摄像头组-西南民族大学-极速雨燕技术报告(修订版)

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：西南民族大学队伍名称：极速雨燕参赛队员：程昊、孙桥、王方秋带队教师：马波、邵仕泉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五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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：摘要本文以第五届全国大学生智能车竞赛为背景，主要介绍了智能车控制系统的机械及硬软件结构和开发流程。机械硬件方面，采用组委会规定的标准B车模，以飞思卡尔半导体公司生产的16位单片机MC9S12XS128MAA为控制核心，其他功能模块进行辅助，包括：摄像头数据采集模块、电源管理模块、电机驱动模块、测速模块以及无线调试模块等，来完成智能车的硬件设计。软件方面，我们在CodeWarriorIDE开发环境中进行系统编程，使用增量式PD算法控制舵机，使用位置式PID算法控制电机，从而达到控制小车自主行驶的目的。另外文章对滤波去噪算法，黑线提取算法，起止线识别等也进行了介绍。关键字：智能车摄像头图像处理简单算法闭环控制无线调试ABSTRACTAgainstthe5thnationallyundergraduatesmartcarracebackground,inthisarticlewewilldemonstrateasmartcarsystemwhichbasedonthe16-bitmicro-controllerunitMC9S12XS128MAA(madebyFreescaleco.),includingtheseparts:mechanism,hardware,softwareandsoon.Inthepartofthemechanismandhardware,weusedthestandardBmodelcartobuildthefoundation.AroundtheMCU,weuseaCMOSanalogimagesensortoobtainlaneimageinformation,andtheothersincludepowersupplymodule,motordrivemodule,speedmeasuremodule,wirelessassistantmoduleandsoon.Inthepartofthesoftware,weusetheCodeWarriorIDEtocompiletheprogram.ThesteeringiscontrolledbyPDcontrolarithmetic,andthemotoriscommandedbyPIDcontrolarithmetic.Inaddition,thisarticlealsointroducesthefilteringalgorithm,blackrouteprocessingalgorithm,identifystart-endlinealgorithmandsoon.Keywords:Smartcar,Imagesensor,Imageprocessing,Simplearithmetic,Closed-loopcontrol,Wirelessmodule.TOC\o"1-5"\h\z摘要 IABSTRACT II目录 III第一章引言\o"CurrentDocument"1.1课题背景 1\o"CurrentDocument"2比赛规则与展望 1第二章系统总体设计\o"CurrentDocument"1系统分析 3\o"CurrentDocument"总体设计规划 4\o"CurrentDocument"总结构图 7第三章机械结构设计与实现\o"CurrentDocument"1车体机械构造分析与设计方案 83.1.1车身高度 83.1.2 轮胎 93.1.3四轮定位 113.1.4减震器 143.1.5差速器 15\o"CurrentDocument"2舵机的分析与安装 16\o"CurrentDocument"摄像头的分析与安装 17\o"CurrentDocument"测速模块的分析与安装 20\o"CurrentDocument"本章小结 21第四章硬件电路设计与实现TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1硬件设计方案 22\o"CurrentDocument"电路设计方案与实现 221电源管理模块 22图像采集模块 25图像处理模块 27核心控制模块 29电机驱动模块 30测速模块 33加速度传感器模块 35按键和拨码开关模块 36\o"CurrentDocument"辅助调试电路 37\o"CurrentDocument"本章小结 38第五章软件系统设计与实现\o"CurrentDocument"1软件设计方案 39\o"CurrentDocument"图像采集、处理与路径识别 401图像采集与预处理 40赛道黑线提取算法 43路径识别与曲率的计算 46\o"CurrentDocument"舵机控制算法 47\o"CurrentDocument"测速与电机控制算法 48\o"CurrentDocument"其他 501旋转舵机控制算法 50起跑线识别程序设计 51调试与策略控制 52\o"CurrentDocument"本章小结 53第六章系统调试工具\o"CurrentDocument"1软件开发工具 54\o"CurrentDocument"6.2手持式无线调试机 55第七章总结与致谢TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"参考文献 I附录\o"CurrentDocument"附录A主要技术参数说明 III附录B 电路原理图 IV\o"CurrentDocument"附录C源程序 X第一章引言课题背景“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛是由教育部高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办的全国性大学生竞赛，是教育部主办的全国五大竞赛之-O此项赛事涉及控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的专业知识，对学生理论知识的融合和动手实践能力的提高起到了良好的推动作用。本赛事在“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”的宗旨下积极鼓励和引导学生培养实事求是、精诚合作、刻苦钻研、勇于创新的科学精神，在提高学生自身技术水平的同时也练就了不畏艰难、坚韧不拔的意志品质。本课题小组在B型车模的基础上，使用飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机作为控制核心，自行设计并制作了相关电路以实现CCD图像采集和处理以及对舵机、电机的控制。最终实现车模在比赛赛道上通过自身控制以最短时间独立完成比赛。比赛规则与展望首先，参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，即电磁组使用与往届相同的A型车模，光电组摄像头组使用B型车模。并且采用飞思卡尔半导体公司的8位或16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案并进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法和软件开发等，以完成智能车的工程制作及调试。其次，禁止改动车模本身的机械结构；伺服电机总数不超过3个，传感器总数不超过16个；禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力;全部电容容量总和不超过2000uF,任意电容最高充电电压不超过25Vo在本届比赛中，赛道宽度从往届比赛的60cm骤然缩小到50cm,比赛难度也随之提高很多，对车辆的控制也更为严格。坡道仍然沿用往届15°的难度标准，对小车上下坡姿态以及坡道行驶的控制没有提出新的要求。但是比赛赛道不再置于浅蓝色的底色环境中，而是置于深蓝背景色环境中，对摄像头组来说,二值化赛道信息之后得到赛道背景色为黑色，对图像信息的采集和处理提出了更高的要求。总之，根据本届的最新比赛规则规定来看，大赛对小车的抗干扰能力和稳定性要求进一步提高，比赛难度也远超过了往届。但是新车模和新要求也给广大同学们一个更大的创新空间去大显身手，更多更好的创意会应用到比赛过程当中，因此本届比赛的全国总决赛一定是强手如云，分外精彩！第一章引言第二章系统总体设计系统分析根据简单闭环控制原理得出，基于摄像头的智能车总体可分为五大系统：赛道信息采集系统、核心控制系统、转向系统、动力系统和反馈系统（如图2.1所示）。信集道泉路.赛息电信集道泉路.赛息电图2.1系统构架图赛道信息采集电路作为整车的眼睛起到了至关重要的作用，它搜集道路信息并决定了小车的行驶路线和车速的高低；转向系统和动力系统作为整车的手和足直接控制着小车的行驶方向与行驶速度；核心控制电路就像整车的大脑，指挥控制着所有系统合理有序的协调工作；反馈系统是整车的监督系统，检测着小车是否在正确的轨道上按照单片机指挥的路线和前进速度行驶。总体设计规划机械部分：(1)重心根据机械原理及车辆控制原理可知，小车的整体重心越低越有利于整车的抓地力和加速性；重心前移有利于转向，而后移有利于整车的加速。我们根据车轮与赛道的摩擦系数以及权衡加速与转向关系后决定将整车的重心调整至4/7处。(2)摄像头位置为了使得整车的重心降低，摄像头的高度就要有所限制，但是随之而来的问题就是摄像头的视野收到了局限。如果摄像头放在整车的前方，盲区和视野区都将缩小，车辆的视野宽度和前瞻性都将受到影响；如果摄像头放在整车的后方，盲区和视野区都将扩大，虽然能够提高车辆视野宽度和前瞻性，但是小车前的盲区也会成为影响车辆稳定性的隐患(如图2.2.1所示)。图2.2.1前置摄像头与后置摄像头的视野差异(3)舵机舵机是一个典型的闭环控制系统，它的减速齿轮组由马达驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作为位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为零，从而达到使伺服马达精确定位的目的。而本次比赛使用B型车模舵机基本参数如下表：表2.2B型车模鸵机参数型号T170A模拟伺服器尺寸3L5*16.5*28.5mm重量17g工作电压4.8-6.0V角度及偏差50。、<3°回中角度精度<2°旋转速度0.1-0.13s/50°扭矩1.7-2.3kgcm根据官方所给的参数来看，该舵机性能一般，主要体现在转速过低、扭矩过小上，所以舵机的力臂不能过长，以免烧毁舵机。硬件与软件部分：(1)摄像头模块利用图像传感器拍摄赛道得到图像信息，在经过视频同步信号分离电路之后得到行同步信号和场同步信号，与此同时将视频的模拟信号经过AD转换后得到图像的数字信号最后将三组信号一起输入单片机进行下一步处理；(2)测速模块通过光电旋转编码器产生脉冲，并利用S12XS单片机的输入捕捉功能进行脉冲捕捉并计算出相应速度作为系统的反馈量；(3)舵机电机模块舵机和电机的PWM波由单片机硬件生成，口舵机转向采用增量式PD控制，电机采用位置式PID控制。转向的目标值由摄像头采集的赛道图像和历史图像共同决定，车速的目标值通过系统给定值和赛道实际情况共同决定；(4)辅助模块加速度传感器用于辅助矫正车辆的方向与速度；(5)调试模块通过无线模块将数据传到调试终端处，以便时刻了解车辆的信息；(6)电源模块使用辅助电路较为简单的供电芯片提供5V的电压，并将主舵机与单片机分开供电，以保证小车的稳定性。

图2.2.2整车实际布局总结构图根据以上设计思路得到大致的设计方案如下图所示:互为反馈（抵偿头］V»MC9S12XS12SMAA互为反馈（抵偿头］V»MC9S12XS12SMAACmTIt舵机PWMig图2.3.1系统结构图系统简单高效，既便于调试也便于在此基础上进行修改，稳定性较高。整体系统的关键在于摄像头能否正确的采集到信息，以及单片机能否正确的将赛道上的黑色中心线提取出来。因为车体的一切控制来源就是这一条黑色中心线，他是整个车辆平稳运行的关键所在。因为限于摄像头视野范围过小的瓶颈，我们在之后的改装中增加了摄像头旋转舵机，这样以来视野范围大大的增加了，转向控制也更加灵活，对赛道图像的修正也起到了一定的作用。具体细节在第三章第三小节中进行介绍，改进后的系统结构图（局部）如右图所小：

图2.3.2系统结构改进局部图第三章机械结构设计与实现3.1车体机械构造分析与设计方案B型车模采用的是某国内厂商生产的1：16的电动越野遥控车的底盘部分,突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂，前中后齿轮组皆配有差速器，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。通过调整这些参数可以改变车辆的机械性能。3.1.1车身高度为了防止小车在急速转弯的过程中出现侧翻的情况，车身高度应尽量降低。当车身整体重心接近或略低于车轴时，车辆的水平稳定性最好。3.1.1）,不过由于车身底盘较软,图）,不过由于车身底盘较软,图前桥的内六角螺丝该螺丝降低车身的调整效果不是特别明显；第二种是固定前后悬挂的减震弹簧（如右图）,该车模以越野车的为模板，所以减震效果特别明显，但是智能车比赛是在平坦路面上进行的竞速比赛，减震不但不利于车身的稳定性，反而会在转向、加速和减速图硅胶固定减震弹簧 的时候造成底盘抖动，摄像头采集数据不稳定等问题。综合考量以上两种方案，我们选择使用螺丝固定和硅胶固定联合的方法达到固定减震系统和降低车身的目的（如下图所示）。图车身高度3.1.2轮胎轮胎就好像是人的鞋子一样，俗话说“千里之行始于足下”，由此可见轮胎对车辆整体机械结构的调整十分的关键。汽车依靠轮胎支承在路面上，而直接与路面接触的却是轮胎花纹。轮胎不仅承载、滚动，而且通过其花纹块与路面产生的摩擦力，成为汽车驱动、制动和转向的动力之源。因为车模的轮胎仅有一层橡胶，且禁止改动，所以我们只能从轮胎花纹上面进行分析。轮胎花纹的主要作用就是增加胎面与路面间的磨擦力，以防止车轮打滑，这与鞋底花纹的作用如出一辙。它提高了胎面接地弹性，在胎面和路面间切向力（如驱动力、制动力和横向力）的作用下，花纹块能产生较大的切向弹性变形。切向力增加，切向变形随之增大，接触面的“磨擦作用”也就随之增强，进而抑制了胎面与路面打滑或打滑趋势。有研究表明，产生胎面和路面间磨擦力的因素还包括有这两面间的粘着作用，分子引力作用以及路面微小凸体对轮胎的

微切削作用等，但起主要作用的仍是花纹块的弹性变形。根据花纹类型，主要分为三大类：普通花纹、越野花纹和混合花纹。其中普通花纹较适合竞速类赛车，下面就详细介绍一下普通花纹的类别。普通花纹的轮胎又分为三种类型，纵向花纹、横向花纹、纵横混合花纹,这三种轮胎的特性简介如下：(如图所示)(1)纵向花纹轮胎这种花纹共同特点是胎面纵向连续，横向断开，因而胎面纵向刚度大，而横向刚度小，轮胎抗滑能力呈现出横强纵弱的特征。这种花纹的轮胎在高速度转向上具有一定优势，并且滚动阻力较小，散热性能较好车胎不易磨损，但花纹沟槽易被嵌入碎石子儿，影响轮胎的抓地力。综合来看，这种型式花纹适合在比较清洁、良好的硬路面上行驶。(2)横向花纹轮胎这种花纹的特点是胎面横向连续，纵向断开，因而胎面横向刚度大，而纵向刚度小。故轮胎抗滑能力呈现出纵强横弱的特征，汽车以较高速度转向时，容易发生侧滑；轮胎滚动阻力也比较大，所以胎面磨损比较严重，但在纵向直线加速上具有优势。这种型式花纹适合于在一般硬路面上、牵引力比较大的重型车辆上使用。(3)纵横混合花纹轮胎8丽花纹特点r目而且期刚度大〉显种蚂磁的轮胎适蚪城这种花纹类型介于纵向花纹和横向花纹之间。在胎面中部一般具有曲折形的纵向花纹，而在接近胎肩的两边则设计有横向花纹。这样一来，胎面的纵横方向抗滑能力比较好。因此这种型式花纹的轮胎适应能力强，应用范围广泛，它适用于不同的硬路面，也适宜安装8丽花纹特点r目而且期刚度大〉显种蚂磁的轮胎适蚪城在各种车辆上。图普通轮胎的花纹由于B型车模使用的是纵横混合花纹的轮胎（如图所示），该种类型的车胎花纹介于纵向花纹和横向花纹之间。所以在直道上适合使用轮胎的横向花纹部分，而在弯道上适合使用轮胎的纵向花纹部分。并且由于该轮胎是空心的，所以轮胎中心偏软，两侧偏硬。相较而言软轮胎对赛道的接触面积更大，抓地力更好，因此车轮与地面法线的角度需要根据不同路况下车轮与赛道接触面的情况来确定。具体调整方案将在3.1.3小节中进行介绍。图车轮花纹3.1.3四轮定位汽车的转向车轮、转向节和前轴三者之间的安装具有一定的相对位置，这种具有一定相对位置的安装叫做转向车轮定位，也称前轮定位。前轮定位包括主销后倾（角）、主销内倾（角）、前轮外倾（角）和前轮前束四个内容。而后轮定位包括车轮外倾角和逐个后轮前束。这样前轮定位和后轮定位总起来说叫车轮定位，也就是常说的四轮定位。车轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便，并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。卜面重点介绍前轮定位的四个方面对车辆行进的影响:（1）主销后倾角从侧面看车轮，转向主销（车轮转向时的旋转中心）向后倾倒，称为主销后倾角（如右图所示）。设置主销后倾角后，主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离（也称作主销纵倾移距，与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同），使车轮的接地点位于转向主销延长线的后

端，车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向行驶方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距也 图主销后倾角随之增大。但主销纵倾移距过大，会使转向盘沉重，而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸。主销内倾角图主销内倾角(3)主销内倾角图主销内倾角(3)前轮外倾从前后方向看车轮时,张开，称为负外倾或内倾,从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销内倾角(如左图所示)。当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度，这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应，因而方向盘复位容易。此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时转向传动轴上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到转向传动轴上的冲击力。但主销内倾角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨轮胎并非垂直安装，而是稍微倾倒并呈现“八”字形而朝反方向张开时称正外倾。倾斜角即为从车辆的正前方看，垂直平面上左右车轮向内或外倾斜的角度(如右图所示)。由于使轮胎倾斜触地便于转向的操作，所以外倾角较大较利于转向。而设定较大外的倾角会使轮胎磨偏，降低轮胎摩擦力。所以设定少许的外 图外倾角示意图（4）前轮前束负前亲（4）前轮前束负前亲倾角可以对车轴上的车轮轴承施加一定的横推力，对转向起到一定的辅助作用。前轮前束指的是从车辆的前方看，于两轮轴高度处测量左右两侧轮胎前端与后端的距离，前端距离与后端距离之间的差值就是前束值。前端距离大于后端距离就是负前束，反之为正前束。也就是说从车辆顶部看正前束即为“内八字脚”（如左图所示）。如前所述，由于有车轮有外倾，转向操作变得容易。而另一方面，由正因为它的倾斜，左右前轮分别向图前束示意图 外侧转动，为了修正这个问题，如果左右两轮带有向内的角度，则正负为零，左右两轮可保持直线行进，以减少轮胎磨损。根据定义测量出车模前轮约有15。的主销后倾角，适量的外倾角使得车轮外沿着地较多，轮胎外侧的横向花纹起到主导作用，有利于车轮的直线加速性能。但是由于主销所在直线与车轮纵切面角度为零，所以主销内倾角与车轮外倾角无法分别调整，两者绝对值大小相等且符号相反，小车的主销内倾角为负，使得车辆转向较为沉重。为解决这个问题，我适当的调整了转向传动轴的图传动轴夹角内倾角为负，使得车辆转向较为沉重。为解决这个问题，我适当的调整了转向传动轴的方向，使它与主销的夹角为钝角（如图所示），所以转向更为轻便。再者是增加适量的前束，

它不仅抵消了由于车轮外倾所带来的左右前轮向外转动，并且矫正了车轮传动轴在转向上的误差。（左右车轮最佳的转向角度如左图所示）如果三条图车辆最佳转向示意图 轴线不相交于一点，那么车子在转向的过程中不仅容易发生侧滑的现象，更严重者还会发生车辆地盘的震动，对车子的稳定性构成巨大的不利影响。车辆的后轮部分可以通过悬架上的连接轴和固定悬架的塑料片来改变后轮外倾和后轮内束（如图所示）。图3.1.3.图后轮悬架轴（左）及固定片（右）调整后的后轮大约外倾3。前束5°,基本满足后车轮沿直线方向平稳滚动,并具有较大的抓地力。3.1.4减震器图3.1.4减震器固定位置前面已经介绍过为了降低车身底盘减震弹簧已经使用硅胶进行了强制固定，但是由于天气炎热的原因，硅胶较软，所以固定后的减震器仍然具有一定的弹性。我们也正是利用这个特点，根据4图3.1.4减震器固定位置效果较为明显；如果固定到最下面的螺丝点，那么车身高度调至最高，减震效果也较为明显；如果固定到车身内侧靠近车辆中轴的螺丝点是，车身高度同样适中，减震器竖直方向弹性最小，减震效果最不明显。如果固定到车身外侧靠近车轮的螺丝点，那么车身高度适中，减震器竖直方向弹性最大，减震效果最为明显。综上所述，我们为了降低车身抖动对摄像头采集数据带来的不利影响,最终前后车轮均采用最后一种固定方式来固定减震器。3.1.5差速器图3.1.5限滑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，防止其中一个轮子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、后三图3.1.5限滑差速器差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“能量最低原理”，也就是地球上所有物体都倾向于能量最低的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置（势能），它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动。同样的道理，三维效果车轮在转弯时也会自动趋向能量最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“能量最低原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。舵机的分析与安装可调电位器小型直流马达电子控制板图3.2.1舵机内部结构变速齿轮组舵机直接控制着车辆的前进方向，所以舵机安装的合理程度直接关系到车辆的转向的灵敏程度和稳定程度。舵可调电位器小型直流马达电子控制板图3.2.1舵机内部结构变速齿轮组（如图3.2.1）包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出。综上所述，改善舵机性能主要仃两个方面,提高扭矩和提高转速即响应速度。提高舵机扭矩的方法有两种：第一是增加直流马达的扭矩，也就是在不改变直流马达的情况下适量增加所给电压，但是直流马达的发热量也会增加并容易导致舵机烧毁；第二是增大齿轮组的变速比，这样伺服马达的输出扭力也就越大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也会随之降低。而提高舵机响应速度的方法也有两种：第一是增加直流马达的转速，同样也就是在不改变直流马达的情况下适量增加所给电压，但是直流马达的发热量也会增加并容易导致舵机烧毁；第二是提高舵机输入的PWM波的频率，但是较高的PWM频率会造成舵机的抖动或者是舵机扭矩的下降。由于比赛规定禁止改动伺服舵机，所以我们采取加压的方法提高舵机的性能。实践表明，电压过高极易烧毁舵机里面的驱动三极管，我们只好使用较适宜的5V作为舵机的电源电压。还有，我们也试图提高舵机输入的PWM波的频率来提高舵机的性能，最后因为这样的改动极为容易造成舵机的烧毁，故使用较为常用的50Hz作为舵机输入的PWM波的频率。车辆的转向响应就存在这样一个平衡：即增加转向力臂可以提高转向的响应速度，但增加力臂也会导致车辆高速转向时车轮对舵机反向的作用力增加，一旦这个反向的力矩大于舵机的扭矩，舵机就会因发热过度而烧毁。鉴于舵机性能所限的情况下，我们通过车子高速转向时所需的扭力计算出安全力臂约为3cm,所以根据整车的实际情况，在尽量减少转向传动摩擦的前提下，我们选择了舵机直接传动转向传动轴的方法，力臂长度为2.6cm（如图3.2.2所示）。图3.2.2舵机安装方法摄像头的分析与安装摄像头是整车的眼睛，它识别赛道信息，将原始数据传递至单片机进行处理，是整车的数据输入端。前面已经分析过，我们为了增加摄像头的前瞻距离,将摄像头固定在整车的后方。因为摄像头是小车最高的部分，所以选择较轻的材料进行支撑也是降低车辆重心，提高车辆在高速转弯时稳定性的重要方面。从横截面上分析，在等材质等横截面积的情况下，圆形横截面的长杆比其他形状的长杆在抗弯性（即抗横向弹性形变）上更为突出，所以选择圆柱形长杆作为支撑杆。而轻质、硬度较大且弹性形变较小的支撑杆有以下四种材质（如下表3.3所示）：

表3.3四种材质的支撑杆对比材质铝杆碳纤维杆竹杆塑料杆密度（g/cm3）2.7021.5281.45-1.50.8〜0.95质量.Si一般一般轻硬度高高较高较低价格较低较高较低低导电性导电导电不导电不导电耐腐蚀较高高较低高耐高温高较高较低低常见程度较不常见不常见较常见常见根据上表的对比情况来看，碳纤维杆最适合作为支撑杆使用，不过由于购买不便我们选择了性能与之接近的竹杆来代替。长度在30cm以内，直径1cm以内的竹子杆最常见的就是毛笔杆。我们购买了两支价格低廉的毛笔并截取中间的圆杆部分，先用铁丝将其固定在铜柱上，然后通过螺丝固定铜柱从而使得两支竹杆坚固的树立在小车的后支架上，然后又用硅胶在缝隙处加以固定，以达到更好的效果（如图3.3.1所示）

图3.3.图3.3.1支撑杆的固定图3.3.2摄像头的固定前面已经提到由于摄像头视角只有约90°,在弯道上极易出现采集不到路面信息的情况，所以我们在摄像头的底部加上了一个旋转舵机。为了尽量减少车顶的重量，我们选用了一个6g的小舵机。该舵机虽然力矩不大，但是已经完全满足设计需求。我们先将旋转舵机卡在两个垂直的支撑轴上，然后使用502胶和硅胶进行固定。同样，我们找到一对小铁片，将其一端卡在旋转舵机的旋转杆上，弯至合适的角度后另一端用螺丝将摄像头进行固定。为了保护和支撑摄像头，我们在摄像头和连接铁片中间加了一块儿万用板（如上页图3.3.2所示）。此外，为了防止在强光下摄像头采集数据出现错误，我们在摄像头前增加了一片偏振片，其工作原理如下介绍：自然界中的光没有偏振性，所以我们把没有偏振特性的光称作自然光。自然光在不同介质的界面反射后反射光中振动方向垂直于入射面的光线所占比例上升，且振动方向与入射面越接近垂直所占比例越大，即为部分偏振光（如图3.3.3左）。当入射角达到布儒斯特角时反射光为线偏振光，偏振方向垂直于入射面，反射偏振光与折射光互相垂直（如图3.3.3右）。利用以上性质，我们将偏振片允许通过的光线振动方向调整为垂直偏振方向，这样含有大量水平偏振光的反射光就会被完全滤除掉，并且光线振动方向与水平面夹角越小的偏振光滤除的越多。所以我们在尽量不干扰其他自然光进入摄像头的情况下，滤除了大量的反射眩光，使得摄像头采集数据更为稳定，系统的抗干扰能力也有显著的提高（如下页图3.3.4所示）。图3.3.4有偏振片（左）与无偏振片（右）的效果对比测速模块的分析与安装测速模块作为系统的速度反馈也同样起到了至关重要的作用。速度反馈的正确与否，直接关系到车速是否达到正确值，所以测速模块的稳定也是系统整体稳定的关键点之一。齿轮的安装很有讲究，首先是要保证齿轮的各个转轴处于平行的状态，稍有偏差就会增大齿轮间的阻力并发出刺耳的噪声，导致齿轮磨偏。其次是在各个转轴平行的情况下，齿轮间距要适中，因为齿轮间距过大不仅会造成打齿的情况发生，发出很大的噪声，同时也容易损坏齿轮；反之，齿轮间距过小会导致齿轮间摩擦力增大，不利于齿轮的转动，同时也加速了齿轮的磨损。所以适中的齿轮间距不仅可以减小噪声，也利于齿轮的转动，从而延长齿轮的使用寿命。经过实验分析和精确的测量与切割，我们制作了一个齿轮组，该齿轮组的一端连接小车中间差速器上的主齿轮，另一端连接测速模块（如下图所示）。在齿轮间涂抹一些润滑油后经实践验证该齿轮组工作正常，基本达到预期效果。图3.4测速模块的齿轮组5本章小结机械结构的稳定是车辆稳定的基本前提，良好的机械结构会让设计者在以后硬件和软件的设计过程中更加得心应手，故有机械决定硬件、硬件决定软件之说。经过仔细的研究分析后，我们的机械部分已经成形，基本达到了降低重心、转向灵活、抓地力较大、整车机械系统稳定等四个目标。为以后的硬件和软件设计铺平了道路，奠定了坚实的基础。一切不都是顺利的，在设计过程中我们就也发现了许多问题，最主要也是最突出的问题是机械和车辆方面的理论知识严重困乏。因为我们小组的成员都是电子专业的学生，对机械结构和车辆原理及其调教都不是很了解。在一周的突击学习过后，仍然存在一些理论知识模糊，理论与实际联系不紧密等一系列的问题，使得我们在机械设计上走了不少的弯路。总之，这些问题都需要我们在今后的设计过程中去解决。我们需要不断的努力学习，以提高自己的知识水平和实践能力。第四章硬件电路设计与实现硬件设计方案机械设计之后，我们对硬件电路设计的工作也就此展开。我们对硬件系统的既定目标是可靠、高效和简单。可靠性是车辆稳定的先决条件，所以我们在硬件电路设计的每个环节中都充分考虑了系统的抗干扰性和稳定性。始终做到该接地的地方接地，该屏蔽的地方屏蔽，该进行模数分开的地方就将模拟电路与数字电路分离开等等。系统高效是指硬件系统在具有较高可靠性的基础上提高硬件的性能，从而达到高效的目的。在可靠、高效、简单基础上的设计不仅方便了硬件电路的使用与元器件的选型，也减少了一些不必要的电路，从而减少了一些不确定的因素，进而提高了系统的稳定性。与此同时，简化后的电路设计所占用的电路板面积较小、重量也较轻，既方便安装也对整车重量的减少和车身重心的降低起到积极地推动作用。根据这三大既定目标，我们在分析系统总体结构的基础上，科学认真地进行了硬件的选型和相关电路设计的工作，下面就从电源管理模块、图像采集模块等八个方面进行详细介绍。电路设计方案与实现电源管理模块电源犹如整车的心脏，是提供一切动力的源泉。所以电源的稳定输出也直接关系到小车的各项性能。为了遵循稳定，高效和简单设计宗旨，我们从各个模块所需电压及主要集成电路芯片的功耗分析（如下页图所示），以便更好的选择适合的稳压芯片及其电路。电池：本次比赛B型车模使用的是7.2V2000mA可充电的银氢电池，实际电压从满电时的8.0V到少电时的7.0V不等。摄像头模块：我们采用低电压的摄像头，仅需要5V电源供电，额定功率约为lOOmW,允许有少量电压波动，但不允许有尖峰脉冲的存在。片外AD：TLC551O采用5V供电，功耗仅21mA,但是需要较稳定的电压源进行供电。电池7.2-7.8V图系统供电分析S12单片机：因为S12XS系列的单片机可以采用宽幅电压供电，3.13〜5.5V皆可，但由于其片内AD可以采用电源电压作为基准电压，故单片机依然需要稳定的电源进行强有力的保证。舵机：前面介绍过这款舵机不能使用过高的电压，以免烧坏驱动三极管和里面的高速电机，且转向时最大额定电流为1.2A,所以选择5V的大功率稳压芯片进行供电。旋转舵机：该舵机以小巧、轻便、低功耗为主要特点，4.8-6V供电皆可，转向时最大额定电流300mAo测速模块：额定电压5-12V,电压波动峰峰值小于5%,额定电流小于30mA,所以选择较为稳定的电压源。无线模块：低功耗设计，额定电压1.9-3.6V,额定电流只有12.3mA。加速度传感器模块：额定电压2.2〜3.6V,额定电流0.8mA。根据车辆各个模块所需电压分析得出，除了无线模块和加速度传感器模块可以使用3.3V稳压芯片供电外，其余各个模块均可使用5V稳压芯片进行供电，且因为主舵机功耗较大，对电压源的输出功率有较高要求，且对电源容易产生噪音，所以需要与其他模块进行隔离，适合单独供电。还有为了保证单片机工作稳定，与单片机存在输入关系的模块都与单片机使用同一个电压源供电,其他模块使用另一个电压源供电。如此分析，需要四片稳压芯片进行电压转换,其中3.3V一片，5V的三片。下面对各种常见3.3V和5V稳压芯片进行分析，寻找一款最符合稳定、高效和简单的硬件设计宗旨的稳压芯片。表4.2.1常见3.3V、5V稳压芯片对比稳压芯片78系列LM317系列LM2575系列LM2940系列LM1117系列输出电压5V1.2〜37V可调3.3V、5V或1.23〜37V可调5V3.3V、5V或1.25〜13.8V可调额定电流1A1.5A(2Amax)1A(1.5Amax)1A(2Amax)800mA(lAmax)最小压差3V2V2V0.5VIV输出纹波较大小小较小较小电路复杂程度低较低较高低低价格低较低较高较高较低经过对比我们可以知道LM2940系列和LM1117系列都是低压差的三端稳压芯片系列，性能稳定且外围电路只有两个滤波电容，电路设计简单高效，最能满足硬件设计宗旨和需求。所以我们在3.3V稳压芯片的选择上使用了封装形式为SOT-223的贴片式AMS1117-33芯片，5V稳压芯片选择封装形式为TO-220的三端直插式LM2940CT-5芯片。这两种芯片具体电路图如下图所示（图左为AMS1117-33,图右为LM2940CT-5）。

5VALM1117104AGNDoilVazovillU3LM294O-5A7.2V.1：C7474V5VALM1117104AGNDoilVazovillU3LM294O-5A7.2V.1：C7474V+5QND3/VAAGND图AMS1117电路图和LM2940电路图综上所述，我们在电源模块的硬件电路如下：S12单片机最小系统、摄像头模块和片外AD采样模块共同使用一片LM2940稳压芯片进行供电;转向舵机独立使用一片LM2940；测速模块、旋转舵机以及其他模块则使用另一片LM2940进行供电；加速度传感器模块和无线模块使用一片AMS1117进行供电。 图系统+5V供电模块图像采集模块摄像头大体上可以分为数字摄像头和模拟摄像头两大类，它们各具特色，各有长短，下面我们将进行详细分析。适合智能车大赛使用的且市场上较为常见的数字摄像头芯片有两种,它们是OV6620和OV7620,因为后者是前者的升级版，所以我们以后者为例进行下面的比较。模拟摄像头芯片最常见的是OV5116,这两类摄像头性能参数如下表所示，我们通过仔细研究和对比这个表格来选择更为适合的摄像头芯片作为图像采集模块的核心。表4.2.2数字摄像头与模拟摄像头对比芯片型号OV7620OV5116传感器类型彩色CMOS黑白CMOS最大分辨率664x492384x288

感光面积4.86x3.64mm3.2x2.5mm自动曝光速度1/30-1/157341/60-1/6000最小照度2.5Lux@fl.4(3000K)0.5Lux@fl.4(3000K)自动增益控制Max24dBMax+18dB信噪比>48dB>46dB电源电压5V(±5%)5V(±5%)功耗<120mW<70mW封装形式48-pinLCC28-pinLCC输出格式YCrCb8/16bit模拟量输出从上表来看，OV7620在分辨率、感光面积等性能上超过了OV5116,而后者在最小照度和芯片面积等性能上超过了前者，其他指标相差并不是很大。性能各有优劣，很难决定使用哪一种摄像头芯片。所以我们同时购买了两种摄像头模块（如下图4.2.2所示），并在实践中检验哪一种更稳定、效果更好。图4.2.2数字摄像头OV7620与模拟摄像头OV5116在实践过程中，我们逐渐发现了两种摄像头的差别：第一，数字摄像头为8位灰度信号直接输出，不需要片外AD转换就可以直接连接单片机进行处理，电路简单方便。而模拟摄像头需要AD转换芯片和视频同步分离芯片将模拟信号转换为数字信号供单片机进行处理，电路较为复杂。从这一点来看数字摄像头更能满足简单的硬件设计宗旨。第二，数字摄像头的分辨率较高，而模拟摄像头分辨率较低，但由于S12XS单片机总线频率的局限，两者横向最大采集分辨率只有200像素点左右，差异不大。第三，数字摄像头的自动调节亮度、对比度及白平衡的效果不是特别理想，尤其是在强光照射下，很难采集到黑线的数据，所以必须根据实际情况手动设置亮度、对比度及白平衡效果。而模拟摄像头在这些方面表现都比较良好，在强光和弱光环境下均可正常的采集到赛道的数据。这一点说明模拟摄像头在适应环境光的方面强于数字摄像头。第四，数字摄像头在高速动态环境下对赛道数据采集的稳定性上比模拟摄像头稍差一些，这一点说明模拟摄像头在动态环境下性能略优于数字摄像头。总体来看，虽然数字摄像头接口电路简单方便，可以直接进行数据处理，但是其适应性和抗干扰性方面不如模拟摄像头。综合考虑稳定、高效、简单这三大设计宗旨，我们最终选择稳定性更强的模拟摄像头作为图像采集的核心模块。图像处理模块既然选择了模拟摄像头作为图像采集的核心，那么就需要对模拟摄像头的输出信号进行视频同步信号的分离和AD转换，常用的视频同步分离芯片是LM1881o它可以从视频信号中分离出行同步信号，场同步信号，色同步信号和奇偶场识别信号。电路图如下：图LM1881电路图

由于S12XS单片机内部内置了最高12位的16通道AD转换器，下面我们将它与常用的视频转换芯片TLC5510进行对比，以选择合适的模数转换方式。表4.2.3模数转换方式对比AD转换芯片S12XS内置AD转换器TLC5510转换精度12bit8bit最大转换速率<0.5M20M每行最大采集像素数54>200功耗——128mW电路复杂程度无高在比赛前期的准备过程中，我们使用的是片内AD转换器，虽然转换速率不高，但已经完全满足了当时的设计需求。每行采集54个像素点，共采集32行数据。在直道中，近端黑线宽度约为5个像素点，远端黑线宽度为1〜2个像素点，前瞻达到60cm。车辆可以平稳顺利的在直道、弯道、大小S弯中行驶。但是随着设计的不断深入，车速的不断增加，我们逐渐感觉到赛道分辨率较低已经成为了限制车辆继续发展的瓶颈，所以我们果断更换了AD转换芯片，由这一改进不仅使我们突破了赛道分辨率图片外AD转换模块片内转换转为片外专用视频芯片转换。较低的瓶颈限制，也为以后算法的改进提供了极大的帮助。最后我们使用视频专用高速AD转换芯片TLC5510进行模数转换（如右图所示），每行能够采集80个像素点，共采集54行赛道数据。在直道中，近端黑线宽度为7〜9个像素点，远端黑线宽度为2〜3个像素点，前瞻达到近这一改进不仅使我们突破了赛道分辨率图片外AD转换模块图片外AD转换电路图DGNDDGNDREFBREFBS214GNUAGNDAGNDANALOGINAGNDVDDA104REFTREFTSC8DGNDC12VDDDTLC55IODONDDGNDVDDADVDDVDDDVDDA2018VD317C4图片外AD转换电路图DGNDDGNDREFBREFBS214GNUAGNDAGNDANALOGINAGNDVDDA104REFTREFTSC8DGNDC12VDDDTLC55IODONDDGNDVDDADVDDVDDDVDDA2018VD317C41，VD214VP】13DVDD2.4核心控制模块S12XS单片机最小系统板是整车的大脑和灵魂，它收集并处理所有赛道信息，并发出指令以指导车辆正确的转向与加速减速。它的稳定性直接关系到整辆车是否处于正确的工作状态，所以我们采用购买现成模块的方法，来确保最小系统的稳定。统统板与清华最小系统板左图所示为龙丘智能公司设计的MC9S12XS128MAA单片机最小系统板,

该板性能较为稳定，总线频率可以稳定达到88MHz,而清华大学出品的绿色主板总线频率可以稳定达到96MHz,论稳定程度龙丘主板略逊于清华主板。但其优点是PCB板面积仅为清华的绿色主板面积的78.6%,且质量略轻。为了遵循高效、简单的设计原则，我们最终忍痛割爱，选择了龙丘主板。但由于清华主板的总线频率可以超频至96MHz稳定工作，我们选择了它作为手持式无线调试机的核心主板（如右图所示）。在高速的总线频率工作下，手持调试机的显示刷新频率也提高很多，无线模块工作也更为稳定。4.2.5电机驱动模块电机驱动模块为电机提供强大的输出功率，其性能指标主要有最大驱动电流、输出等效阻抗、最大工作频率等等。常见的电机驱动芯片有两种，MC33886与BTS7960,它们两者的性能对比如下表所示。根据这个表格分析，我们可以轻易的得出初步结论。表4.2.5电机驱动芯片参数对比驱动芯片MC33886（4片并联）BTS7960（2片全桥）输出等效阻抗120/4=30mfi7+9=16mQ驱动能力20A43A最大工作频率10kHz25kHz电路复杂程度较高（如图）较低（如图）^pkiFGND210AGNDDNCDNC19PWM1N2WM1N2PWM041PWMWMOTJ10.PWM[NlJ：l：l72V,J1；PWMMC33£&6cMC36DOUT!OUTIDNCPONDPGND,：IJ9PWMIN2INIV*V*otmovriDNCPONDPGNDAGNDOUTIOUT1DNCPGNDPONDOUT2OUT2^pkiFGND210AGNDDNCDNC19PWM1N2WM1N2PWM041PWMWMOTJ10.PWM[NlJ：l：l72V,J1；PWMMC33£&6cMC36DOUT!OUTIDNCPONDPGND,：IJ9PWMIN2INIV*V*otmovriDNCPONDPGNDAGNDOUTIOUT1DNCPGNDPONDOUT2OUT2PGNDPONDOUTIOUTIDNCPONDPONDOUT2

OUT2UIPGNDPONDMCJ6BC100UT2PONDPGNDovnOUT2nPONDPGND图MC33886电路图图BTS7960电路图分析上表和两张电路图后我们可以得出以下结论：第一，由于单片MC33886内阻过大，驱动能力稍显不足，不能满足系统快速提升速度和稳定运行的要求，而四片并联虽可解决驱动能力不足的问题，但是对于电路设计及焊接精度要求较高。因为电路设计的对称性不好会造成某一块驱动芯片负载过重、发热量过大等问题，从而导致降低整体驱动能力下降。第二，由于MC33886需要4片并联，所以PCB板的面积和重量也会相应增大，违背了稳定、高效、简单的设计理念。综上分析，我们决定采用2片BTS7960组成的全桥驱动来作为电机的动力来源。首先为了保护单片机，防止高电压击穿或高电流流过单片机并造成单片机的烧毁，我们设计了电压隔离电路（如图所示）；其次，我们充分利

用该款芯片的睡眠功能进行无刹车制动，简化了程序的设计；然后，我们利用U6Eitof2out21A1 1Y11A2 1Y21A3 1Y31A4 1Y42Al 2Y12A2 2Y22A3 2Y32A4 2Y418ErrorsUiEiiorout416Enor]iiu14^\1,8_120APWM[1iiill9PWM1OUPWM2ii)137PWKI2OUSleepui155Sleepout3/\1ADGND1DGND19o一二1G GND2G VCC10DGND205VEClII74LS244II该款芯片的过载报警的功能，避免电机堵转时造成的不必要的发热和电量损失;最后，我们设计了行驶方向指示灯，这样我们就可以在不连接电机的情况下知道车辆的运转情况，并根据指示灯的明暗变化知道电机驱动输出功率的大小，这种设计在调试电机的过程中既十分方便也很安全。在实际调试过程中，我们也制作了一个4片MC33886并联的电机驱动板并与BTS7960的电机驱动板进行比较。实验结果如下：第一，后者100%占空比的空载转速为4.3m/s,前者仅为3.7m/s,这一点证明了芯片BTS7960的最大输出电流大于芯片MC33886的最大输出电流；第二，后者50%占空比的空载转速上比前者高出约15%,并且在长时间测试的过程中我们发现后者的发热量明显小于前者，这两点都证明了芯片BTS7960的输出阻抗要略小于芯片MC33886的输出阻抗。以上实验结论与理论分析基本吻合，所以判定BTS7960电机驱动模块（如图所示）的性能要全面优于MC33886电机驱动模块。图BTS7960电机驱动模块2.6测速模块常见的测速模块有两种：第一，使用编码盘和光电对管进行测速（如图）o其工作原理如下图，由均匀镂空的圆盘构成编码盘，当编码盘旋转时光电接收管时而能够接收到发射管发射的光，时而接收不到，故产生不同的电阻特性，再经过模拟电路的转换和放大后，产生一定频率的方波信号供单片机采集。光敏传感器图光电对管测速原理第二，使用带有被动轮的测速电机进行测速（如图）o其工作原电压信号 数字信号力西力回丘.流诿［速⑨机］理如下图所示，被动轮带动直流测速电机产生一定的电压，电压信号经过AD转换后变为数字信号输入S12单片机中进行处理。图测速电机测速原理仔细分析这两种测速方法可知：第一种方法的硬件电路较为简单，测速精度取决于编码盘的光栅数；第二种方法的硬件电路较为复杂，需要外置AD转换芯片，不过因为S12单片机内置AD转换功能，所以省去了硬件电路的设计，随着车速的加快，测速电机转速的不断提高，其输出电压也会不断增高，模数转换芯片输出的数字信号数值也会增加，但是这种方法最大的缺点在于当测速电机工作时间久了会产生一定的热量，当测速电机温度升高的时候，其输出电压会因为其内阻上升而略微降低，线性度会大打折扣。图欧姆龙旋转编码器测试过程中，第一种方法也会出现一些问题：一个是在编码盘高速旋转的时候会产生震动，导致输出波形不稳定；另一个是如果环境较脏，编码盘的镂空光栅会进入灰尘，影响测速的精确度。但是，如果使用工业级别的光电旋转编码器就可以解决以上两个问题，它们采用内封闭技术制作，编码盘分辨率较高，轴向摩擦力较小，性能比较稳定。最后我们选择了欧姆龙图欧姆龙旋转编码器2.6.3所示），其性能参数如下表所示：表4.2.6光电旋转编码器性能表型号E6A2-CWZ3C电源电压DC5V-12V纹波的峰峰值小于5%消耗电流30mA以下分辨率500脉冲/转输出相A、B、Z三相输出状态集电极开路输出

最高输出响应42kHz输出上升或下降时间lus以下起动转矩ImNm以下轴允许力径向10N,轴向5N允许最高转速5000r/min直径25mm质量35g由表分析可知除了最高转速较低以外，其他性能指标均满足设计需求。为了准确得知编码器实际最高输出响应数值，我们做了极限实验并得出以下结论:当小车在占空比为100%的情况下无负载空转时，测量出方波输出频率为121kHz,计算得出当时转速已达到14520r/min,两项指标远远超出了其设计指标，但是输出波形上升沿依然稳定，下降沿出现了一定的变形，不过依然可以被单片机采集到信号，所以我们判定该光电旋转编码器可以在正常车速的情况下稳定工作。另外，由于该型号的编码器使用集电极开路输出，所以我们需要在信号输出端接入一个上拉电阻把电流信号转换为电压信号供单片机采集数据，具体电路图如左图所示。图光电编码器电路4.2.7加速度传感器模块加速度传感器芯片MMA7260QT是飞思卡尔公司推出的一款微型低成本电容式加速度传感器，它采用零加速度矫正、温度补偿和低通滤波技术，并且提供1个休眠模式和4个可选量程，以适应不同场合的需求。为了更好的使用该传感器，我们根据理论分析选择适合的量程：其一，智能小车能在正常行驶中可以在0.5s内从零加速至2.5m/s,故根据加速度公式得出直线加速度为5m/s2图加速度传感器(0.51g)；其二，小车在以2m/s的线速度进行50cm半径转向的情况下产生的向心加速度为10m/s2(1.02g)；其三，小车在以1.6m/s的线速度进入约15。的上坡时产生的加速度为4.5m/s2加上重力加速度后为14.3m/s2(1.46g),故选择14.7m/s2(1.5g)模式即能够满足设计需求。在电路板设计的过程当中，我们将加速度传感器安装在整车几何中心处，这样它能够更好的感知车辆运行状态，为系统提供正确的反馈信息，以保证系统的稳定性。4.2.8按键和拨码开关模块按键和拨码开关(如下图)在系统调试过程和策略制定上中起到十分重要的作用：首先，它可以减少系统调试中频繁下载程序的麻烦；再者，在不同环境下小车的某些性能指标会发生变化，比如说电池电量的不同就会影响舵机中间值和电机初始转速等等，这样我们就需要对个别参数进行临时调整以保证小车的稳定。

图按键与拨码开关实际电路按键和拨码开关模块电路十分简单，但是应注意的是由于单片机某些引脚不支持内部上拉电阻，所以在设计的时候要注意增加上拉电阻。6MsIMS图按键和拨码开关电路S14SWDIP-86MsIMS图按键和拨码开关电路S14SWDIP-8辅助调试电路智能小车的辅助调试电路主要是服务于无线发射模块，在调试过程中，无线模块将赛道图像和车辆实时数据发送至手持调试机上，供我们进行数据调试。无线模块的选型上我们选择了龙丘科技公司设计的nRF24L01无线发射模块，该模块功耗较低，最高工作频率为2Mbps,经过GFSK调制过后抗干扰能力较强，配外置天线后传输距离约50m,其技术指标已经满足实际设计需求，1NCGNDIR MI101NCGNDIR MI10AGNDIRMO29NflM2M(4438SCM5CSM34CS CENCVCC7CEMl/563.3VR/S12NRF24L01图4.3.1无线模块及其接口电路并且可以与S12XS单片机直接相连。nRF24L01无线发射模块的及其接口电路如上页图所示。本章小结本着稳定、高效、简单的硬件电路设计理念，我们完成了硬件电路的设计,并在绘制PCB电路板的过程中，根据实践中遇到的问题将PCB板进行了如下改进：第一，将模拟信号与数字信号隔开以避免数字高频信号对模拟信号的干扰;第二，尽量缩短模拟信号线以避免干扰；第三，对电路板的正反两面进行全面铺地，以增加其抗干扰性；第四，使用额定电流较大的波动开关作为主电源开关，以增加系统的稳定性，为整个电路板提供安全稳定的电源支持；第五，对主电源和电机驱动布线进行加粗处理，以减少导线内阻，从而避免导线过度发热甚至电路板烧毁；第六，增加调试指示灯，以方便检测和调试。系统主电路板如下图4.4所示，电路原理图详见附录Bo图4.4系统主电路板第五章软件系统设计与实现软件设计方案在硬件设计的同时软件设计也在有条不紊的展开，软件系统的既定目标同样是可靠、高效和简单。在这个目标的指导下，我们在程序流程中添加冗余部分以增强系统的稳定性，并把复杂耗时的算法上进行综合简化以达到简单、高效的目的。软件系统的详细流程图如下：图5.1软件系统流程图保持原状态其他任务系统初始化图5.1软件系统流程图保持原状态其他任务系统初始化拨检数与关参键开和定按码测设首先，系统进行初始化，接下来检测参数设定使能有没有打开，如果打开则进入参数设定程序，如果没有则等待场中断触发后直接进入图像采集程序。接下来检测这一场图像是否采集完毕，如果没有完成则等待行中断继续进行图像采集，如果完成则依次进入图像去噪、黑线提取程序。之后判断是否检测到起止线，如果检测到则进入停车程序，没有检测到则判断小车当前是否稳定（即采集图像是否满足控制算法限制条件），如果稳定则进入控制算法程序和舵机电机控制程序，否则保持原来的状态，以保证严重偏离赛道过后还能正常的行驶，直至找到正确的赛道信息。最后把进入无线发射程序，将赛道数据和车辆信息发送至手持调试机中。由于系统采用闭环控制，我们根据摄像头数据采集与舵机、电机控制的关系分别构想出两种控制策略：其中舵机采用增量式PD算法进行控制，利用摄像头进行反馈；电机采用位置式PID算法进行控制，利用光电编码器进行反馈。从而构成了控制策略的基本框架，详细情况将在后面章节进行介绍。图像采集、处理与路径识别前面已经分析过，摄像头采集的赛道数据能否被单片机正确的识别决定了小车能否正常工作，那么系统软件的根基就是图像采集、处理及路径识别部分。它就像大树的根一样，扎得越深根基就越牢固，系统才能枝繁叶茂，经得起任何风吹雨打。下面我们就来一步步的建立起系统的根基。图像采集与预处理赛道的图像信息经过模拟摄像头、视频同步分离电路和片外AD采样电路处理过后生成了3种数字信号为单片机提供输入，它们分别是：场扫描信号，行扫描信号和8bit的赛道信息。我们使用S12XS单片机的T口进行场扫描信号和行扫描信号的输入捕捉，使用普通I/O口的A口进行8bit的赛道信息采集。前文已经分析过，为了得到足够的赛道信息，我们采用80X52的图像矩阵作为赛道数据的来源（也就是说我们需要从312.5个有效行信息中采集52图图像梯形失真示意个作为图像的行，并且每一行采集80个像素点作为图像的列），但是由于摄像头与地面存在一定的倾斜角度，造成摄像头看的越远视野范围就越宽，所以这个图像矩阵存在着梯形失真的问题（如上页图所示）。“梯形失真”带来的第一个问题就是图像远端的行分辨率较低，在图像行信息间隔采样的过程中就容易出现视野的盲区，并且在弯道处采集的赛道信息量过少，赛道黑线斜率计算不便等情况。第二个问题是由于远端视野过宽，摄像头会采集到赛道外的信息，会对摄像头识别赛道黑线信息造成干扰（如图所示）。为了解决这两个问题，我们使用了非等间距采样和滤波去噪的方法。图预处理后的赛道图像信息首先介绍一下第一种方法——非等间距采样法，这种方法针对解决因为赛道图像梯形失真而造成行等间距采样出现摄像头远近端信息量不均衡的问题而设计，它是行等间距采样的改良方法。假设我们从312.5个有效行中的第10行开始进行间隔距离为5的等间距采样，计算后得知52次采样后我们得到了第10、15、20 255、260、265行的图像信息（如图表5.2.1中红线所示），这样就造成了近端分辨率较高而远端分辨率较低的情况发生。如果我们将间隔距离由定值变成减函数，那么这个问题就会得到一定程度的缓解。经过实际测量和数据的二次拟合，我们得到了二次函数（X?-152X+5851）/557,但是为了简化计算并提高单片机工作效率，我们将二次函数进行了修正，修正后的二次函数表达式为（x2-140x+5400）/512,那么我们同样假设从第10行开始进行间隔距离为（x2-140x+5400）/512的非等间距采样（x为已经采集过的次数），计算后得知52次采样过后我们得到了第10、20、30……247、248、249行的图

像信息（如图表5.2.1中蓝线所示），由此可知该算法使得图像远端的分辨率有所提高，梯形失真的影响有所降低。图表5.2.1行提取算法对比通过实践对比我们也可以明显感觉到非等间距采样算法在处理弯道数据时由于具有较高的前瞻性，在大小S弯的识别上体现得较为突出。然后介绍一下滤波去噪算法，这个算法的基本流程如下。首先为了防止边界对程序连续性判断的干扰，我们将边界全部进行抹白处理，然后开始扫描行上的像素点并判断是否连续，若连续则继续扫描下一个像素点，不连续则抹白，最后同理扫描列上的像素点并判断是否连续，若连续则继续扫描下一行的该列像素点，反之则抹白（如图所示）。为以后的黑线提取算法作好铺垫。图行列滤波去噪程序流程图

赛道黑线提取算法由于滤波算法并不能完全去除赛道两侧的干扰，并且在图像近端和远端的黑线宽度不一，不利于斜率的计算，所以我们想到了用黑线提取算法解决这个问题。黑线提取算法顾名思义是将图像中的赛道中心黑线提取出来的一种算法,该算法基本流程如下（图5.2.2）„首先，因为图像近端不易采集到赛道外的图像，且黑线宽度较大、清晰分明、出错概率极小，所以先固定提取前两行的黑线中心，如果采集不到正确的黑线数据则丢弃该幅图像并使舵机保持原值、电机降速然后直接进行下一幅图像的扫描。如果采集到正确的黑线信息则继续前两行黑线提行黑度

该索宽

在搜线\数＞3?」否矫正取前两行黑线提行黑度

该索宽

在搜线\数＞3?」否矫正取图黑线提取算法流程图从下一行进行扫描，如果遇到黑点则继续下一个像素点的判断，直至检测到白点后判断该黑线的宽度，若在门限值范围内则判断黑线中心是否与前一行的黑线中心连续，如果连续则继续进行下一行的提取，反之则继续在白点之后继续扫描。若该行没有出现符合这一标准的黑线，那么将前一行的黑线中心值赋给该行以作矫正。假设连续矫正次数达到3次，则判断第一个矫正行的前一行为断点行，并记录断点值，以作后用。

经过黑线提取后的赛道图如下所示（以下截图来自手持式无线调试机）：直线：左弯:右弯:图黑线提取后赛道图路径识别与曲率的计算图像处理结束后，就要对图像进行斜率计算。有了前面程序坚实的基础，我们对图像的斜率计算便有了更准确保证。为了矫正梯形失真所带来的远端图像较窄近端图像较宽的问题，我们采取在以第1行中心点为坐标原点的相对坐标中分段求斜率的方法，选择第1、9、17、25、33、41、48行作为划分各段的界线，把原有图像分为6段。接下来求出各段图像中黑线的斜率，然后各段斜率再乘以各自的系数相加后求平均值即得到总斜率。这种算法不仅解决了图像失真的问题，还可以通过调整各段斜率的权重来改变小车的入弯出弯姿态，可谓一举两得。(部分程序代码如下图所示，因为数组调用上使用指针，所以行数均进行了减一运算)ucharhangl=8；ucharhang2M16；ucharhang3»24；ucharhang4=32;ucharhan^5=40；ucharhang6=47；floatsiopel=((*(row_mid_black)-*(row-mid_black*hangl))•coufficientl)；〃计算的斜率floatslope2=((*(row_mid_black*hangl)-e(row_mid_black*hang2))•coefficient2)；floatslope3=((•(row_mid_black*hang2)->(row_mid_black*hang3))•coefficients)；floatslope4=((•(row_mid_black*hang3)->(row_mid_black+hang4))•coefficient4)；floatslope5=((•(row_mid_black*hang4)->(row_mid_black*hang5))•coefficients)；floatslope6=((*(row_mid_black*hang5)->(row_mid_black*hang6))•coefficients)；pwm_LR=mid_black*(*(row_mid_black)-*(row_mid_black*hangl))*1.4*(*(row_mid.blai"pwm_LR<LLFZ)〃大左拐middle«middlell;|nini_plus=2;steer_plus«(((middle-e(rLR«1;图5.2.3斜率计算及路径识别程序部分代码我们根据实际测试情况中计算出总斜率的数值，将路径识别为5种情况：直线、大左弯、大右弯、小左弯和小右弯。然后根据