农业之魂二队技术报告

1、关于技术报告和研究使用的说明本人完全了解第五届使用技术报告和研究大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛有关保留、的规定，即：参赛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的设计方案、技术报告以及参赛模型车的、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会集中。参赛队员签名： 带队教师签名： 日期： I摘要本文以第五届“飞思卡尔”杯大学生智能车竞赛为背景，介绍了智能汽车系统的软硬件结构和开发流程。包括车模机械结构的设计调整，摄像头的选择与安装，电源管理电路、驱动电路的设计，图像处理和及调试方法介绍等内容。该系统以 MC9S12XS128 微处理器为策略分析，采用数PID字

2、摄像头检赛道测路径，结合所测车速信息舵机转向，应用算法调节车速。经过大量底层和上层测试，实验结果表明，该方案可行。：智能车、飞思卡尔、MC9S12XS128、PID、摄像头IIABSTRACTUnder the background of the fifth session of the Freescale Smart Car Competition, this paper introduces both the hardware and software construction ,as well as the development process of the intelligent c

3、ar control system .In detail itrefers to the car ms mechanism structure adjustment ,the selection of camera andits settlement scheme,the design of power management circuits and motor drive unit,the analysis of image processing,control algorithm and strategy optimization ,the debugging method is also

4、 introduced .The smart car control system uses MC9S12CXSS128 MCU as its core controller.According to the path information got by digital camera combined with the cars moving speed measured by the photoelectric sensor ,steering engine of the car is set with a suitable angle ,at the same time ,speed i

5、s adjusted properly and automatically by an application of PID algorithm . After cyclic tests on the system from bottom to upper sides，the results of tests indicate that our design scheme is available.Keywords: smart car, freescale, MC9S12CXSS128，PID, CCDIII目录摘要IIABSTRACTIII目录IV引言11.1 背景介绍11.2 概述1系统

6、整体结构设计32.1 系统分析32.2 整车布局32.3 系统结构4机械结构设计及调整方案53.1 车身高度53.2 前轮Toe 角度63.3 前轮Camber link73.4 后轮Camber link73.5 前、后减震器位置83.6 差速器93.7 轮胎优化调整93.8 重心调整与车上设备的布置103.9 摄像头的固定和安装103.10 舵机安装结构的调整113.11 本章小结11硬件系统设计124.1 单片机最小系统124.2 电源稳压模块134.3 摄像头模块15第一章第二章第三章第四章IV4.4 电机驱动模块164.5 速度传感器174.6 本章小结17软件系统设计185.1 程

7、序整体架构185.2 图像处理18第五章5.3策略215.4 本章小结22系统调试236.1 软件调试平台236.1.1 编辑界面236.1.2 编译调试窗口246.2 无线传输模块246.2.1 模块介绍256.2.2 接口电路管脚说明266.2.3 模块引脚和电气参数说明266.3 电池放电检测276.4 拨码开关模块286.5 本章小结28基本参数29结论30第六章第七章第八章鸣谢31参考文献32附录I部分源程序IV第一章 引言1.1 背景介绍现在半导体在汽车中的应用越来越普及，汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。它包括了装置，即通过电子装置汽车发、底盘、车身、制动防抱死及动力转向系统

8、等，到车载装置，即汽车信息系统、导航系统、汽车音响及车载通信系统等等，几乎涵盖了汽车的所有系统。的迅猛发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。作为全球最大的半导体供应商，飞思卡尔公司一直致力于为汽车电子系统提供全范围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件和解决方案。飞思卡尔公司在的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。其中在 8 位、16 位及 32 位汽车微第一。飞思卡尔公司生产的 S12 是一个非常器的市场占有率居于全球系列，在全球以及中国的范围内被广泛应用于各种应用中。为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学，受教育部高

9、等教育司委托(教高司函2005201 号)，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办大学生智能汽车竞赛。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，是以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛，是面向践活动。大学生的一种具有探索性的工程实该竞赛己举办了四届，得到了原教育部副部长吴启迪教授、教育部高26 个省（教司、各高校师生的高度评价，已发展成为有）、直辖市 230 余所高校广泛参与的大学生赛事。第三、第四届比赛连续获得教育部、财政部“教学质量与教学工程”资助。1.2 概述第五届大学生智能汽车竞赛将于 2010 年 8 月 21、22 日在杭州电子科技大学举行

10、，比赛要求使用竞赛尔半导体公司的 8 位、16 位微行系统设计，包括传感器信号处统一指定的竞模套件，采用飞思卡器作为单元，构思以及方案进算处理、电机驱动、转向舵机法软件开发等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加总决赛的场地比赛。中心目标是不大赛规则的情况下以最短时间完成单圈赛道。本文主要对车模的整体设计思路：硬件与软件设计及车模的装配调试过程作简要的说明。由于该项赛事在国内已举办了四届，所以往届的比赛模式第五届大学生智能汽车竞赛技术报告及各参赛队的优异表现成为了我们小组本次参加比赛的主要参考对象。智能车竞赛的赛道是一个具有特定几何约束、磨擦

11、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行四个步骤来进行的。、分析、决策、执这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们备赛过程中的思想和创意，具体表现在传感器固定的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对车辆行驶状况稳定性的调试也让我们付出了艰辛的劳动。这份报告凝聚了我们的心血和智慧，是我们小组成员共同努力后的成果。在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎、模式识别、传感技术

12、、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。2第二章 系统整体结构设计2.1 系统分析整个智能车系统的设计可分为：机械部分、硬件电路部分和控软件制部分。机械方面，本次比赛所使用的车模是一款大赛统一提供的带有差速器的四轮驱动模型，由于本身为越野车型，而比赛赛道路面平坦，故我们小组决定对车模的减震系统进行适当改造，根据固定需要和测试过程中出现的一些问题做了其它改造。比赛要求参赛队伍通过设计基于单片机的自动系统车模在封闭的跑到上寻线运行，在保证模型车稳定即不冲出跑道的前提下，在最短时间内跑完一圈即成绩最好。由此可见，设计自动器是制作智能车的

13、环节。车模和器可以看作是一个自动系统，它由传感器，信息处理与单元，执行机构三个部分组成。其中，由信息处理与单元（即单片机）所进行的信号处理和以单片机为决策是智能车的关键所在。，配有传感器，执行机构以及它们的驱动电路了系统的硬件部分。在严格遵守规则中对于电路设计和制作的限制，保证智能车可靠运行的前提下，电路应该尽可能的紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性。2.2 整车布局今年摄像头组采用了新的B 型车模，B 型车模采用的是国内厂商生产的1：16 的电动越野车的底盘部分，突出特点为四轮驱动，四轮悬挂，相比于往年比赛采用的 A 型车模结构上复杂程度有所增加。同时可调整参数也有所增加，主要的可调整

14、参数为：车身高度、前轮Toe 角度、前轮Camber link、后轮Camber link、前后轮减震器位置、差速器等。由于今年B 型车模的复杂结构，我们本着尽量少做机械结构上的改动，尽量轻量化的原则完成了车模的整车布局，其主要特点如下：(1)更改舵机的传动结构，以提高舵机的响应速度； (2)拆掉前后轮减震，以降低车模重心；(3)采用高强度复合型材料加固车模底盘；(4)摄像头置于车模尾部，减少前方盲区。第五届大学生智能汽车竞赛技术报告图12.3 系统结构系统结构主要包括以下几个部分：(1) 单片机HS128 最小系统；(2) 道路检测传感器部分；(3) 舵机及后轮电机驱动部分； (4)电源稳压

15、电路。图24第三章 机械结构设计及调整方案模型车的机械结构和组装形式是整个车身的基础，对于智能车的运行有直接影响。纵观前几届比赛可以发现，由于在机械结构改装和车身零件调校上的轻视，很多队伍在比赛中表现不佳。经过吸取往届参赛队伍失利的惨痛教训， 我们今年对B 型车模的机械结构进行了仔细分析和设计调整，取得了不错地效果。图3B 型车模采用的是国内厂商生产的 1：16 的电动越野车的底盘部分，突出特点为四轮驱动，四轮悬挂，相比于往年比赛采用的 A 型车模结构上复杂程度有所增加。同时可调整参数也有所增加，而通过调整这些参数，可以改变车辆的性能。整个机械设计与调整主要分为以下几个方面:1，车身高度；2，

16、前轮Toe 角度；3，前轮Camber link；4，后轮Camber link；5，前、后减震器位置；6，差速器；7，轮胎优化调整；8，重心调整与车上设备的布置；9，摄像头的固定和安装；10 舵机安装结构的调整。3.1 车身高度车身高度指的是当车子满载的时候，底盘离地面的高度。可以通过旋转前、后桥中的一粒内六角螺丝来调整车身高度。但实际中我们需要大幅度降低底盘第五届大学生智能汽车竞赛技术报告高度，通过六角螺丝调整远远达不到我们想要的效果。而通过去掉减震的方法可以大大降低车身高度，由此增强车模稳定性。图4前桥的内六角螺丝图5后桥的内六角螺丝3.2 前轮 Toe 角度Toe 角度（束角）是描述从

17、车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角。车轮前端向内倾（内八字），称为Toe-in，车轮前端向外倾（外八字），称为Toe-out。不同的 Toe 角度会改变车辆的转向反应和直道行驶的稳定性。可以通过改变前万向节拉杆（图 6 所示）的长度来改变Toe 角度。6第三章机械结构设计及调整方案图6 前悬挂图7 后悬挂3.3 前轮 Camber linkCamber link 是指前上桥两端的固置。Camber link 决定了车轮的Camber角度，以及悬挂移动时 Camber 角度的改变量，和悬挂系统的几何特性。Camber link 位置会影响车辆的稳定性和抓地力。可以通过调整前上桥的拉杆（图

18、6 所示）的长度来改变前轮的Camber link。3.4 后轮 Camber linkCamber link 是指后上桥两端的固置。Camber link 决定了车轮的Camber角度，以及悬挂移动时 Camber 角度的改变量，和悬挂系统的几何特性。Camber7第五届大学生智能汽车竞赛技术报告link 位置会影响车辆的稳定性和抓地力。可以通过调整后悬挂长柄万向节上的拉杆的长度来改变后轮的Camber link，如图 7 所示；也可通过改变后悬挂长柄万向节车身一端的固 置来获得不同的Camber link，如图 8 所示。图8 B型车模后视图制成，其本身的刚性不足限制了对车模进行微调的程度

19、。由于车模是由而且对于调整前轮Toe 角度、前后轮CamberLink 都需要精密的角度测量仪器。综合以上因素，我们决定放弃对车模的前轮 Toe 角度、前后轮 CamberLink 进行精密调节。而是以保证车模前后车轮尽量水平、对称为主。3.5 前、后减震器位置图9 前减震器固置8第三章 机械结构设计及调整方案图10 后减震器固置通过调整前、后减震器上端的固置以可以获得不同的减震效果，从而获得不同的抓地力。考虑到我们比赛使用的赛道为平坦路径，并且降低重心可以加强的稳定性等因素，我们最终决定去掉用于减震作用的弹簧。3.6 差速器差速器有差速作用和限滑作用：差速作用使两轮可以相对转动，并使两轮转动

20、速度的平均值等于整驱动轴的转动速度；限滑作用在两轮相对转动时产生阻力，以限制两轮速度差，防止其中一个发生过度打滑和空转。齿轮差速通常可填充差速油。差速油可以使齿轮在相对转动啮合时产生阻力。不同的差速油会带来不同的差速效果，通过在前、中、后三个差速器中使用不同的差速油，可以获得不同的转向特性。为了找出合适的差速油，我们尝试了 KYOSHO 生产的轴承油、京商生产的摩擦油、30000#差速油膏和普通润滑油等不同的产品，通过对其进行对比发现固体的差速油膏比较适合长久的润滑效果。3.7 轮胎优化调整轮胎是车身与地面直接接触的部件，直接影响智能车附着力（俗称抓地力）与过弯性能。我们知道智能车附着力的好坏

21、对于车身加性性能及过弯时瞬态、稳态响应优劣有较大影响。在整个车体调整过程中，轮胎优化是很重要的。由于限定了轮径及轮胎的改动，我们的调整主要车模现有轮胎。在调车过程中，我们可以发现，新轮胎在使用一段时间后，智能车的附着力会增加，之后逐渐减少。这是由于随着轮胎地使用，胎面表面会变得粗糙，中间的分模面也会磨损掉，整个胎面看上去比较平整，此时胎面的附着性能达到最佳。因此，我们可以事先进行人为前期磨损，使其达到好的附着性能。 另外，高速9第五届大学生智能汽车竞赛技术报告过弯，特别是摄像头车过弯时由于地面对轮轮胎侧向力很大，易使轮胎脱离轮毂，这时可以考虑将轮胎粘在轮毂上或是在轮胎使用一定时间后对其进行更换

22、。3.8 重心调整与车上设备的布置在电机和电池相同的情况下，车体重量对于车的加性能有着的影响，因此在车身支架及设备布置时应该尽量减少不必要的配置，使车总重尽量减少。 车体重心高低主要影响车身运动中的稳定性，对于平顺性也有一定影响。重心调整主要目标是在过坡的前提下尽量降重心。可以通过压缩减震或者去掉减震来实现。另外将车上设备尽量布置在车体转动中心上，有利于车体在过弯时的响应。 为了降低整车重心，需严格CCD 及其安装架的重量。首先，在 CCD 摄像头的选择上采用了镜头固定在电路板上的 板 CCD，去掉了 CCD 外壳的重量。然后是设计了轻巧的铝合金 CCD 夹持组件，便于摄像头的拆卸，并采用了碳

23、度质量比。管作为安装 CCD 的主桅，这样可以获得最大的刚3.9 摄像头的固定和安装摄像头通过透镜将前面的道路图像呈现在传感器上，因此它具有相对较远的道路检测前瞻距离及范围。调整摄像头安装的高度以及方向，可以改变其检测道路的范围。我们通过单片机内部到的图像信号来辅助调整摄像头。增加摄像头的安装高度可以减小图像的梯形失真，但摄像头过高会是整个系统重心增高，影响车模运行的稳定性。所以摄像头的最终位置需要在调车过程中不断调节，以确定出最合适的位置。对于摄像头的固定，我们采用了碳管作为安装 CCD 的主桅，以及自行设计的铝合金 CCD三视图如下所示：夹持组件，其立体图和图11摄像头卡槽10第三章机械结

24、构设计及调整方案图12 摄像头卡槽三视图3.10 舵机安装结构的调整我们在实际调制中发现，若加长舵机柄，即可增大模型车行进中的车轮转向速度。这样虽然在舵机转速不变的情况下加快了车轮的转角速度，但是给舵机转向增大了负荷。在实际调试中，出现过舵机里面齿轮被损坏的情况。所以为了保证舵机的可靠性，我们最终折中选取了比较恰当的传动杆长度，经长时间验证，可以确保舵机的可靠使用。3.11 本章小结本章主要介绍了各个部分的机械结构。机械机构对于整车的性能至关重要，根据往届的经验，要想取得好成绩，模型车的机械结构的参数优化占有很大的关系。其中，前轮参数优化、转向舵机力臂增大和底盘重心位置调整对于车模的机械性能有

25、着较大的影响。只有在较好的机械结构的前提下，控制算法才能发挥出其应有的效果。总而言之，调整舵机安装时以最大相应速度、较低负载为目标，至于放置位置则根据整车的重心调整决定，前轮和后轮差速则需在转弯性能和加性能之间权衡，齿轮传构和速度传感器安装则以较低的电机负载和适当的齿轮啮合度为目标，除了以上部分的调整外，还可对主悬架弹簧松紧和底盘高度进行适当调整，通过增加避震弹簧的刚性、降低底盘高度，了的行驶表现。对各个部件的调整需从整车的角度考虑，不能单独各个击破，需要相互协调、取舍。11第四章 硬件系统设计硬件电路设计是自动器的基础，整个智能车系统是由三部分组成的：S12XS 为在主板上组成信号电磁干扰，

26、我们把的最小系统板、主板、电机驱动电路板。最小系统板可以插、处理和电机单元。为了减小电机驱动电路带来的单元部分和电机驱动部分来，做成了两块电路板。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、摄像头接口、舵机接口、电机驱动器接口、激光对管接口、键盘接口、无线模块接口、电源接口、单片机最小系统板插座、指示灯、按键、开关等。下面将对我们小组硬件设计中的几个主要模块进行介绍。4.1 单片机最小系统单片机最小系统部分使用MC9S12XS128 单片机，80 引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括PWM 接口，外部中断接口，若干普通IO 接口。其他部分还包括电源

27、滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、BDM接口和SPI 接口。图13 单片机最小系统原理图单片机引脚如下：PORTA1-5：按键PORTT0-2：LED 测试灯PORTB0-7：摄像头数据线第四章 硬件系统设计PORTE2-7：无线传输模块PE2：奇偶场信号IRQ：行同步脉冲输入信号。PT6：光电编码器脉冲输入信号。PWM0、1：舵机角度信号输出。PWM2、3、4、5：电机速度信号输出。4.2 电源稳压模块电源模块为系统其它各个模块提供所需的电源。设计中，除了要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转化效率、降低噪声、防止干扰和电路简单方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路

28、稳定可靠运行的基础。本系统全部硬件电源由 7.2V、2000mAh 的可充电镍镉蓄电池提供。由于电路中的不路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。电源稳压电路主要分为如下三类：（1） +3.3V 电压，主要为无线传输模块RF905 提供电压；（2） +5V 电压，主要为单片机及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于 500mA；（3） +6V 电压，主要为舵机提供工作电压，实际工作时，舵机所需电压一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。（4）7.2V 电压，这部分直接取自电池两端电压，主要为电机驱动模

29、块提供电源。由于整个系统中+5V 电路功耗较小，为了降低电源纹波，我们考虑使用线性稳压电路。另外，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，常用的低压降串联稳压主要有 2940、1117 等等。2940 虽然压降比 1117 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，而且无需专门考虑散热问题。13第五届大学生智能汽车竞赛技术报告图14 lm1117稳压电路图15 lm1117 ADJ稳压电路的稳压电路组成，我们采用如图 16 所示的星型结电源模块由若干相互构，可以有效减小各模块间的相互干扰。14第四章 硬

30、件系统设计充电电池(7 2V 2000mAh）Lm1117 5VLm1117 6VLm1117ADJ电机单片机速度传感器摄像头舵机无线传输模块图16 电源模块的电路结构4.3 摄像头模块在选择摄像头时，我们参照上届比赛的经验和前几届比赛各参赛队的摄像头选择，对目前可选的各种摄像头进行了比较和实验。目前市面上常见的摄像头主要有CMOS 和CCD 两种，上届比赛我们采用的是CMOS 摄像头。CCD 摄像头具有对比度高、动态特性好的优点，但需要工作在 12V 电压下，对于整个系统来说过于耗电，且图像稳定性不高；CMOS 摄像头体积小，耗电量小， 图像稳定性较高。因此，经过实验论证之后我们决定采用 C

31、MOS 摄像头。对于 CMOS 摄像头又分数字和模拟两种。参照往届比赛的经验，我们对大部分参赛队伍选用的数字摄像头OV6620 进行实验，对数字摄像头的可行性进行论证。实验之后，得出结论：数字摄像头 OV6620 可以直接输出 8 路数字图像信号，使主板硬件电路的简化成为可能，且能够达到 50 帧/S 的帧速率。OV6620 的主要特征：（1） OV6620 需要稳定的 5V 电压供电，和系统板上的供电电源兼容。（2） NAL 制，每秒 25 帧，一帧两场，那么每秒就有 50 场。意味着 20MS就有一幅图像产生。356x 292 pixels，理解为：有 292 行，一行有 356 个点。（

32、3） 视野和可视距离：这个和镜头的选择有关，据我们测试，f=3.6MM 时视野应该有 25 度左右，f 越大视场越小。可视距离需要调节镜头对焦。经我测试可视距离可以看十几米，毕竟相素值只有 10 万多，用单片机读可以看到3-4M 的距离。这里解释一下为什么用单片机读会打折扣。因为黑线宽度只有2.5CM，太远了黑线会很细，采点之后就分辩不出是噪声还是有用信号了。在1 米左右时，黑线宽度可用 8 个点表示。注：以上数据均是 24MBUSCLK 下每行可取 150 个点时测得，没有翻转摄15第五届大学生智能汽车竞赛技术报告像头。（4）内部有 IIC 可编程。可以调整摄像头的参数，比如最大灰度，对比度

33、，暴光率等等。其本质是 SCCB 协议的寄存器写入,需要对摄像头做跳线处理，并用MCU 的I/O 口模拟SCCB 协议。4.4 电机驱动模块驱动电路的驱动采用的是英飞凌的BTS7960B 半桥驱动（如图 17所示），该负载电流可以达到 43A，而内阻只有 16 m。资料如下：BTS7960 是一款电机驱动应用的完全集成的大电流半桥。它是NovalithICTM 系列的成员之一，它的一个封装中集成了一个 P 通道场效应管在上桥臂和一个N 通道场效应管在下桥臂以及一个集成电路。由于上桥臂采用的是P 通道开关，对于电荷泵的需求也就不复存在了，因此电磁干扰减至了最小。由于集成在内驱动集成电路具有逻辑电

34、平输入，与微器的连接变得非常简单，且该驱动集成电路还具有电流检测诊断、转换率调整、死区时间生成以及过热、过压、欠压、过流和短路保护。BTS7960 在较小的电路板空间占用的情况下为大电流保护的 PWM 电机驱动提供了一种成本优化的解决方案。图17 BTS7960B基本特点如下：（1） 在 25时导通电阻的典型值为 16 m；（2） 低静态电流，在 25时的典型值仅为 7 A；（3） 与主动续流相结合的脉宽调制能力高达 25kHz；（4） 开关电流限制降低功耗的过流保护；16第四章 硬件系统设计（5） 电流限制在典型的 43A；（6） 具有电流检测能力的状态标志诊断；（7） 具有锁定行为的过热关

35、断；（8） 过压锁定；（9） 欠压关断；（10） 带有逻辑电平输入的驱动电路；（11） 用于优化电磁干扰的可调节转换率。4.5 速度传感器为了使得能够平稳地沿着赛道运行，需要车速，使在急转弯车速，时速度不至过快而冲出赛道。通过驱动电机上的平均电压可以但是如果开环电机转速，会受很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈得车模运行得更稳定。，即可消除上述各种因素的影响，使车速检测的方式有很多种，例如用测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测、透射式光电检测和霍尔传感器检测。经过对去年测速方案和其它学校方案的比

36、较，本次设计中速度传感器采用的是透射式光电检测，它是具有齿槽结构的圆盘固定在驱动电机的输出轴上，采用直射式红外光电传感器盘转动脉冲。它由 5V 的直流供电，速度传感器用螺钉固定在齿槽圆底座上，塑料底做固定在底盘上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。4.6 本章小结本章主要介绍了整个车模的硬件电路部分，如果说机械结构是的手足的话，那么硬件电路就是它的感官和大脑，所有的反馈都是由它获得，所有的图像处理和也经由它处理。硬件设计以稳定为主，特别是板，因为为了要提高指令执行速度，单片机是通过锁相环超频使用，所以时钟模块的电路设计应尽量避免电磁干扰。驱动电路板设计则应以小内阻、大电流为目标，以尽可能提高

37、整车的加大保障。性能。总而言之，稳定的硬件电路是软件系统的强17第五章 软件系统设计5.1 程序整体架构上电复位提取参数否算法否是否遇到起跑线 图像是否完毕是结束图18 程序流程图5.2 图像处理通过调整 OV6620 的高度和角度使其达到合适的位置，到的图提取黑线是图像初始化底层函数第五章 软件系统设计像传送到上位机，使用像。可以直观地看到摄像头在跑道上实际到的图以下是一些到的典型图像：偏暗的图像。有起跑线的图像。普通图像，噪声较多。转向时的图像。可以看到旁边的跑道。黑线交叉时的图像。小车快要出界时的图像。在小坡上的图像。19第五届大学生智能汽车竞赛技术报告S 弯时的图像。通过对到的图像进行

38、黑线的提取，然后根据黑线的信息产生出相应的信息。以下是一些图像和提取到的黑线信息的图像的对照（白线代表提取到的黑线信息）：黑线提取是图像处理中的难点，为了准确的提取黑线我们尝试了很多办法， 早期我们采用的是横向扫描法，通过横向扫描某几行获得几个点了信息。这种20第五章 软件系统设计方法获得的信息有点类似于光电传感器的原理。后来这种方法被理所当然的放弃了，信息量少，计算量大，容易误识别是这种方法最大的问题。然后我们决定采用边缘提取的方法：首先通过对图像最底端的几行进行横向的扫描找到黑线两端的两个梯度变化点，然后再通过逐步推进的方法提取两条梯度变化线。如下图所示：这种方法提取到的黑线信息很充分，但

39、又过于充分了，提取到的两条线需要进行取舍或者将其为一条线。但是这两线的可靠性却又不够，很不值得信任，特别是在交叉的地方特别容易出错。由于一旦在交叉的地方出现错误是无法弥补的，这种方法我们在修修补补中用了几见。的时间，后来还是说了再我们最终采用的方法，它所提取到的黑线信息是黑线的准确位置，而且算法很简单，错误率也比较低，在交叉弯处一般出错。它的具体实现方法是：首先通过对图像最底端的几行进行横向的扫描找到黑线在最底端的位置，如果提取不到这个位置，则提取失败。然后通过最小值原理逐步上推，一直到图像边缘结束。最后所得到的信息包括一个基准位置和一串方向码，方向码包括左下， 左，左偏上，左上，上偏左，上，

40、上偏右，右上，右偏上，右，右下，共十 每次只选择三个可能的向。首先通过上一步的。比如如果上一步的确定下一步可能的，是上，那么下一步的可能的则确定为：上偏左、上、上偏右。计算这三个向所对应的三个位置的三乘三的像素矩阵之和的最小值点所对应的方向为下一步的，比如说，如果上偏左位置上对应的三乘三像素矩阵的和是最小的，则下一步的为上偏左。然后将这一步做为基准，再选择三个可能的应该是左上、上偏左和上）。依此类推，提取到的信息由近及远，逐步推进，直到图像的边缘。经验证，这种黑线提取算法可靠性比较高，运算量比较小。5.3策略策略的统一是我们追求的目标。我们没有过多的把时间花在赛道类型的识别上面，而是用一种统一

41、的方法应付几乎所有的赛道类型。21第五届大学生智能汽车竞赛技术报告有一点需要说明的是，为了识别起跑线的需要，或者说是基于其本身的特殊性，我们对直道进行了识别。在识别到直道之后，我们以最简单的方法来控制速度和角度：速度直接给到最大，角度用最远点的位置信息来进行给定。同时在进入直道时需要进行起跑线的识别。在非直道区域，关于角度的，我们首先根据本周期测得的速度值选取一个点，选取的原则是：速度快则选取的远一些，速度慢则选取的近一些。然后根据这个选取的点和图像末端的点对应中心的偏移量进行。，强化对于速度的，我们首先确定了一个总体的原则：抑制。这主要是为了小车行驶稳定性的需要。对于速度的给定，我们采用了最

42、简单的方法，也许存在不小的不足之处：速度的给定量与角度的给定量成逆相关关系。为了抑制，如果根据角度算出的给定量远远大于上一个周期的给定量，则只能在上一个周期的给定量的基础上增加 5 或者 10，总之是不多的一点。如果根据角算出的给定量比上一个周期的给定量小，那么无论小多少，都直接给将出去。通过这样的给定的方法在一个程度上抑制了，相对而言强化了。5.4 本章小结本章主要介绍了智能车系统整个软件部分的设计工作，重点介绍了车模的图像、处理方法以及相关的策略。这其中，首先要保证的是图像的正确和黑线提取的有效性与可靠性，这是进行的基础，为此，我们设计出一种可靠黑线中心的识别算法。在黑线中心可靠提取的前提

43、下，配合正确的算法，结合硬件电路可达到流畅的速度效果。22第六章 系统调试6.1 软件调试平台Codewarrior 是由 Metrowerks 公司提供的专门面向 Freescale 所有 MCU 与DSP全应用开发的软件工具。其中包括集成开发环境IDE、处理器、可视化参数显示工具、项目工程管理、C 交叉编译器、汇编器、器以及调试器。6.1.1 编辑界面图19第五届大学生智能汽车竞赛技术报告6.1.2 编译调试窗口图206.2 无线传输模块利用无线传输模块可以实时检测智能车在行走过程中的速度参数、舵机转角参数和赛道类型、电机反转情况等。在实际调试时，我们根据这些参数调节电机速度 PID 参数

44、，调节舵机转角 PID 参数，同时观测车在运行过程中剧烈变化的加对电池电压的影响。这些数字和图线数据，给实际调试提供了一手的资料，使调节参数更加直观。24附录6.2.1 模块介绍图21 无线传输模块ISM 频段免证使用；(1) 433Mhz 开放(2) 最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 调制， 场合；(3) 125 频道，满足多点通信和跳频通信需要；能力强，特别适合工业(4)(5)(6)(7)内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址；低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为 2.5uA； 收发模式切换时间 < 650us；模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输

45、出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；(8) TX Mode: 在+10dBm 情况下，电流为 30mA; RX Mode: 12.2mA；(9) 标准 DIP 间距接口，便于应用。25第五届大学生智能汽车竞赛技术报告6.2.2 接口电路管脚说明图226.2.3 模块引脚和电气参数说明该无线模块单片无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成 ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很容易通过 SPI 接口进行编程配置电流消耗很低在为10d

46、Bm 时发射电流为 30mA 接收电流为 12.5mA. 进入 POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。其性能参考数据如下：26附录6.3 电池放电检测在对小车算法进行调试时，往往会因为电池性能的差异，影响我们对算法正误的，有些电池因为充放电的操作不当会导致电池性能的下降，甚至工作电压会在满电状态下使用一小段时间后掉至正常工作电压下，这时如果误认为是算法的问题而进行调整的话只会误入歧途。因此对电池进行规范的放电并定期检测性能是非常必要的。下图是我们使用刚刚充满电的电池进行放电测试的结果，其中横坐标代表车模行驶固定长度赛道的圈数，纵坐标为电池电压。87.97.87.77.67.57.47.3

47、7.27.10510图23由此可见，电池的实际稳定电压主要集中在 7.6V-7.7V 之间，和说明书上的理论电压（7.2 V）存在偏差。并且电池刚刚充完电后其电压值略有虚高，应27第五届大学生智能汽车竞赛技术报告采取放电措施使其电压值稳定在 7.7V 左右再进行使用。6.4 拨码开关模块人机接口部分为一个 5 位拨码开关，用于比赛和调试时输入择不同策略。参数以选6.5 本章小结本章主要介绍了调试过程中用到的主要开发和调试工具：Codeworrior IDE 和BDM 以及无线传输模块及拨码开关。软件代码在 IDE 中编译完成，通过 BDM至 S12 的 Flash 中，然后通过串口给上位机，以

48、便于观察和调试。并且设计保留了用于现场调试参数的五个拨码开关以现场调整可变参数。通过对电池性能的研究， 态。电池的性能曲线，保证使用的电池都是处在最佳状28第七章基本参数项目参数路径检测方法（赛题组）摄像头组车模几何（长、宽、高）（毫米）长 280, 宽 180，高 340车模轴距/轮距（毫米）轴距 180，轮距 149车模平均电流（匀速行驶）(毫安)1300mA电路电容总量（微法）1420uF传感器种类及个数1 个摄像头新增加伺服电机个数0 个赛道信息检测空间精度（毫米）20赛道信息检测频率（次/秒）29 次/秒主要集成电路种类/数量LM1117*3,BTSs7960*2,LS244车模重量

49、（带有电池）（千克）1.12kg第八章 结论自最初准备参加“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛开始，我们小组成员查找资料，设计结构，器件，组装车模，编写程序，分析问题，不断调试，经过1 年的努力，最后终于完成了最初目标。本文主要介绍了我们小组为此次大赛而准备的智能车系统方案。该系统以Freescale 16 位单片机 MC9S12XS128 作为系统处理器，采用基于的摄像头的图像采样获取赛道图像信息，通过边缘检测方法提取赛道黑线，求出小车与黑线间的位置偏差，结合车速信息对舵机转向进行。应用 PI方法进行车速调节。经过舵机转向系统的改进，前轮束角和主销倾角的调整，以及减震结构和车身高度的调整后，我们设计制

50、作了精细简洁的主电路板，经过小组成员不断讨论、测试、改进，终于设计出一套比较通用的、稳定的、适合车模结构的程序，在分赛区比赛中取得了不错的成绩。在整个制作和调试的过程中我们也发现我们还有很多问题没有解决好，比如速度调节的幅度过大、连续性不好，舵机摆到指置的时机不太理想，黑线提取在交叉弯处有时不能正确提取，电路板和电池的安装和拆换不够方便， 还有就是比赛策略上考虑的因素不够多等等，接下的时间里还需改进。鸣谢在本次智能车大赛的准备期间，我们遇到了许多。从最开始的程序烧写到后来的传感器调试，从电路板设计到系统搭建，一个个问题的解决了我们这支队伍的成长。期间离不开我们做得更好。、同学们的大力支持，是他

51、们的帮助让首先，要感谢学校和学院，在我们的备战中，学校和学院在场地、器材等方面给予了我们大力的支持。然后，要感谢常华的悉心指导，没有他在思路上的指点，进展缓慢。常渊博的知识及严谨的治学态度一直是我们学习的榜样。其次，要感谢樊国玮、宋栋梁等几位师兄，作为老队员他们积极的为我们提供了很多帮助和建议，从起步阶段把我们真正带入进来，在这里要特别感谢他们。最后，要感谢便利。其他成员的帮助，他们在比赛期间为我们提供了很多参考文献1 卓晴 黄开胜 邵贝贝. 学做智能车版社，2007.3“飞思卡尔”杯. 北京：北京航空航天大学出2 孙同景. Freescale 9S12 十六位单片机原理及2008.5开发技术

52、. 北械工业，3王威. HCS12 微器原理及应用. 北京：北京航空航天大学，2007.104吴怀宇 程磊 章政. 大学生智能汽车设计基础与实践. 北京：电子工业，2008.75谭浩强. C程序设计（第三版）. 北京：，2005.7附录部分源程序/*超频*/ void SetBusCLK_64M(void)CLKSEL=0X00; PLLCTL_PLLON=1; SYNR =0xc0 | 0x07; REFDV=0x80 | 0x01; POSTDIV=0x00;_asm(nop);_asm(nop);/disengage PLL to system/turn on PLL/BUS CLOCK=64Mwhile(!(CRG_LOCK=1);/when pll is steady ,then use it;/engage PLL to system;CLKSEL_PLLSEL =1;void _64M(void)while(!(CRG_LOCK=1);/when pll is steady ,then use it;/engage PLL to syste