智能汽车设计报告 (1)

1、全国大学生智能汽车邀请赛技术报告目录第一章引言1.1智能车的由来、应用前景51.2智能车大赛的介绍61.2.1大赛简介61.2.2大赛规则7第二章主要思路及技术方案概要142.1系统硬件结构142.2系统软件结构14第三章电路设计说明163.1系统电源模块设计163.2电机驱动模块设计173.3转速传感器电路设计173.4摄像头供电模块电路设计18第四章视频采集和图像处理194.1视频采集194.1.1摄像头工作原理194.1.2摄像头的选择204.1.3信号分离电路214.2图像处理224.2.1目标指引线的提取22第五章模型车机械设计说明245.1车体的具体参数245.2前轮倾角调节245

2、.3齿轮传动机构调节255.4差速机构调节265.5舵机安装方式265.6其他机构的调节27第六章控制策略296.1转向控制296.2速度控制32第七章开发工具、制作调试过程347.1车模开发工具347.2在线编程软件设计与应用34结语：36参考文献：37附录A:车模技术参数统计38附录B:车模外形照片39附录C:部分程序源代码39第一章引言1.1智能车的由来、应用前景1953年，美国Barrett Electric公司制造了世界上第一台采用埋线电磁 感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车” 20世纪 60年代和70年代初，AGV仍采用这种导向方式。但是，20世纪70年代 中期

3、，具有载货功能的AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动 导向车主要用于自动化仓储系统和柔性专配系统的物料运输。在20世纪70 年代和80年代初，AGV的应用领域扩大而且工作条件也变化多样，因此， 新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发。在垠近的10-15年里，各种新型AGV杯广泛地应用于各个领域，单 元式AGV主要用于短距离的物料运输并与自动化程度较高的加工设备组 成柔性生长线。例如，自动导向叉车用于仓储货物的自动装卸和搬运：小 型载货式AGV用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配平台。除此之 外，AGV还用于搬运体积和重量都很大的物品，尤其是在制造过程中用于 载货平台AGV组成

4、移动式输送线，构成整车柔性装配生产线。垠近，小型 AGV应用更为广泛，而且以长距离不复杂的路径规划为主。AGV从仅由大 公司应用，正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。至此出现 了智能车的概念。城市公共交通是与人民群众生产生活息息相关的重要基础设施。然而， 目前世界上许多大城市都而临着由私人汽车过度使用而带来的诸多问题， 例如道路堵塞、停车困难、能源消耗、噪声污染和环境污染等，这些问题 严重降低了城市生活的质量。优先发展城市公共交通是提供交通资源利用 效率，缓解交通拥堵的重要手段。国务院总理温家宝于2005年10月做出 重要批示，要求优先发展城市公共交通，这是贯彻落实科学发展观和建设

5、节约型社会的重要举措。大容量城市公共交通，如地铁、轻轨等，其最大 优点是空间利用率和能源利用率较高。然而，由于缺乏足够的时间、空间、 运行成本过高，难以大力推广和应用。回顾汽车发展的百年历史，不难发 现其控制方式从未发生过根本性改变，即由人观察道路并驾驶车辆，形成路人车”的闭环交通系统。随着交通需求的增加，这种传统车辆控制方 式的局限性日益明显，例如安全性低（交通事故）和效率低（交通堵塞）。 最新调查表明，95%的交通事故是由人为因素造成，交通堵塞也大都与驾驶 员不严格遵守交通规则有关。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人 从交通控制系统中请出来，形成“车路”闭环交通系统，从而提高安全性

6、和系统效率。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的智能化。 智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可 以实现汽车的自适巡航并把车开得开得又快又稳、安全可靠：汽车夜间行 驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶：他也可 以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还 能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家 庭轿车消费中，智能车的研发也是有价值的，比如雾天能见度差，人工驾 驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物， 电脑会控制车辆自动停下来撞车就不会发生了。1.2智能车大赛的介绍1.2.1大

7、赛简介受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责 主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛 之一。首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛于2006年在淸华大学 成功举办。此项赛事，在韩国已举办过多届，其专业知识涉及控制、模式 识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科，对学生的 知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的 提高，具有良好的推动作用。在前两届比赛中参赛选手必须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，以Freescale公司生产的16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元, 我对用了MC9S12XS1

8、28作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感信号采集处理、控制算法及执行、动力电机 驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时 输出车体状态的智能车控制软硬件系统。各参赛队伍之名次以赛车现场成 功完成赛道比赛时间排名。但与以往的比赛来看，今年又增大了难度，即 要在车跑完两圈自动停在出发线的3米内。本文所述的内容即为本屈比赛 而准本的技术方案。1.2.2大赛规则参赛选手须使用竞赛秘书处统一指左并负责采购竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器（除x系列，其他微控制器自选）作为核心控制单元， 自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执 行、动力

9、电机驱动、转向舵机控制等，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，参加全国决 赛区的场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛 时间为主，技术报告、制作工程质屋评分为辅来决定。大赛根据车模检测路径 方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线 产生的交变磁场进行路径检测的属于电磁组：车模通过采集赛道图像（一维、 二维）进行路径检测的属于摄像头组：车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮 度进行路径检测的属于光电组竞赛秘书处制怎如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及全国总决赛，在实 际可操作性基础上力求公正与公平。一、器

10、材限制规定1. 须采用统一指左的车模。本届比赛制定采用两种车模：A型车模：广东博思公司提供。限定电磁组比赛使用。B型车模：北京科与通博科技有限公司提供。限定光电组、摄像头组使 用。细节及改动限制见附件一2. 须采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位处理器（单核）作为唯一的微 控制器。有关细节及其它电子器件使用的限制见附件二：3. 参加电磁赛题组不允许使用传感器获取道路的光学信息进行路径检测。参加光电赛题组中不允许使用传感器获取逍路图像信息进行路径检测。参加摄像头赛题组可以使用光电管作为辅助检测手段。4. 其他事项如果损毁车模中禁止改动的部件，需要使用相同型号的部件替换：车模改装完毕后，尺寸不能超

11、过：250mm宽和400mm长。二、有关赛场的规定1. 赛道基本参数（不包括拐弯点数、位置以及整体布局）见附件三：2. 比赛赛道实际布局将在比赛当日揭示，在赛场内将安排与实际赛道具 有相同材料的测试赛道供参赛队进行现场调试：三、裁判及技术评判竞赛分为分赛区和全国总决赛两个阶段。其中全国总决赛阶段是在全国竞 赛组委会秘书处指导下，与决赛承办学校共同成立竞赛执行委员会，下辖技术 组、裁判组和仲裁组委会，统一处理竞赛过程中遇到的各类问题。所有竞赛组织委员会工作人员，包括技术评判组及现场裁判组人员均不得 参与任何针对个别参赛队的指导或辅导工作（提供微控制器培训除外），不得 泄鑫任何有失公允竞赛的信息。

12、在分赛区预赛阶段中，裁判以及技术评判由各分赛区组委会参照上述决赛 阶段组织实施。四、分赛区、决赛区比赛规则在分赛区、决赛区进行现场比赛规则相同，都具有电磁组、光电组和摄像 头组比赛。三个赛题组在同一场馆同时进行比赛，所遵循的比赛规则是相同的。 三个赛题组分别独立进行成绩排名分赛区和全国总决赛的现场比赛均包括预赛与决赛两个阶段。下面列出的 现场预赛、决赛阶段的比赛规则适用于各分赛区及全国总决赛的三个赛题组。1.预赛与决赛规则1）预赛规则i. 比赛场中有三条赛道。ii. 参赛队根据比赛题目分为三个组，并以抽签形式决定组内比赛次序。iii. 比赛分为两轮，三组同时在三个赛道上进行比赛，每支参赛队伍可

13、以 在每轮比赛之前有10分钟的现场调整时间。在此期间，参赛对位只允 许对赛车的硬件（不包括微控制器芯片）进行调整。第二轮比赛在同一赛道沿逆向进行。iv. 在每轮比赛中，选手首先将赛车放置在起跑区域内赛道上，赛车至少 静止两秒钟后自动启动。v. 每辆赛车在赛道上跑一圈，以计时起始线为计时点，跑完一圈后赛车 需要自动停止在起始线之后三米之内的赛道内，如果没有停止在规左的区 域内，比赛计时成绩增加1秒。vi. 每辆赛车以在两个单轮成绩中的较好的一个为赛车垠终预赛成绩：计 时由电子计时器完成并实时显示。vii. 根据参赛队伍数量，由比赛组委会根据成绩选取一左比例的队伍晋 级决赛。viii. 晋级决赛的

14、赛车在决赛前有10分钟的调整时间。在此期间，参赛队 伍只允许对赛车的硬件（不包括微控制器芯片）进行调整。技术评判组将 对全部晋级的赛车进行现场技术检查，如有违反器材限制规宦的（指本规 则之第一条）当时取消决赛资格，由后备首名晋级代替。ix. 由裁判组申报组织委员会批准公布决赛名单。x. 全部车模在整个比赛期间都统一放富在车模的展示区内。2）决赛阶段规则i. 参加决赛队伍按照预赛成绩进行排序，比赛顺序按照预赛成绩的倒序 进行。ii. 决赛的比赛场地使用一个赛道。决赛赛道与预赛赛道形状不同，占地 面积增大，赛道长度增加。9iii. 每支决赛队伍只有一次比赛机会，在跑道上跑一圈，比赛过程与要求 同预

15、赛阶段。iv. 计时由电子计时器完成并实时显示。v. 预赛成绩不记入决赛成绩，只决左决赛比赛顺序。没有参加决赛阶段比赛的队伍，预赛成绩为最终成绩，参加该赛题组的排名。2比赛过程规则按照比赛顺序，裁判员指挥参赛队伍顺序进入场地比赛。同一时刻，一个 场地上只有一支队伍进行比赛。在裁判员点名后，每队指定一名队员持赛车进入比赛场地。参赛选手有60 秒的现场准备时间。准备好后，裁判员宣布比赛开始，选手将赛车放置在起跑 区，赛车应在起跑区静止两秒钟以上，然后自动出发。赛车应在30秒之内离开 出发区，沿着赛道跑完一圈。由计时起始线两边传感器进行自动计时。赛车跑 完一圈且自动停止后，选手拿起赛车离开场地，将赛

16、车放回指宦区域。如果比赛完成，由计算机评分系统自动给出比赛成绩。3. 比赛犯规与失败规则比赛过程中，由比赛现场裁判根据统一的规则对于赛车是否冲出跑道进行 裁左。赛车前两次冲出跑道时，由裁判员取出赛车交给比赛队员，立即在起跑 区重新开始比赛。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。比赛过程中出现下而的情况，算作模型车冲出跑道一次。裁判点名后，60秒之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备：比赛开始后，赛车在30秒之内没有离开出发区：赛车在离开出发区之后60秒之内没有跑完一圈：比赛过程中如果出现如下一种情况，判为比赛失败：赛车冲出跑道的次数超过两次：比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车：决赛前，

17、赛车没有通过技术检验。如果比赛失败，则不计成绩。比赛禁止事项：不允许在赛车之外安装辅助照明设备及其它辅助传感器等：选手进入比赛场地后，除了可以更换电池之外，不允许进行任何硬件和软 件的修改：比赛场地内，除了裁判与1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地；不允许其它干扰赛车运动的行为：不允许车模设计方案抄袭，参赛队伍的车模设计的硕软件需要相互之间有 明显的不同。大赛相关规怎附件如下：附件一：智能竞赛车模的规定1）禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎：2）禁止采用其它型号的驱动电机，禁止改动驱动电机的传动比：3）禁止改造车模运动传动结构，包括滚珠轴承：4）禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件

18、：5）禁止改动驱动电机以及电池，车模前进动力来源于车模本身直流电机及电池：6）禁止增加车模地面支撑装置。在车模静止、动态运行过程中，只允许车模原 有四个车轮对车模起到支撑作用。7）为了车安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。附件二：电路器件及控制驱动电路限制系统采用Freescale 16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元：伺服电机数量不超过3个：传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1个传感器，CCD传感器记为1个传感器）：直流电源使用大赛提供的电池：禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力：全部电容容量和不得超过2000微法：电

19、容最高充电电压不得超过25 伏。可以选择参数：开发软件可以选择CodeWarrior 3.1，也可以另行选择；开发调试硬件可以选择秘书处统一提供的BDM工具，也可以另行选 择：电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器 件等）种类与数量都可以自行设计选择。附件三：赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局）赛道路而用专用白色基板制作，在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，跑 道所占面积不大于5000mm* 7000mm,跑道宽度不小于500mm；决赛阶 段时跑道面积可以增大。赛道路面制作材料型号会在网站给出。跑道表而为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm： 跑道最

20、小曲率半径不小于500mm： 跑道可以交叉,交叉角为90 :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。 赛道有一个长为1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别 有一个长度100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开 始或者与结束时刻。在黑色计时起始线中间安装有永久磁铁，每一边各三只。磁铁参数：直径7.5-15mm,高度表面磁场强度3000-5000GSo图一：出发起始线23第二章主要思路及技术方案概要2.1系统硬件结构摄像头此智能车辆定位系统用摄像头拍车辆前方的赛道，通过MC9S12XS128 采样视频信号，获得图像数据。然后用合适的算法，如跟

21、踪边缘检测法， 分析图像数据，提取目标指引线。然后，系统根据目标指引线的位置信息， 对舵机和电机施以合适的控制。本智能车定位系统的结构图如图21所示：辅助硼MC9S12XS1 28效据处理电机图2.1智能车定位系统结构图因为系统是一个有机的整体，所以任何一部分的改进都能提髙小车的 性能。虽然轮胎、驱动电机、舵机和电池等车模主要结构不能作改动，但 是一个机械结构上的细节仍然会对小车的性能产生彩响，为此我们对这些 细节进行了一定的调整。系统所用的传感器包括光电（1个用于测速）、 JY043W （黑线识别）和摄像头（路径识别），它们可以完成赛道信息的采 集和小车行驶参数的获取，算法部分主要涉及到模糊

22、算法和PID控制算法 等，这些部分将在后面详述。2.2系统软件结构系统硬件位于底层，是整个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制需要来制定。系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，通过图像采集模块获取前方的图像数据，同时通过 速度传感器模块获取小车的速度，用前排传感器获取路面的信息，采用模 糊算法来控制舵机的转向。另外根据检测到的速度，结合速度控制策略， 对小车速度进行不断的调整，使小车在符合比赛规则的前提下，沿赛道快 速行驶。系统的基本软件结构如图22所示。图2-2系统的基本软件机构第三章电路设计说明3.1系统电源模块设计全部硬件电路的电源由7.2V, 2A/h

23、的可充电镰镉电池提供。由于电路 中的不同电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 应该包括多个稳压电路，将充电电池电压换成各个模块所需要的电压。主要包括如下不同的电压： 5V电压。主要为单片机、信号调理电路及部分接口电路（如速度传感器）提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。 6V电压。主要是为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机所需要 的工作电流一般在几十亳安左右，电压无需十分稳定。 7.2V电压。这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模 块提供电源。 12V电压。采用摄像头进行路径检测时，需要42V工作电源。整个电源模块的电路结构为：图3-1电源模块电

24、路结构3.2电机驱动模块设计该车模驱动电机堵转电流为12A,车模正常行驶时电机电流为3A左右，车模行驶时需对车速加以控制，则对电机必须进行PWM调速，使用两片BTS7960并联是为了防止由于电流过大发热加剧导致其过热保护。3.3转速传感器电路设计车速传感器为对射式光电传感器，具体电路如图33。由光电对管采集输出为类似正弦波的信号，为使最终的车速信号为单片机所能处理的数字 信号，在光电对管输出端接电压比较器LM2903。图3-3车速传感器电路3.4摄像头供电模块电路设计第四章 视频采集和图像处理4.1视频采集视频采集模块由摄像头、1881视频采集信号分离芯片以及S12的AD模块构成。视频信号是A

25、D采集的基础，下面先介绍视频信号的特征，然 后再展开。4.1.1摄像头工作原理摄像头分为黑白和彩色两种，根据赛道特点可知，为达到寻线目的，只要提取到画而的灰度信息，而不必要提取其色彩信息，所以本设计中采 到的是黑白摄像头。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灰度转换成 与灰度一一对应的电压值，

26、然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而 言（参见图5-1）,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，跳过一疔 后（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

27、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，上一 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。行消隐区行同步缽冲 复合消烂脉冲场冏步脉冲行同步H冲图4T摄像头视频信号4.1.2摄像头的选择因为S12单片机的AD转换时间在不超频的情况下最短为7us,所以如果选用一个分辨率为320的摄像头，则单行视频信号持续时间约为20ms/320=62.5us, AD对单行视频信号采样的点数将不超过62.5/7+仁9个。若使用分辨

28、率越高的，则其采到的点数将更少。如前所述，摄像头的分辨率越髙，尽管可提高纵向分辨能力，却会减少单片机AD采样单行信号的点数，削弱了横向分辨能力。现在市场上摄像头的分辨率通常都在300线以上，由此推得单行视频信号的持续时间至多为20ms/300=66us, AD采样每行视频信号的点数至多为66/7）+1=10个（不 超频的情况下），这对赛车定位来说是不够的，所以在选用摄像头时，应当 尽量选择分辨率低的摄像头，这样做会降低摄像头的纵向分辨率能力（但 降低都仍然远远够用），却可以增加单片机采样视屏信号的点数，提高横向 分辨能力。在本次设计过程中，在市场上我们找到了索尼的CCD摄像头，其分辨率为200

29、万像素，以下章节中的视频采集工作就是基于此摄像头。4.1.3信号分离电路要对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阀值开判断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。考虑到单片机的速度有限，而一些脉冲的间隔时间又较短，为了减轻 其处理负担，采用了第

30、二种方法进行信号的时序信息，如行同步脉冲、场 同步脉冲和奇、偶场信号信息等，并将它们转换成TTL电平直接输出给单 片的I/O 口作控制信号之用。1881的端口接线方式如图52所示。LM1881N图 4-2 LM1881其中，引脚2为视频信号的输入端，引脚1为行同步信号输出端（图5-3中的b） o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53 中的C）引脚7为奇偶场同步信号端输出端，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

31、换场的标志。視頻场消鬼区27TTmrnmmumnnnnnmr 230 ps typ偶场命场图4-3 LM1881信号时序图4.2.1目标指引线的提取智能车通过图像采样模块获得车前方的赛道图像信息，往下介绍如何分析此二维数组来提取黑线，我们采用边缘检测的方法。二维数组的行数和列数即为像素的图像坐标，我们若求出了黑线边缘的图像坐标，就知道了黑线的位置。黑线边缘的特点是其左、右两像素为 一黑一白，两像素值的差的绝对值大于某阀值，大于可根据试验确泄：而 其余处的相邻两像素或全白，或全黑，像素值差的绝对值小于该阀值。这 样，只要我们对两数组每行中任何相邻两点做差，就可以根据差值的大小 是否大于该阀值来判

32、断此两点处是否为黑线边缘，还可以进行根据差值的 正负来判定边缘处是左白右黑，还是右黑左白。从最左端的第一个有效数据点开始依次向右进疔阀值判断：由于实际 中黑白赛道边缘可能会出现模糊偏差，导致阀值并不是个很简单介于两相 邻之间，很可能要相隔两个点。因此：第line为原点，判断和line+3的差 是否大于该阀值，如果是则将line+3记为i,从i开始继续在接下的从i+3到该行最末一个点之间的差值是否大于阀值，如果大于则将line+i/2+1的坐标赋给中心给黑线中心位置值，如&4图44单行黑线提取法利用该算法所得到的黑线提取效果不仅可靠，而且实时性好：在失去 黑线目标以后能够记住是从左侧还是从右侧超

33、出视野，从而控制舵机转向 让赛车回到正常赛道。试验表明：只要阀值取得合适，该算法不仅可靠，而且实时性较好。如果更进一步可以设置阀值根据现场情况的变化而变化。在黑线引导线已 经能够可靠提取的基础上，我们可以利用它来进行相应的弯、直道判宦， 以及速度和转向舵机控制算法的研究。第五章模型车机械设计说明任何的控制算法和软件程序都是需要一定的机械结构来执行和实现 的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个机械结构有一个感 性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调节 整赛车的机械结构。本章将主要介绍车模的机械特点和调整方案。5.1车体的具体参数此次比赛用的车模采用1/16的越野

34、遥控车模。车模机械结构只使用竞赛提 供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，四轮轮驱动方案。车模具体参数如下：表5T车模基本尺寸参数：基本参数尺寸轴距18cm前轮距14.5cm后轮距14.5cm车轮直径6.5cm车长26cm车宽18cm传动比14/365.2前轮倾角调节调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增 大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮立 位进行了调整。前轮左位的作用是保障汽车直线行驶的稳宦性，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

35、轴等三者 在车架上的位置关系。主销内倾是由主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用使前轮自动 回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时就越费力，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。它使用车辆转弯时产生 全国大学生智能汽车邀请赛技术报告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 稳宦性也越好。主销内倾和主销后倾都有使转向自动回正，保持直线行驶的功能。不 同之处是主销的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速 时后倾回正作用大，低速时内

36、倾的回正作用大。前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提髙前轮的转向安全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 而一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件 损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约为1 左右。所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前轮数值之差，也值前轮中心 线与纵线向中心线的夹角，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就会减少。5.3齿轮传动机构调节车模采用DC 7.2V ND380电机驱动，由竞赛主办方提供。电机轴与传动轴之间 的传动比为9： 28。齿轮传动机

37、构对车模的驱动能力有很大的彩响。齿轮传动 部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动的负载，从而影响到垠终的成绩。 调整的原则是：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，传动部分要轻松、顺畅， 容易传动，不能有卡住或迟滞现象。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，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 碰掠类的杂音。5.4差速机构调节差速机构的作用是在车模转弯的时候，

38、降低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。当车辆在正常的过弯中（假设：无 转向不足亦无转向过度），此时4个轮子的转速（轮速）皆不相同，依次为： 外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此时所使用车模配备的是差速器。 差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低：而阻力越小的一侧, 驱动齿轮的转速越高，以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮 轮胎所遇的 阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。差速 器的调整中要注意齿轮的啮合，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。好的差速器，在电机不转的

39、情况 下，右轮向前转过的角度与左后轮转过的角度之间误差很小，不会有迟滞和过 转向情况。5.5舵机安装方式图5-1舵机安装方式舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常 数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身机构的方法可以提高 舵机的响应速度。分析舵机控制转向的理论可以发现，在相同的舵机转向 条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向 27全国大学生智能汽车邀请赛技术报告变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。针对上述特性，改变了 原装车模的安装方式，将舵机安装在相对的一对称面上。这样安装的优点 是：1）改变了舵机的力臂，使转向更灵敏，2）舵机

40、安装在正中央，使左 右的转向基本一致：3）重心相对来说靠后，减轻舵机的负载。5.6其他机构的调节在调试过程中，除去对以上部分的调整以外，其他机械部分也要根据 实际情况来调整，悬挂臂、转向连杆的动作要灵活自如，准确无误：主悬 架要松紧适度：驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶 中松动就会造成零件的损坏。调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动,测试时要检査是否上紧。41第六章控制策略6.1转向控制几乎绝大多数的智能车系统都是用PD来控制转向，我们在测试只能够 发现这样很难达到令人满意的控制，我们利用了S12的模糊控制器对小车 进行了控制，经过测试，得到了一个比较满意的结果。模糊逻辑控

41、制(Fuzzy Logic Control)简称为模糊控制，是以模糊集合 论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，从 实质上来看模糊控制是一种非线性的控制，从属于智能控制的范畴。其垠 大的特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的基本机构原理如61所示。去模期处理-规m化橫擀关系综合:理机图6-1模糊控制的基木原理可以看出，模糊控制的核心是模糊推理机，它是嵌入在一个闭环系统之中的，模糊控制器主要包括模糊控制规则、模糊决策、模糊量化处理和 去模糊化处理四个部分。事实上，模糊控制器可视为一个实时闭环系统中依赖操作者经验的控制器，它根据本次采样得到的系统输出值

42、，计算所选择的系统输入变量，再将输入变量的稱确值变为模糊量，并根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量），最后由上述得到的控 制量（模糊量）计算精确量，保证被控制对象输出得到满足。在根据该车模的系统，我们设计了一个双输入和单输出的系统，输入的量是所得到的外界信息，输出的是转向PWM图6-2转向P料模糊控制原理图以下是按照该系统做的模糊控制器、规则库、数据结构表及输出的单 值隶属度函数的程序：A*；*S12模糊控制器(B)*女*B_FUZZIFY:LDX #B_INPUT_MFSLDY #B_FUZ_INSLDAA B_CURRENTJNSLDAB #5B_GR

43、AD_LOOP:MEMDBNE B,B_GRAD_LOOPLDAA B_CURRENTJNS1LDAB #5B GRAD L00P1:MEMDBNE B,B_GRAD_L00P1LDAB #36B_RULE_EVAL:CLR 1,Y+DBNE B,B_RULE_EVALLDX #B_RULE_STARTLDY #B_FUZ_INSLDAA #$FFREVB_DEFUZ:LDY #B_FUZ_INS+8LDX #B_SGL亍N_POSLDAB #9WAVEDIVTFR Y,DSTAB B_COG_OUTB_FUZZIFY_END:RTSA*；*S12模糊控制器输入规则库(B)*BJNPUTMFS

44、:B_MFO:FCB 000,060,000,013FCB 020,120,013,013FCB 080,180,013,013FCB 140,255,013,000B_MF1:FCB 00, 04,000,085FCB 01, 08,085,085FCB 05, 11,085,127FCB 08, 20,064,000*；*S12模糊控制器数据结构表(B)*B_RULE_START:FCB $00,$04,$FE,$08,$FEFCB $00,$05,$FE,$09,$FEFCB $00,$06,$FE,$0A,$FEFCB $02,$07t$FE,$13,$FEFCB $03,$04f$F

45、E,$14,$FEFCB $03,$05,$FE,$15,$FEFCB $03,$06,$FE,$16,$FEFCB $03,$07,$FE,$17,$FEFCB $FF*；*S12模糊控制器输岀单值隶属度函数(B)*B_SGLTN_POS:FCB 100, 094, 088, 085;| |FCB 095, 092, 088, 081 ;|FCB 090, 088, 080, 077;|6.2速度控制本车模安装了车速传感器（图63），来采集速度图&3车速传感器那么对车速的控制便可采用PID闭环控制。数字PID控制分位置式PID、增量式PID和速度式PID控制，本次采用增量式PID调速策略，其计算公式为： U n=KP(Gn-en-1)+KiGn+Kd (6n-2n-l+en-2) 其中，a u n为第n次输出增量；en第n次偏差；en-i第n1次偏差：er2第m2