西安交通大学星光队技术报告
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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：西安交通大学
队伍名称：星光队 参赛队员：孟长号 梁绍一 鞠 雯 带队老师：刘小勇 昝鑫
I
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：
II
摘
要
本文在第五届“飞思卡尔”杯全国大学社工智能汽车竞赛的背景下，在 CodeWarrior IDE 开发环境中对智能车进行软件开发，通过一个 CMOS 摄像头进 行赛道图像的采集，利用图像处理算法提取出赛道黑色引导线位置。之后根据 引导线的趋势变化，给出舵机和电机控制，并采用光电编码器检测智能车当前 的车轮转速给以反馈，使智能车可以沿着黑色引导线疾速行驶。 智能车系统主要由核心板，电源驱动，电机驱动，舵机驱动，图像采集模 块，速度反馈模块组成。由一片飞思卡尔公司的 16 位单片机 MC9S12XS128 作 为控制核心，结合图像的识别与处理，通过控制算法驱动转向机构与行驶机构， 达到稳定且快速行驶的目的。本文详细叙述了智能车系统各个模块子系统的原 理，设计目标，设计方法与过程，以及其所发挥的作用。主要分为机械结构设 计，硬件电路设计和软件系统设计三大部分。为了提高智能汽车的行驶速度和 可靠性，我们对比了各种方案的优缺点，开发了 SD 卡模块，能完整的记录下小 车运行时的所有中间变量，极大地方便了调试。 实验结果表明，我们的智能车系统设计方案稳定可行，机械结构与控制算 法经过长时间的调试均达到优化的状态，系统的鲁棒性较强。经测试，目前智 能车可以稳定的完成一段路况复杂的赛道， 平均速度达到 2.5m/s， 极速达到 6m/s。 运行稳定，达到了设计目标。
V
第一章 引言
1.1 课题背景
自从1976年八位微处理器由美国通用汽车公司成功地应用于汽车发动机控
制系统后[1]，随着科技水平的不断提高，十六位、三十二位等微处理器便逐步开 始应用于发动机、速度控制和故障诊断中。计算机技术、控制技术被广泛的应 用于汽车身上，使得其功能得到了不断的拓展和延伸。现代汽车的基本特征正 逐步向电子化、智能化转移。 为了提高车辆的自主控制与驾驶，使车辆行驶变得更加安全高效，需要对 车辆智能化技术进行不断的研究和开发，对智能化车辆控制系统进行不断的完 善。这样做相当于使驾驶员的控制与感官得到了扩展和延伸。用技术来弥补人 为因素的缺陷是智能车辆的一个主要特点。 智能汽车上面装有很多相当于汽车的“眼睛”和“大脑”的摄像机和计算 机。这些装置上都具有自动操作系统，用来进行感知环境、规划道路决策、辅 助驾驶控制等多种操作。这些装置使得汽车可以自己独立的进行思考与判断。 智能车作为一个高新技术集成体，主要集中运用了现代的一些高新技术， 例如计算机、信息融合、人工智能及自动控制等。如何提高汽车的安全性以及 舒适性，并且提供良好的人性化的人车交互界面，是目前对智能车辆研究的主 要方向。近年来，智能汽车已经被许多发达国家纳入到了各自的重点发展智能 交通系统当中，它己经当之无愧的成为了世界汽车工业领域研究的新热点和新 动力。 从 20 世纪 70 年代起，无人驾驶汽车这项技术就开始被美国等一些发达国 家深入研究以及广泛应用。为了促进无人驾驶技术的研发，激励大家交流与创 新智能车技术，各个国家都纷纷开展了各项活动。美国从 2004 年起开始举办汽 车挑战大赛，该比赛要求参赛的车辆能够独立自主的完成全部路程。之后，德 国也于 2006 年举办了欧洲陆地机器人竞赛，获得当时第一名的是德国一个名叫 “途锐”的参赛车辆，该车能够自主的分析行人和树木，从而完成赛程，不过
关 键 词：智能车；MC9S12XS128；传感器；PID 控制
III
目
录
第一章 引言 ................................................................. 1 1.1 课题背景 ............................................................. 1 1.2 飞思卡尔智能车大赛介绍 ............................................... 2 1.3 章节安排 ............................................................ 4 第二章 机械结构设计与实现 .................................................. 5 2.1 摄像头的架设 ......................................................... 5 2.2 车轮定位 ............................................................ 6 2.3 舵机架设 ............................................................. 7 2.4 差速的调整 ........................................................... 8 2.5 测速机构设计 ......................................................... 8 2.6 智能车主要技术参数说明 ............................................. 10 2.7 本章小结 ............................................................ 10 第三章 硬件电路系统的设计与实现 ........................................... 11 3.1 智能车系统设计方案 ................................................. 11 3.2 MC9S12XS128 简介 .................................................... 11 3.3 最小系统板 .......................................................... 13 3.4 电源模块 ........................................................... 14 3.5 电机驱动模块 ....................................................... 15 3.6 图像采集模块 ....................................................... 18 3.6.1 CMOS 图像传感器 ............................................... 18 3.6.2 图像采集方案 .................................................. 18 3.6.3 图像采集原理 .................................................. 20 3.6.4 摄像头信号的读取 ............................................. 21 3.7 舵机模块 ........................................................... 22 3.7.1 伺服马达内部结构 ............................................. 22 3.7.2 舵机模块的控制 ............................................... 23 3.8 速度反馈模块 ....................................................... 23 3.9 本章小结 ........................................................... 24 第四章 软件系统的设计与实现 ................................................ 26 4.1 图像预处理 ......................................................... 26 4.2 透视变换 ............................................................ 26 4.3 滤波算法 ............................................................ 30 4.4 确定赛道类型 ....................................................... 33 4.4.1 赛道类型 ..................................................... 33 4.4.2 赛道类型判别 ................................................. 34 IV
4.4.3 路径优化问题 .................................................. 35 4.4.4 起始线识别 ................................................... 37 4.5 控制策略 ........................................................... 37 4.5.1 PID 控制思想 .................................................. 37 4.5.2 速度控制策略 .................................................. 39 4.5.3 方向控制策略 ................................................. 41 4.6 本章小结 ........................................................... 43 第五章 开发环境与调试工具介绍 .............................................. 44 5.1 开发环境介绍 ....................................................... 44 5.2 SD 卡及 Matlab 调试 ................................................. 46 49 5.3 赛道制作 .......................................................... 47 第六章 结论与展望 ........................................................ 致 谢 ....................................................................... I 参考文献 ................................................................... II 附 录 .................................................................... III
学
校：西安交通大学
队伍名称：星光队 参赛队员：孟长号 梁绍一 鞠 雯 带队老师：刘小勇 昝鑫
I
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：
II
摘
要
本文在第五届“飞思卡尔”杯全国大学社工智能汽车竞赛的背景下，在 CodeWarrior IDE 开发环境中对智能车进行软件开发，通过一个 CMOS 摄像头进 行赛道图像的采集，利用图像处理算法提取出赛道黑色引导线位置。之后根据 引导线的趋势变化，给出舵机和电机控制，并采用光电编码器检测智能车当前 的车轮转速给以反馈，使智能车可以沿着黑色引导线疾速行驶。 智能车系统主要由核心板，电源驱动，电机驱动，舵机驱动，图像采集模 块，速度反馈模块组成。由一片飞思卡尔公司的 16 位单片机 MC9S12XS128 作 为控制核心，结合图像的识别与处理，通过控制算法驱动转向机构与行驶机构， 达到稳定且快速行驶的目的。本文详细叙述了智能车系统各个模块子系统的原 理，设计目标，设计方法与过程，以及其所发挥的作用。主要分为机械结构设 计，硬件电路设计和软件系统设计三大部分。为了提高智能汽车的行驶速度和 可靠性，我们对比了各种方案的优缺点，开发了 SD 卡模块，能完整的记录下小 车运行时的所有中间变量，极大地方便了调试。 实验结果表明，我们的智能车系统设计方案稳定可行，机械结构与控制算 法经过长时间的调试均达到优化的状态，系统的鲁棒性较强。经测试，目前智 能车可以稳定的完成一段路况复杂的赛道， 平均速度达到 2.5m/s， 极速达到 6m/s。 运行稳定，达到了设计目标。
V
第一章 引言
1.1 课题背景
自从1976年八位微处理器由美国通用汽车公司成功地应用于汽车发动机控
制系统后[1]，随着科技水平的不断提高，十六位、三十二位等微处理器便逐步开 始应用于发动机、速度控制和故障诊断中。计算机技术、控制技术被广泛的应 用于汽车身上，使得其功能得到了不断的拓展和延伸。现代汽车的基本特征正 逐步向电子化、智能化转移。 为了提高车辆的自主控制与驾驶，使车辆行驶变得更加安全高效，需要对 车辆智能化技术进行不断的研究和开发，对智能化车辆控制系统进行不断的完 善。这样做相当于使驾驶员的控制与感官得到了扩展和延伸。用技术来弥补人 为因素的缺陷是智能车辆的一个主要特点。 智能汽车上面装有很多相当于汽车的“眼睛”和“大脑”的摄像机和计算 机。这些装置上都具有自动操作系统，用来进行感知环境、规划道路决策、辅 助驾驶控制等多种操作。这些装置使得汽车可以自己独立的进行思考与判断。 智能车作为一个高新技术集成体，主要集中运用了现代的一些高新技术， 例如计算机、信息融合、人工智能及自动控制等。如何提高汽车的安全性以及 舒适性，并且提供良好的人性化的人车交互界面，是目前对智能车辆研究的主 要方向。近年来，智能汽车已经被许多发达国家纳入到了各自的重点发展智能 交通系统当中，它己经当之无愧的成为了世界汽车工业领域研究的新热点和新 动力。 从 20 世纪 70 年代起，无人驾驶汽车这项技术就开始被美国等一些发达国 家深入研究以及广泛应用。为了促进无人驾驶技术的研发，激励大家交流与创 新智能车技术，各个国家都纷纷开展了各项活动。美国从 2004 年起开始举办汽 车挑战大赛，该比赛要求参赛的车辆能够独立自主的完成全部路程。之后，德 国也于 2006 年举办了欧洲陆地机器人竞赛，获得当时第一名的是德国一个名叫 “途锐”的参赛车辆，该车能够自主的分析行人和树木，从而完成赛程，不过
关 键 词：智能车；MC9S12XS128；传感器；PID 控制
III
目
录
第一章 引言 ................................................................. 1 1.1 课题背景 ............................................................. 1 1.2 飞思卡尔智能车大赛介绍 ............................................... 2 1.3 章节安排 ............................................................ 4 第二章 机械结构设计与实现 .................................................. 5 2.1 摄像头的架设 ......................................................... 5 2.2 车轮定位 ............................................................ 6 2.3 舵机架设 ............................................................. 7 2.4 差速的调整 ........................................................... 8 2.5 测速机构设计 ......................................................... 8 2.6 智能车主要技术参数说明 ............................................. 10 2.7 本章小结 ............................................................ 10 第三章 硬件电路系统的设计与实现 ........................................... 11 3.1 智能车系统设计方案 ................................................. 11 3.2 MC9S12XS128 简介 .................................................... 11 3.3 最小系统板 .......................................................... 13 3.4 电源模块 ........................................................... 14 3.5 电机驱动模块 ....................................................... 15 3.6 图像采集模块 ....................................................... 18 3.6.1 CMOS 图像传感器 ............................................... 18 3.6.2 图像采集方案 .................................................. 18 3.6.3 图像采集原理 .................................................. 20 3.6.4 摄像头信号的读取 ............................................. 21 3.7 舵机模块 ........................................................... 22 3.7.1 伺服马达内部结构 ............................................. 22 3.7.2 舵机模块的控制 ............................................... 23 3.8 速度反馈模块 ....................................................... 23 3.9 本章小结 ........................................................... 24 第四章 软件系统的设计与实现 ................................................ 26 4.1 图像预处理 ......................................................... 26 4.2 透视变换 ............................................................ 26 4.3 滤波算法 ............................................................ 30 4.4 确定赛道类型 ....................................................... 33 4.4.1 赛道类型 ..................................................... 33 4.4.2 赛道类型判别 ................................................. 34 IV
4.4.3 路径优化问题 .................................................. 35 4.4.4 起始线识别 ................................................... 37 4.5 控制策略 ........................................................... 37 4.5.1 PID 控制思想 .................................................. 37 4.5.2 速度控制策略 .................................................. 39 4.5.3 方向控制策略 ................................................. 41 4.6 本章小结 ........................................................... 43 第五章 开发环境与调试工具介绍 .............................................. 44 5.1 开发环境介绍 ....................................................... 44 5.2 SD 卡及 Matlab 调试 ................................................. 46 49 5.3 赛道制作 .......................................................... 47 第六章 结论与展望 ........................................................ 致 谢 ....................................................................... I 参考文献 ................................................................... II 附 录 .................................................................... III