辽宁工程技术大学-四轮组-光翼二队技术报告

1、第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：辽宁工程技术大学队伍名称：光翼二队参赛队员：柳云龙 赵 泽 李建雄指导老师：李国华姜国强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十四届“恩智浦杯”全国大学生智能汽车竞 赛关于保留、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，比赛组委会和恩智浦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 参赛队员签名：带队老师签名：2019. 8. 19日期：摘要本文以第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景，简述了四轮 组基于恩智浦 32 位单片机 MK60FX512ZVLQ10 智

2、能车系统的设计，对其机械结构、硬件电路、软件算法、元素处理方案、控制策略等内容进行了介绍。本设 计车模选用博思达公司提供的新 C 车模，并依据车模运行快速且稳定的设计目的，对原车模的机械结构进行了一定的改装和调整；主传感器采用 MT9V032 数字摄像头，以便于智能车在不同环境下对赛道信息的准确提取；车模通过超声波 实现对障碍距离的检测。系统将摄像头检测到的赛道以及超声波采回的距离等信 息传送给单片机，单片机通过内部的图像处理算法、控制算法及策略等，控制电 机及舵机执行相应动作。系统选用 512 线编码器检测车模的实时速度，以经典的PID 算法对智能车的速度和方向进行闭环控制。同时，为了更好地

3、对车模进行调试，本设计在调试过程中使用了 1.77 寸彩色 LCD、无线串口模块、多功能调试助手等调试工具，以及针对比赛现场各种情况编写了车模在线调试的代码。在实 际制作调试过程中，对硬件电路及软件算法的不断的改进完善。最终，车模能够在复杂的赛道上稳定快速的运行，完成比赛任务。关键词：智能汽车，K60，图像处理，PID，数字摄像头 ABSTRACTBased on the 14th NXP cup national intelligent car competition for college students, this paper briefly describes the design

4、of the four-wheeled intelligent car system based on NXP 32-bit single-chip microcomputer MK60FX512ZVLQ10, and introduces its mechanical structure, hardware circuit, software algorithm, element processing scheme and control strategy.This design adopts the new C car model provided by solstar, and acco

5、rding to the design purpose of fast and stable operation of the car model, the mechanical structure of the original car model is modified andadjusted to some degree.The main sensor adopts MT9V032 digital camera to facilitatetheintelligentcartoaccuratelyextracttrackinformationindifferentenvironments.

6、Vehicle model through ultrasonic detection of obstacle distance.The system transmits the track detected by the camera and the distance collected by ultrasonic wave to the single-chip microcomputer, which controls the motor and steering engine to execute corresponding actions through the internal ima

7、ge processing algorithm, control algorithm and strategy.The system USES 512 line encoder to detect the real-time speed of vehicle model, and USES the classic PID algorithm to conduct closed-loop control of the speed and direction of intelligent vehicle.At the same time, in order to better debug the

8、car model, this design USES 1.77 color LCD, wireless serial port module, multi-function debugging assistant and other debugging tools in the debugging process, as well as the code for online debugging of the car model according to various conditions of the competition site.In the actual production a

9、nd debuggingprocess, the hardware circuit and software algorithm constantly improve and perfect.In the end, the model can run fast and steadily on the complex track to completethe task.Key words: intelligent car, K60, image processing, PID, digital camera目录目 录1第一章引言1第二章智能车总体设计32.1 设计思路32.2 车模结构及参数4第

10、三章机械结构的调整73.1 前轮定位的调整73.1.1主销后倾83.1.2主销内倾83.1.3前轮前束93.2 舵机及转向机构103.2.1 舵机的安装103.2.2 转向机构的调整113.3 传感器选择及安装固定113.3.1摄像头的选择及安装113.3.2电感的安装133.3.3测距传感器的选择143.3.4编码器的安装153.4 车模整体调整15第四章硬件电路设计及实现1714.1 硬件设计方案174.2 电源部分184.2.1 电源入口电路184.2.2 5V 稳压电路194.2.3 3.3V 稳压电路194.2.4 6V 稳压电路204.2.5 12V 升压电路214.3运放电路22

11、4.4驱动电路224.5舵机信号隔离电路234.6人机交互部分244.7外设接口25第五章 软件系统设计与实现275.1 软件结构275.2 图像分析与处理285.2.1图像预处理285.2.2弯道处理305.2.3特殊元素的检测及处理305.3 车模运行控制355.3.1 方向控制355.3.2 速度控制365.4 车模在线调试系统3825.5 上位机与调试工具445.5.1编译环境445.5.2智能车调试助手455.5.3虚拟示波器45第六章 总结46模型车主要技术参数46总结与致谢47参考文献48附录：程序源代码49附录：电路原理图73第一章 引言全国大学生智能汽车竞赛是一项以“立足培养

12、、重在参与、鼓励探索、追求 卓越”为指导思想，面向全国大学生开展的具有探索性的工程实践活动。它以在 特定赛道上能自主行驶且具有优越性能的智能汽车这类复杂工程问题为任务，鼓励大学生组成团队，综合运用多学科知识，提出、分析、设计、开发并研究智能 汽车的机械结构、电子线路、运动控制和经济成本等问题，激发大学生从事工程 技术开发和科学研究探索的兴趣和潜能，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。智能车竞赛是从 2006 开始，由教育部高等教育司委托高等学校自动化类教学指导委员会举办的旨在加强学生实践、创新能力和培养团队精神的一项创意性科技竞赛。经全国大学生智能汽车竞赛组委会扩大会议决定

13、，第十四届全国大学 生“恩智浦杯”智能汽车竞赛将于 2019 年 8 月 22-26 日在山东大学（威海）举行。四轮组规则要求如下： （1）车模 可以使用 B，C 型车模。车模运行方向不限。 （2）传感器 允许使用各类电磁、光电传感器、摄像头、超声传感器器件进行赛道和 环境检测。 （3）比赛赛道 比赛是在 PVC 赛道上进行，赛道采用黑色边线和电磁进行导引。赛道 中可能存在的元素包括表 2 中所有的元素。断路赛道个数不限。 （4）比赛任务 1第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 选手制作的车模完成赛道运行一周。比赛时间从车模冲过起跑线到重新 回到起跑线为止。如果车模没有能够停止在起跑线后三米

14、的赛道停车区内，比赛时间加罚一秒钟。 2第二章 智能车总体设计2.1 设计思路本届大赛的四轮组的规则较上届有了较大的变化与革新。对于车模整体尺寸 进行了限制，并且由于短路和横断障碍元素的增加，导致使用传统的摄像头作为 唯一的传感器是无法完成比赛的。所以如何合理的使用各传感器是一个较为重要 的问题。智能车系统主要由三个部分组成：检测系统、控制系统和执行系统。检测系 统采用 MT9V032 数字摄像头、电感、超声波测距模块、编码器。控制系统采用 以 MK60 单片机为核心加以内部软件算法，执行系统主要为车模的 S3010 舵机和直流电 RN380。整体的流程为，通过摄像头来检测前方的赛道信息，将赛

15、道图 像信息发送给单片机。同时，通过编码器采集到的脉冲将车体的行驶速度信息传 送给主控单片机。根据所取得的赛道信息和车体当前的速度信息，由主控单片机 根据内部软件算法做出决策，并通过 PWM 信号控制直流电机和舵机进行相应动 作，从而实现车体的方向控制和速度控制。系统结构框图如图 2-1 所示。3第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告超声波电感摄像头编码器 图 2-1 系统结构框图 2.2 车模结构及参数本系统选用了博思达公司生产的 C 型车模，尺寸为 28.5168cm ，轮胎直径为 52*25mm，轻便小巧，内填海绵，极好的减震性和耐磨性。所配置的驱动电机 为DC 7.2V 380 马达，

16、功率可达11.55W。伺服器为S3010，6V 时扭力达6.5Kg.cm，动作速度 0.16+/-0.02 sec/60。车模整体布局如下图所示： 4电机人机交互舵机主控单片机第二章 智能车系统总体设计 图 2-2 车模整体结构图 本系统对车模的整体布局做了以下几个方面的调整：为了使车模更加简洁，重量更轻，结构更优，我们将主控驱动电路设计1)在一起，置于车模前半部，并尽量降低高度以降低车模重心。舵机采用车模原有设计竖直放置，使用原装金属舵机摆臂，舵机原有摆2)臂长度适中。经实验测试，安装后使舵机连杆接近水平稍向下倾，稍向前倾，这使得舵机在转角的过程中，所连动的车轮转角行程均匀有力，并且相应速度

17、快。摄像头置于舵机后方，辅以 140 度镜头，在满足规则的前提下获得更好3)的视野。适当降低底盘高度，降低重心，以提高高速过弯的稳定性。4)整体布局尽可能减少连线，一方面提高了稳定性，避免电源线、信号线5)等接触不良而造成的故障，另一方面夜车模更加简洁美观。5第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告6)车模轮胎与轮毂之间使用 704 硅橡胶粘接。胶的作用不仅仅是防止车模高速过弯时轮胎脱落，更是防止车模在高速转向时轮胎受车模离心力的影响，导致与轮毂连接变形而导致车模的转向能力下降。6第三章 机械结构的调整本系统采用 C 车模（如图 3-1）。下面从前轮定位、舵机安装、后轮驱动与差速调节、传感器安装

18、与选用、车模加固及重心降低，车轮固定等方面对 C 车模 的改造进行介绍。 图 3-1 C 型车模3.1 前轮定位的调整车辆在高速过弯时，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，本系统对前轮定位进行了调整，使 车辆直线行驶更稳定，转向更轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件 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 个参数决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。 7第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告经过一段时间的调试，我们发现车子由于机械损耗会出现转向沉重、发抖、 跑偏、不正、不

19、归位或轮胎单边磨损、偏磨等不正常磨损现象，这时就需要对前 轮进行重新定位。前轮定位做得好才能保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和 减少轮胎的磨损。因此需对赛车的前轮转向模块进行测试实验，联合转向舵机的 获取标定数据，并结合相应的转向理论进行调整。 在实际调试中，我们发现适当增大内倾角的确可以增大转弯时车轮和使车转 向更灵活，减小因摩擦不够而引起的转向不足的情况。由此可见，对前轮定位是 必要的。 3.1.1 主销后倾主销后倾（见图 3-2）是指前轮主销在车模的纵向平面内（小车的侧面有一个向后的倾角 ，即主销轴线与地面垂直线在车模在纵向平面的夹角，称为“主 销后倾角”。采用主销后倾，车模在车轮偏转

20、后会产生一回正力矩，纠正车轮偏 转。可通过增减黄色垫片数量来改变，我们采用的主销后倾角大概为 3 度。 图 3-2 主销后倾 3.1.2 主销内倾前轮主销在车模的横向平面内向内倾斜一个 角，即主销轴线与地面垂直线在车模的横向断面内的夹角，称为“主销内倾角”（见图 3-3）。 主销内倾角 也有使车轮自动回正的作用。当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾 的原因，车轮连同整个车模的前部将会被抬高；外力消失后，车轮在重力作用下 8第三章 机械结构的设计与调整恢复到中间位置。另外主销内倾还会使主销线延长线与赛道的 交点到车轮中心平面的距离减小，同时转向时赛道作用在转向轮上的阻力矩也会减小，从而减

21、小 转向阻力，使转向轻便，灵敏。 轮胎调整为倾斜以后直线行走的时候是轮胎内侧着地，而当过弯的时候，由于惯性车体会要向弯道外侧倾斜，而这时候的外侧轮胎如果倾斜角度事先调整得 当则正好可以胎面着地，从而使车辆在弯道获得最佳抓地力。而如果事先把轮胎 装成是完全垂直于地面的话，尽管直线行驶的时候轮胎是胎面着地，而到弯道就 会变成轮胎外侧着地了，那样将大大减小轮胎与地面的有效接触面积，从而导致 弯道时抓地力大幅降低。主销内倾角不可过大，否则在直道和弯道时均使用轮胎 内侧，导致轮胎严重磨损，抓地力极低。 由于赛道一般会设有连续弯道，车模需在高速下连续转弯，因此本系统将车 模主销内倾调为 8左右。 图 3-

22、3 主销内倾 3.1.3 前轮前束前束是转向灵敏度与稳定性的权衡。前束不可以无限度增大，太大了的话， 直道行驶时车轮与地面发生的就不是滚动摩擦，而是滑动摩擦，轮胎磨损将急剧 增大，且会导致阻力加大，降低直道速度。过度减小，会导致稳定性降低，车辆 抖动，难以操控。为了增加车子的转向性能以及满足阿克曼转弯原理，本系统将 车子的前束为大概 5左右。 9第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 3-4 前轮前束 3.2 舵机及转向机构3.2.1 舵机的安装舵机转矩=摆杆作用力*摆杆长度 通过公式可以得出：拉杆作用力越大，反应越灵敏，转向速度越快；转矩一 定时，摆杆越长，作用力就越小，所以摆杆又不能太

23、长。 对于舵机的安装，已经有许多成熟的方案，如立式、卧式、横卧式。 横卧式优点： 大大降低了车模前半部的重心，舵机摆臂变短所以舵机摆臂输 出作用力增大。缺点：由于舵机转盘的位置限制，导致横卧放置的舵机的舵机摆 臂变得十分短小，以及舵机连杆左右的长度必然的不对称。所以会导致问题一是 响应速度变慢，二是左右转角不对称。 卧式优点：重心会稍微降低一些，便于调整摆臂，使其平直。缺点：结构复 杂，虽然降低了一部分重心，但是会增加重量，并且由于车模结构限制，舵机连 杆在传动过程中易受阻碍，导致转向后半程无力。 立式优点：对于现有车模而言，不用改装，安装简单方便。舵机摆杆左右对 称，转向行程中，力量传递均匀

24、。响应速度快。缺点：重心偏高。 10第三章 机械结构的设计与调整综合考虑之后，我们选择了车模原有的立式安装方式。并参考了第十二届华 中科技大学四轮组的舵机调整方案，采用了正视“V”字俯视“一”字的安装方式，使转向机构灵活，响应速度快。系统舵机安装效果图如图 3-4 所示。 图 3-4 舵机安装效果图 3.2.2 转向机构的调整在调试的过程中，会遇到车模左右转不对称，如可能相同曲率半径的弯道左 转内切，右转外切。原因从硬件到软件的因素都可能有。软件方面检查舵机的设 定中值是否正确，左右限幅是否正确，传感器巡线中点是否正确，即车模在直道 运行时是否居中。机械方面检查舵机连杆长度是否一致，左右轮主销

25、内倾是否对 称，后倾是否对称。经过软件到机械的调整，最终问题得以解决。 3.3 传感器选择及安装固定3.3.1 摄像头的选择及安装根据本届大赛的规则，四轮组需同时使用电感和摄像头作为车模的传感器。11第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告所以对于我们而言，摄像头是赛道信息提取关键，其信息输出信息的稳定性 直接影响车模的性能。因此摄像头的选取必须慎重，既要保证图像质量好，满足 后续处理和赛道识别的要求，又要考虑到单片机采集和处理的能力。由于本届比赛中可能会出线光线不均匀或强光的干扰，所以选择了MT9V032数字摄像头，辅以 140 度镜头通过自行设计的软件算法对其采集到的灰度图像进行处理以获得赛

26、道信息。MT9V032 摄像头如图 3-5 所示。 图 3-5 总钻风MT9V032 摄像头分辨率不是越高越好，因为这样只会徒增单片机的负担，我们选择了 160*70 的分辨率，在保证能准确提取赛道元素细节的前提下，又不会对单片机的处理带来过大的负担，经过软件算法的优化，图像处理后输出帧率仍能稳定达 到 110 帧以上。12第三章 机械结构的设计与调整摄像头的安装也是非常重要的，合理的安装方式会得到便于处理的优质图像。 根据竞赛对摄像头的安装要求，我们最终将摄像头安装于舵机之后，主控板之前。 有效前瞻可以达到四米以上。效果如图 3-6 图 3-6 摄像头的安装 3.3.2 电感的安装由于断路元

27、素的存在，所以加装电感是必然的，而又因为规则中对车模的长度限制，所以电感的有效前瞻只有几厘米，在安装时又要尽量避免对摄像头的影响，所以最终安装位置如图。在不影响摄像头的前提下，尽量提高电感的安装高度会提高一些灵敏度。在这里我们选择了四电感的方案。 13第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 3-7 电感安装效果 3.3.3 测距传感器的选择由于赛道中存在横断障碍元素，所以加装测距传感器也是十分必要的，在这 里我们选择了超声波作为测距传感器，对比激光以及红外测距等方案，超声波不 会受到光线的干扰，测距较为稳定。图 3-8 是 US-100 超声波模块，其内部自带 温度补偿，测距稳定精准。图

28、3-8 US-100 超声波模块 14第三章 机械结构的设计与调整3.3.4 编码器的安装速度传感器采用了目前比较主流的 MINI512 线编码器，512 线的精度足以满足智能车的控制需求。在接线时，直接插在主控板上，以减少不稳定性因素的出 现。在安装编码器的时候要保证有合适的齿轮咬合。此种咬合完美的原则是：两 个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；传动部分要轻松、顺畅，容易转动。车轮咬合大概在齿轮齿长 度的三分之二至四分之三左右，调整判断依据是电机转动时不会有碰撞类的杂音， 手动转动时不会过紧，并且两齿轮在转动时不会有间隙。安装调整效果如图

29、3-9所示：图 3-9 编码器的安装 3.4 车模整体调整主板安装尽量贴近车模底盘以降低重心，电池使用两节 18650 锂电池，重量轻，体积小。固定于车模后半部，使车模整体重心处于中间靠后，使前后轮的压力合理，摩擦力合理，利于车模高速运行时的速度方向控制。车模组装如图所示： 15第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 3-10 车模整体调整效果图 16第四章 硬件电路设计及实现4.1 硬件设计方案硬件设计时，性能及可靠性是第一要求，本系统对电路设计都有相应的理论 计算与实际测试，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，驱动电源地与数字电路部分地进行有效分隔，避免

30、干扰。经过三次 重大改进，本系统工作的可靠性达到了设计要求，整体布局设计化繁为简，减轻 了重量和体积，同时兼顾了简洁美观与安装的方便。 系统硬件电路主要由以下几个部分构成： K60最小系统、电源电路（12V、6V、5V以及3V3稳压电路）、运放电路、 传感器接口、人机交互电路、电机驱动电路以及其他外设接口电路。 主板实物图如下图 4-1 所示。 图 4-1主板实物图 17第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告4.2 电源部分4.2.1 电源入口电路整个车模由 7.4V 电池提供总电源，加以总电源开关、驱动电源开关、电源 指示 LED、稳压电容以及电量检测接口。 图 4-2 电源入口电路 稳压电

31、路为智能车系统的主控芯片及其他各模块提供所需要的电源，是整个 智能车硬件部分的关键。设计中，除了需要考虑电压的范围和电流容量等基本参 数外，还要在电源转换效率，降低噪声，防止干扰和电路简洁方面进行优化。可 靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。由于带动整个小车系统工作的能量均来自一块由 2 颗 3.7V18650 锂电池串联而成的 7.4V 电池，满电电压 8.4V，容量为 2000mAh，自带保护电路。而系统 中各模块所需的工作电压和工作电流各不相同，因此电源模块应该包括多个稳压 电路，将电池电压转换为各个模块所需的电压。18第四章 硬件电路设计及实现4.2.2 5V 稳压电路为了降

32、低电源纹波，本系统考虑使用线性稳压电路。TPS 系列，具有低压差， 低功耗，高效率的特点。其中 5V 稳压芯片 TPS76850 具有很好的稳压效果，与TPS7350 和 LM1117-5 比压差更小，效率更高，带载能力更强，输出电流最大可 达 1A，在考虑后我们选用了 TPS76850 作为 5V 供电电路的电源芯片。该装置设计为具有快速瞬态响应, 10F 电容保持稳定。此组合以合理的成本提供高性能。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。原理图如图 4-3 所 示： 图 4-3 5V 稳压电路 4.2.3 3.3V稳压电路3.3V 电路作为单片机、摄像头以及 LCD 等模块的

33、供电电路，稳定性十分重要。TPS76833 是与 TPS76850 属同系列，同样具有低压差，负载电流大，输出电压精度高的特点。我们选用 TPS76833，稳定的 3.3V 可以使单片机工作稳定。原 理图如图 4-4 所示： 19第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图 4-4 3.3V 稳压电路 4.2.4 6V 稳压电路舵机伺服器 FUTABA S3010 的推荐工作电压为 5V 至 6V，虽然电压越高相应速度越快，不少组别采用加大电容和稳压二极管后与电池电源直接相连，但是 电压太高舵机工作也会不稳定，并且由于与电机驱动电源直接相连，即使在有电 容稳压二极管的作用下，在电机汲取电流较大时，

34、舵机供电电压仍会迅速下降，工作极不稳定。经过实际测试，最终选择了 AS1015 芯片，经过参数调节，将电 压稳定在 6.2V 左右，实际测试舵机相应速度快并且稳定。AS1015 是降压型 DC-DC 转换器，输出电流可达 5A， AS1015 的输入电压范围为 3.6V-23 V，并且提供了可调输出电压范围从 0.8V 到 Vin。由于“内源功率 MOSFET”的低漏源电阻，AS1015 提供了一个高效率的降压应用。并且与 LM2596-ADJ 相比，AS1015能负 38KG 大力舵机，AS1015 电压一直保持在 6V 以上，LM2596-ADJ 则会降到 4.5V 左右，压降相对更小比较

35、小。电路的设计原理如图 4-5 所示。20第四章 硬件电路设计及实现图 4-56V 稳压电路图 4.2.5 12V 升压电路由于 HIP4082IB 全桥驱动芯片的额定工作电压为 12V，本系统选取 B0512S-1W 芯片。它具有体积小效率高达，小型 SIP/DIP 封装，功率密度高，温度特性好，无需外加元器件的优点，专门针对线路板上分布式电源系统中需要产生一组与输入电源隔离的电源的应用场合设计的适用于 MOS 电机驱动电路。原理图如图 4-6 所示： 图 4-6 12V 稳压模块电路 21第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告4.3 运放电路运放电路采用了 OPA2350UA 精密放大器。

36、OPA2350 系列的轨到轨 CMOS运算放大器为低电压，单电源进行了优化。输入输出低噪声，速度快。在本系统 使用两片 OPA2350UA 芯片组成四路运算放大。并且对于运放电路的地与其 他地进行了处理。 图 4-7 运放电路 4.4 驱动电路为了保证驱动电路的性能，提高设计的可靠性，我们选用了 74HC08 作为隔离芯片，HIP4082IBZT 作为驱动芯片。在比赛中使用较多的 MOS 管 LR7843。HIP4082 是一个中等频 H 桥、N 沟道 MOSFET 驱动器 IC 针对 PWM、电机、控制和 UPS 应用，提出了一种桥式的设计方案，即简单的、灵活的，即 HIP4082H桥驱动程

37、序。对于 HIP4082，它有一个灵活的输入协议，用于驱动每一个可能的 开关组合。HIP4072 的“减速驱动”电流允许较小的封装，开关频率为 200 kHz。 22第四章 硬件电路设计及实现我们使用了 2 片HIP4082 控制 8 片LR7843 来驱动C 车的两个电机，一片 74LS08作为输入信号的缓冲隔离，可以实现电机的正、反转控制，通道 0%-100%占空比控制，工作频率可达 200KHZ 以上，MOS 采用大功率耐电压电流冲击型行，内阻 3m，理论最大允许电流 160A。MOS 电机驱动原理图如图 4-4 所示： 图 4-8 电机驱动电路 4.5 舵机信号隔离电路本系统用 6N1

38、37 高速光电耦合器来将单片机输送给舵机的信号进行隔离。6N137 特性：23第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告转换速率高达 10MBit/s;摆率高达 10kV/us;扇出系数为 8;逻辑电平输出;集电极开路输出;工作参数：最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流， 高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高)：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL 负载)：8 个(最多)工作温度范围：-40C to+85C典型应用：高速数字开关，马达控制系统和 A/D 转换等。图 4-9 光耦隔离电路 4.6 人机交互部分现场调试过程中，往往根据实际情况

39、需要实时观察图像和各种数据以及对各 种参数进行调整和修改，因此在主板上加上 LCD 显示、按键等是十分必要的。显示部分选用的是 1.77 英寸 160*128 分辨率的彩色 LCD，观察图像以及设置参数十分方便。另设有五向按键以及一个轻触按键来作为人机交互的输入控制。并 设有一个 有源蜂鸣器。原理图如图 4-6 所示：24第四章 硬件电路设计及实现图 4-10 人机交互部分原理图 4.7 外设接口其他外设包括无线通讯模块、超声波、摄像头、电感等其他外设的接口及预 留等。25第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 4-11外设接口电路 26第五章 软件系统设计与实现高效稳定的软件是智能车平稳

40、快速移动的基础。图像采集处理就成了整个软 件的核心内容。而 MCU 处理速度有限，如何高效提取所需的赛道信息和利用有限 的计算资源来完成车体速度和方向的控制就成了我们研究的核心内容。经过不断的尝试和改进，本设计采用了几种有效的方案，充分利用了 MCU 的计算资源。在 智能车的速度和方向控制方面，本系统使用了鲁棒性很好的经典 PID 控制算法， 配合使用理论计算和实际参数补偿的办法，使智能车达到了运行快速而稳定的效 果。并且自行设计了一套人机交互系统，用以提高调试效率以及比赛时的灵活性。 5.1 软件结构软件系统主要分数据处理部分、元素判断部分、元素处理部分、控制部分以 及人机交互五大部分。其中

41、控制部分在定时中断中定时调用以达到对车模的精准 定时控制。摄像头和电感的数据采集及其处理部分在主循环中一直被循环执行。测距以及测速部分程序也在定时中断中定时执行。人机交互部分放在主循环中被 选择性执行。以此合理的高效的使用单片机的资源。27第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告滑动滤波图像处理速度计算距离计算赛道检测判断处理图 5-1 软件结构图5.2 图像分析与处理5.2.1 图像预处理图像采用的是 MT9V032 数字摄像头输出的分辨率为 160*70 的灰度图像。1.灰度图像转二值化图像MT9V032 数字摄像头输出的是灰度图像，为了更加便捷的处理使用，所以将灰度图像转换为二值化图像，原

42、使用过 OTSU 算法，经实验证明效果并不好， 之后改用 Reberts 算子，效果较好，并能够削弱一些光线对图像的影响。Reberts算子利用对角方向相邻两像素之差作为衡量标准，其计算方法如下： 28速度控制方向控制人机交互超声波编码器摄像头电感第五章 软件系统设计及实现2.中线提取由于赛道的边线是连续的，所以中线是由中间点自下而上逐行扫描。尽管使 用的是 160*70 的图像，但近处底部约 10 行无太大意义，顶部 10 行左右图像噪点过多，并且已经在 2 米左右，所以也无需提取信息。故扫描自从底部 60 行至 顶部 10 从上一行的中心向两边扫描，直到三个连续的白点出现，记录黑白跳变点点

43、位置。从而达到能良好的跟随边线的效果。这种扫描有以下几种情况 （1）两侧不丢线，则将跳变点横坐标加和除二，得到中点横坐标；（2）单侧丢线，若非特殊元素一般在大弯道会出现这种情况，我们采用边线 补以赛道的固定半宽的方法求得中线，并根据对弯道的行驶路径的选择优化进行 相应的调整；（3）两侧丢线，默认在非特殊元素的情况下，中线直接赋值为 80，若是特殊 元素如十字，我们对其进行了特殊处理，详情见下文。 至此我们的初代中线数组已经得到，但是这并不能用来直接控制方向。在进 行特殊元素的识别处理后，系统还会对原有中线进行调整，即补线。尤其如环岛、 十字这种特殊元素。补线以后，为了得到平滑无断点无跳变点的中

44、线，我们还对 其进行了滤波。滤波方法采用指数式加权平均法，该方法实际上是通过对当前数 29第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告据和前若干个数据进行的加权平均得到一系列新的较为平滑的数据，从而得到本 行中线。最终我们得到了可以进行方向控制的平滑的中线。3.基础信息提取为了辅助图像处理及车模控制，我们还进行了图像的一些基础信息的提取。其中包括对赛道边线长度的记录以及是否是直线的判断和赛道的宽度等。这些有效的基础信息为特殊元素的处理提供了良好的基础。5.2.2 弯道处理由于图像存在梯形失真，所以采用丢线补固定赛道半宽的方法，在弯道时，问题暴露明显。原有的直道半宽并不适用于弯道，适用简单的补固定半宽

45、的方法 所得中线并不与弯道曲率成正比。所以，为了调整过弯路径，我们又在其基础之 上，根据弯道曲率，进行了赛道宽度补偿，从而得到一条最优的过弯路径。5.2.3 特殊元素的检测及处理由于今年光电组别需处理的特殊元素在往年的基础上又增加上了断路和障 碍元素导致今年处理的难度更大。主要处理的元素有坡道、断路、环岛、障碍、停车线。本届比赛新增了断路元素，经实测图形在远处时与停车线即为相似，所 以使用了干簧管检测终点线。1.断路检测与处理：断路是本届新增的元素，这里我们处理了两种情况下的断路。第一种是直道 上出现断路，这种情况在图像上的特点较易区分。我们检测赛道顶部边线的位置 并判断边线是否连续。若边线连

46、续并且位置较近，成立直道断路标志。第二种当 弯道上出现断路的处理，由于弯道上出现断路会出现特征及其明显的三角形图像， 所以我们检测三角形并判断三角形所处的位置。当断路标识成立时，断路的准备工作完成，立即开始减速，当速度达到断路 设定速度后，关闭所有图像元素的检测和处理，切换为电感控制方向，当车模行 30第五章 软件系统设计及实现驶至白色赛道后，清除相关标志位。由于摄像头输出的是灰度图像，可以使用灰 度值的黑白来判断是否进入了白色 PVC 赛道。当车模行驶到白色赛道后，清除标志的同时维持断路的行驶速度，行驶过一米后开始恢复到正常行驶速度，这样 车模运行的路径会更好行驶更为顺畅，至此断路元素处理结

47、束。图 5-2 直道断路图 5-3 弯道断路31第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告2.环岛检测与处理：环岛是上届比赛保留下的元素，特征还是比较明显。我们通过提取环岛近处 入口、中心圆切点、远处入口这三个特征点来识别环岛，同时判断车相对于环岛 的位置。为了增强程序识别的准确性，几乎所有的判断都是连续判断。当程序检 测到符合环岛第一特征点时，并且丢失，或符合第一特征点丢失之后的特征时，进行第二特征点的寻找，当第二特征点被找到后立即进行第三特征点的寻找。当 三特征点都找到后，则判定为环岛。若第一特征点找到以后，一定时间内没有找 到第二特征点时，即判定为误判，清标志位及特征点坐标。其余特征点以此类

48、推。 利用图像的一些基础信息来判断车模在进入环岛前相对于环岛的位置，当车模到达预定入环岛位置时，进行入环岛的相应处理。进入环岛时采用巡线的方式，若是左环岛，则进入时巡左边线行驶。当进入 环岛以后，此时赛道与普通弯道并无区别，所以切换巡右边线行驶。如若一直巡 左边线行驶，由于小环岛内侧必然会丢线，导致车模实际上一直以固定的转向角 度行驶，极不稳定。当检测到出口时，则进再切换巡左边线行驶，当右边线变为 连续直线时，为避免出环岛路过环岛入口时车模会发生抖动，所以再次切换巡右 边线行驶。直至环岛第三特征点再次被检测到退出环岛，正常行驶。图 5-4 环岛预判断32第五章 软件系统设计及实现图 5-5 环

49、岛入口补线图 5-6 环岛出口补线3.障碍判断与处理：障碍的图像特征与断路一致，所以图像的判断归在一起，只是在图像判断的基础上使用超声波模块检测并判断距离，以此区分障碍和断路。33第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图 5-7 障碍4.十字与坡道：十字与坡道的处理相对简单。由于使用了指数式加权平均处理了中线所以在 十字一般无需处理。坡道的处理是有必要的，否则会导致车模上坡后，控制行已经不再赛道上，方向处于失控状态，十分危险。坡道的识别主要根据赛道的宽度变化，但要注意 的是对大小各种尺寸的坡道的兼容，以及坡道所放置位置的兼容，如弯道前后。图 5-8 十字对中线处理效果34第五章 软件系统设计及

50、实现图 5-9 坡道处理5.3 车模运行控制5.3.1 方向控制由于车模行驶不需要考虑车模之前运行的路线，所以在方向环控制上，舍弃 了 I 的作用。 车模高速稳定的运行离不开舵机的及时响应。所以首先方向的控制周期要合理把控。 由于前期图像处理对弯道中线的特殊补偿，以及由于我们的强化了差速对方向控制的辅助，并加入了动态前瞻，最终通过对动态二次 P 以 及模糊控制的对比测试，我们发现单次 PD 足以满足控制需求，并且车模运行高 速稳定流畅。PD 参数整定采用试凑法，过程为先对比例系数 P 值进行调整，由小至大，理论上观察相应的系统响应曲线，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 实际上观察车模在不同曲率的弯道舵机打脚是否平滑连续并且路径较好。随后加入微分 D，由小至大，观察其舵机响应速度快，并且无超调无抖动，路径好则参 数合适。最终得到最佳的方向 PD 参数。代码如下。 35第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图 5-10 方向环代码5.3.2 速度控制(1) 位置式 PID 控制算法De(k ) = e(k ) - e(k -1)基本 PID 控制器的理想算式为de(t) dt1tu(t) = K e(t)+ e(t)dt +TdpT0（2）增量式 PID 控制算法 增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量 u(k)。采用增量式算法