飞思卡尔论文 第三届(OV7620+MOSFET)东华大学Direct_Speed技术报告

第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告学校：东华大学队伍名称： Direct Speed参赛队员：张乐、欧阳文斌、赵祖云带队教师：曾培峰、唐莉萍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三届“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：目录第一章引言 (1)第二章模型车设计思路及技术方案 (2)2.1 设计要求 (2)2.2 总体方案 (2)2.3 模型车技术方案概要 (3)2.3.1 CCD传感器设计方案 (3)2.3.2 控制算法设计方案 (4)第三章模型车硬件部分安装 (5)3.1 前轮倾角的调整 (5)3.2 齿轮传动机构调整 (6)3.3 CCD传感器的安装 (6)3.4 舵机安装 (8)3.5 光电编码器安装 (8)第四章电路设计说明 (11)4.1 电源模块设计 (11)4.2 电机驱动电路设计 (12)4.3 核心控制模块设计 (13)第五章图象处理算法 (14)5.1 图像采集 (14)5.1.1 摄像头工作原理 (14)5.2 图象处理 (15)5.2.1 边缘检测算法 (15)5.2.2 双峰边缘跟踪算法 (15)第六章控制算法 (18)第七章安装与调试 (19)第八章模型车的主要技术参数说明 (22)第九章总结 (23)参考文献 (I)附件程序源代码 ........................................................................................................................... I I第一章引言本文详细介绍了东华大学Direct Speed 队员们在准备第三届“飞思卡尔”智能车竞赛中的工作成果。

智能车采用MC9SDP512为小车核心处理器，以CodeWarrior 4.6为软件开发平台。

文中介绍了小车的硬件环境搭建，软件开发流程以及调试小车性能手段。

整个系统涉及车模的硬件整体布局、机械结构调整、图象处理、控制算法以及策略选择等多个方面。

为对比各个方案的优缺点，利用Plastid2仿真平台进行了大量底层和上层测试，并自行开发了一款CCD图象显示、速度曲线描绘的调试软件，最终成形了现有的系统结构。

本文共八章。

其中第一章为引言部分简述了模型车这套系统的构成，以及软件开发平台，仿真手段。

第二章简单介绍模型车设计制作的主要思路以及整个系统技术方案概要。

第三章介绍模型车的硬件部分安装。

包括了智能车机械结构的调整以及摄像头的安装。

第四章对电路设计进行了说明。

包括电源模块的介绍，电机驱动电路的介绍以及核心控制模块的介绍。

第五章介绍了软件算法核心部分图像处理算法，比较了不同算法的优劣从而选取最优算法。

第六章介绍了智能车的控制算法，比较了不同算法的优劣。

第七章介绍智能车的安装与调试方法，其中分为静态和动态两种调试方法。

第八章列举了智能车的主要技术参数。

第八章对全文做出概括总结。

第二章模型车设计思路及技术方案此智能车以CCD为监测路径首要手段，通过核心处理器MC9SDP512提取图象有效信息，使赛车定位系统能够快速准确地检测跑道路径，并给予电机和舵机合理的控制信息，使智能车在比赛中以快速平稳地完成赛程。

整个智能车系统是一个有机的整体，机械结构的调整，底层硬件的搭建以及软件的控制流程都对智能车的性能有着重要的影响。

底层硬件是智能车的基本，通过合理的搭建电路，有效的整体布局，对于智能车高速稳定的运行可谓是先决条件。

硬件电路设计时的抗干扰性，电路整体闭环反馈控制这些都为智能车提供了较好的硬件平台。

与硬件设计一样，软件设计着重考虑了容错性。

图像的抗噪声性能，高效的图象处理，实时的控制算法都是智能车稳定运行的必备条件。

另外有效的PID 算法更好的提升了智能车运行的快速性和稳定性。

2.1 设计要求在比赛中，要求所设计的智能小车具有自动寻迹的功能，能在指定跑道上高速，稳定地运行。

跑道为黑白两色，其背景色为白色，跑道中央有一条黑线作为小车行进的依据。

要求设计的小车是要能沿黑线的正常行驶，并在此基础上，尽量提高小车行驶速度。

当小车在某一时刻读不到黑线时，能通过算法，重新寻找到黑线。

2.2 总体方案本智能车系统采用飞思卡尔公司提供的16位单片机MC9S12DP512作为核心控制单元；采用CMOS－SENSOR作为赛道黑线监测，提取黑线循迹信息；由黑线循迹信息软件控制PWM，产生不同占空比方波，分别对舵机和电机进行控制，实第二章模型车设计思路及技术方案现智能车的转向前进和制动；采用PID算法对电机驱动的加减速进行有效的控制，以调节小车转向和速度；利用光电编码器智能车的速度反馈。

整个系统的概念模型如图2.1所示。

图2.1 智能车整体概念模型2.3 模型车技术方案概要2.3.1 CCD传感器设计方案使用CMOS-SENSOR作路径识别。

使用摄像头的最大优点就是硬件电路简洁，路径前瞻性好，对于路面变化的预判断可以提前控制舵机方向，适合智能车高速运行。

本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，摄像头只需采集灰度图像做二值化处理就可提取路径信息。

此智能车为了提高控制效率，采取了每场处理和控制，相比隔场处理，控制周期缩短了一倍，提高了控制精度。

摄像头同样也存在缺陷，如：前瞻性的提高相对就减少了路面近距离的监测，智能车入弯容易出现盲区不利于控制，前瞻距离大采集图像梯形失真就越明显对于图像算法的要求也就更高。

为弥补上述的不足就必须依靠一套优秀的图象处理算法。

第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告2.3.2 控制算法设计方案在智能车的运行中，方向和速度的控制是核心，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对于智能车的稳定高速有着决定性的作用。

对舵机的控制，要在任何情况下，能给舵机一个合适的打角，保证智能车能始终连贯地沿黑线以最少距离行驶。

对驱动电机的控制（即速度控制），要求智能车在行驶过程中，能高效的加速和减速。

在舵机和电机的控制方案中，有两种控制方法：方案一：比例控制这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到赛道。

比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需复杂的数字计算。

在实际应用中，由于控制量的输出是一个离散值，不能进行精确的控制，容易引起智能车在行使过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。

方案二：PID控制PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节适当的参数可以有效地解决方案一的不足。

不过，P，I，D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。

经过综合考虑，根据比赛规则，赛道模型与相关参数已给定，即小车运行的环境基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数，因此PID为智能车控制的最有选择。

为精确控制速度，对速度实时监控，引入了闭环控制的思想，在硬件设计，增加了光电编码器以实时采集速度信息。

第三章模型车硬件部分安装在任何的控制算法和软件程序都是需要必要硬件机械结构来执行和实现的，所以在设计整个软件架构和算法之前对于车模的机械调整和硬件布局设计是首要任务。

本章的将主要介绍智能车车模的机械特点和硬件布局调整方案。

3.1 前轮倾角的调整调试中发现，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，即前轮定位进行了调整。

前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，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 个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。

主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。

角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，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。

它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后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，前轮稳定性也愈好。

主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。

不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。

前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。

前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面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，这个角度约在1°左右。

第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。

前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。

前轮在滚动时，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会减少。

3.2 齿轮传动机构调整车模后轮采用RS-380SH电机驱动，由竞赛主办方提供。

电机轴与后轮轴之间的传动比为18：76（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。

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，容易转动，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。

调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。

3.3 CCD传感器的安装CCD传感器的安装分由以下几个部分组成：传感器安装高度、传感器俯仰角，以及传感器的架设。

CCD传感器的视野范围与该传感器的安装高度有关,在相同的俯仰角情况下镜头安装高度增大,传感器的视野范围也随之增大,小车的预瞄距离也会相应的增加。

从扩大视场角方面考虑，安装时可以适当增加镜头的安装高度。

但是，第三章 模型车硬件部分安装7随着镜头的升高，图像会变得越模糊，特别是中间的引导黑线，可能会因此而漏掉图像信息。

所以，传感器也不能安装得太高。