如何“智

8、能地”让车模完成对赛道的判断将成为难点。主要目标是：根据道路趋势来制定策略，在不违规的前提下缩短行驶距离，消除车体产生的振荡现象，加快调节的响应速度等。1.4 智能车执行单元执行机构不但涉及一些电路问题，而且还涉及了一些机械传动问题。它保证控制系统发出的指令被正确可靠执行。实践证明：执行部件对发热，对大电流的较强的承受能力和各连接部位之间的良好的润滑应该是这部分所要考虑的主要问题。 四个步骤中的难点在于第二步与第三步数据的分析与策略的制定，实际上小车的适应性和极限速度很大程度上是由它们决定的。除此之外，必要的显示机构对车模的调试会产生积极的作用。如，可以通过LED或LCD表示车模决策的情况及对

9、道路识别的结果。甚至可以通过存储介质或利用无线通信的方式把车模运行情况全部记录下来。这样在调试阶段可以更为充分地掌握策略制定和执行的细节。第2章 智能车硬件设计方案2.1 硬件方案设计概述图2.1 车模左侧视图 图2.2 车模正面视图图2.4 车模左侧视图 图2.5 车模后面视图 图2.5 车模顶视图2.1.1 CMOS图像传感器参赛车模采用CMOS图像传感器作为道路信息采集设备。同光电传感器相比，CMOS图像传感器具有耗电量低、信息量大、前瞻性好、轻便灵活等优点；但由于其每帧图像的输出时间固定为20ms，使CMOS图像传感器在控制周期上稍处劣势。2.1.2 速度传感器为了对车模的速度实现更为

10、精确的控制，在车模电机主轴加装速度传感器。它可以输出脉冲信号到单片机中从而得到车模运动的速度并制定对车模直流电机的调整策略。另外，利用速度的积分，还可以大致掌握车模的行驶距离，从而实现一种基于赛道记忆的车模控制方法。2.1.3 主电机及舵机驱动主电机是车模后轮的直流驱动电机，主要通过基于H桥的电机驱动芯MC33886，采用PWM信号控制加到主电机两端的等效电压的大小。由于舵机内部集成了对其转角的控制电路，所以可以将单片机输出的某一路PWM信号输入到其控制线中即可对舵机转角进行控制。2.1.4 人机界面人机界面包括策略选择开关、状态反馈LED等。该界面在调试中提供了一种方便快捷的单片机状态获取方

11、式，同时使比赛中的策略选择更加灵活。2.1.5 电源模块由于条件和规则所限，参赛车模的动力系统与控制系统共用同一电源。这样，在电机加减速过程中伴随的超大电流将拉低电池端电压，严重威胁控制系统工作的稳定。因此，控制系统必须设计有可靠的升压、稳压模块，使电池端电压下降到一定水平时，控制系统的供电依然稳定、纯净。2.2 主电机的驱动2.2.1 基于H桥芯片MC33886的主电机驱动方案图2.6 电机驱动电路为了利用单片机实现对主电机的控制，使用MOTOROLA公司的H桥芯片MC33886。该芯片的供电电压在5V至40V之间均可，MOSFET管的导通电阻为120m，控制信号的输入兼容TTL/CMOS电

12、平，PWM的最高频率可达10kHz，同时具有短路保护功能和故障信号的输出。MC33886的应用示意图如图2.7所示。图中，V+是为直流电机供电的电源。IN1和IN2两个逻辑电平输入端分别控制输出端OUT1和OUT2。当IN1输入高电平时，OUT1输出也为高电平即通过H桥与V+导通；当IN1输入低电平时，OUT1输出也为低电平即通过H桥与GND导通。IN2和OUT2的关系与此相同。FS为故障信号开漏极输出，低电平有效。当D1是高电平或者D2是低电平时，同时禁用OUT1和OUT2的输出，使OUT1和OUT2同时变为高阻态。通过控制IN1和IN2的电平，即可控制电机正转、反转、停转。对IN1和IN2

13、的电平信号进行脉宽调制，即可控制电机的转速。图2.7 MC33886的应用示意图2.2.2 电机驱动电路主电机驱动电路采用大赛组委会指定的比赛用电池直接为MC33886及主电机供电。MC33886的所有输入、输出信号均采用TLP521-4光电耦合芯片隔离，以避免驱动电路对单片机的正常工作造成干扰。为了保证MC33886散热良好，该电路板上依据MC33886数据手册的推荐样式设计了散热敷铜并为MC33886安装了散热片，如图2.8所示。焊接、装配时，将电路板正面的敷铜与MC33886底部的裸露的散热铜焊盘焊接在一起，可大大增强芯片散热能力。图2.8 MC33886散热敷铜2.3 速度传感器图2.

14、9 速度传感器参赛车模的速度传感器如图2.9所示。速度传感器是由安装在车模电机主轴上的一个直径为25mm的齿轮、一对红外线发射、接收管及电压比较器电路组成的。考虑到硬件的安装与齿轮的加工难易程度，选择石英钟齿轮作为码盘。齿轮轴直径为2.0mm与电机主轴端部的孔（直径约为2.3mm）为过盈配合，故用502胶将其粘牢。红外线发射、接收管采用集成式光电开关。在运动过程中，齿轮随电机主轴一起转动，其齿部断续地遮挡红外线光束，使得接收管接收到断续的光脉冲信号。经过如图2.10所示的电路，将接收管接收到的光脉冲信号转换为电脉冲信号。该电路采用5V供电，调节电位器阻值，使得红外线被齿轮遮挡时电路输出低电平，

15、红外线不被遮挡时电路输出高电平。但是，红外线集成式光电开关的恢复特性较差，在高频下图2.10所示电路输出的高低电平的区分度较差，须将电平信号经电压比较器整形后方可使用。图2.10 速度传感器原理图2.4 摄像头参赛车模采集赛道信息的唯一传感器为一只Connika的101B黑白CMOS摄像头，其外观如图2.11所示。摄像头的供电电压在6V至9V，功率消耗小于等于640mW，电子快门时间为1/50s至1/6000s，每秒钟拍摄50帧图像。视频输出信号峰峰值为1V，输出阻抗75，符合PAL制式，图像分辨率为，镜头焦距为3.6mm，水平视角95，架设高度12cm，俯角50图2.11 摄像头2.5 基于

16、LM1881的视频同步信号分离电路LM1881是国家半导体公司（National Semiconductor）出品的视频同步信号分离器。视频信号以交流耦合方式输入，以LM1881为核心，组成视频同步信号分离电路，将摄像头发出的视频信号中的行同步信号和场同步信号分离出来，单片机以此判断每一帧图像的起始时刻以及图像每一行的起始时刻，以便能够对图像适时地进行采集。图2.12 LM1881应用示意图2.6 人机界面参赛车模采用一个6位拨码开关作为策略选择开关，共可预置64种策略备选；同时设计有14个发光二极管用于单片机状态的显示。MC9S12DG128单片机端口难以直接驱动发光二极管，因此使用Darl

17、ington结构的三极管集成芯片ULN2003A，其内部结构和管脚定义如图2.13。图2.13 ULN2003A内部结构和管脚定义ULN2003A的每一个Darlington结构的三极管的最大持续集电极电流可达500mA，足够点亮发光二极管。图2.14 拨码开关以及发光二极管2.7 电源系统图2.15 DC-DC升压模块图2.16 MAX761应用示意图为了减小主电机制动、加速瞬间大电流拉低电池端电压对控制系统，尤其是对单片机的影响，参赛车模采用MAX761芯片搭建了DC-DC升压模块，将电池电压升高至10V、7V分别供给CMOS摄像头以及单片机。MAX761应用方法如图2.16所示。采用一片

18、LM2941可调稳压电源芯片将DC-DC升压模块输出的10V电压转换为9V稳压输出供给CMOS摄像头。LM2941的应用方法如图2.17所示。 图2.17 LM2941应用方法示意图采用一片LM7805-5稳压电源芯片将DC-DC升压模块输出的7V转换为5V稳压输出供给单片机。2.8 总装配方案利用车模原装垫块降低车底盘高度；采用胶粘的方法将舵机架高；利用车模底盘、电机框架原有螺丝孔固定主板、速度传感器；将S12子板、DC-DC升压模块插入主板预设接口；将摄像头安放于12cm铜柱顶端，螺纹固定于主板螺丝之上；将各部分设备电源线、信号线、地线连接完毕。图2.18 用于固定电路板的螺丝孔图2.19

19、 摄像头固定图2.20 速度传感器固定图2.21 舵机架高第3章 软件设计方案3.1 图像采集与道路识别摄像头输出的PAL制式模拟信号经视频分离电路分离后，分别将视频同步信号（奇偶场同步信号、行同步信号）和各像素电压信号输入单片机中断及单片机数模转换器。中断被触发后，数模转换器开始工作，将模拟信号转化为数字信号并被单片机存储。当一行图像采集完毕后，立即根据灰度差和道路的连续性进行道路识别。这样，在整帧图像采集完毕后，道路识别同时完成，大大节省了计算时间，加快了系统响应。由于摄像头安装位置较低，单片机得到的图像信息产生了较大的畸变，因而在做出控制决策前，需对识别到的道路进行“梯形矫正”。但在实际

20、操作中，并不需要矫正识别到的整条道路，只需对影响控制决策的那些点进行矫正即可。3.2 控制策略3.2.1 速度控制策略为了达到好的速度控制效果，对速度进行闭环控制是必须的。这里所说的速度控制策略是指设定速度的确定方法设定速度主要由道路与直道的偏差来决定，道路越接近直道，设定速度越高，反之越低。车模行驶中的最低速度是这样确定的：令车模以较低的速度匀速行使，在保证无犯规行为出现的前提下，逐渐提高匀速行使的速度，直到车模出现犯规行为，此速度再减去一个安全量，即为所需的最低速度。简单的说，变速行使的最低速度等于匀速行使的最高速度。车模行驶中的最高速度是这样确定的：在确定最低速度以后，加入变速策略，不断

21、提高最高速度的设定值，直到模型车出现犯规行为，此速度再减去一个安全量，即为所需的最高速度。车模行驶过程中难免出现“失去道路”的情况，对此需要采取一定的安全策略，防止赛车“盲跑”而导致犯规。3.2.2 方向控制策略参考“驾驶员模型57”，我们决定通过预瞄前方的一段道路来进行方向控制。根据预瞄区道路的位置，初步确定舵机转角；根据预瞄区道路的趋势，对舵机转角进行修正。预瞄距离由车速与预瞄时间共同决定。第4章 调试工具开发实践表明，调试手段是极其重要的。好的调试手段有助于及时发现、分析和解决问题。为此，我们设计了一些调试工具。整个调试平台采用开源的解决方案，开发成本低。4.1 图像采集与道路识别的调试工具车模将图像和道路数据通过串口传给上位机，由上位机程序根据灰度值绘制黑白图片。上位机程序用Java语言编写，使用了eclipse RCP框架，使开发周期大大缩短，同时具有较高的可移植性。由于该程序所处理的源数据为经过单片机处理后的数据，所以它所反映的是单片机真正“看到的图像”以及控制系统真正“认定的引导线”。同一般的视频模块（反映的实际是摄像头所拍摄到的图像）相比，该程序具