东华大学开题报告

毕业设计（论文）开题报告

课题名称：飞思卡尔杯智能汽车竞赛

机械系统与道路识别软件设计

学院：机械工程学院

专业：机械工程及自动化

姓名： __ 学号：

指导教师：

二0一三年一月十五日

飞思卡尔杯智能汽车竞赛

机械系统与道路识别软件设计

一、背景介绍

1.1研究背景

当今世界，科技日新月异，生活丰富多彩，汽车早已走进了大众生活，作为一种交通工具，是人们出行的第一选择，汽车行业也是国家经济发展的重要组成部分。近些年，伴随着控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等学科知识的发展，智能汽车已经成为当今汽车行业研究发展的一个重要方向。为此，与之相关的各类智能汽车竞赛也应运而生，而影响最为深远的便是飞思卡尔杯智能汽车竞赛（全国大学生智能汽车竞赛）。

飞思卡尔杯智能汽车竞赛是教育部举办的九大赛事之一（其中还包括大学生数学建模竞赛、电子设计竞赛、机械设计竞赛、结构设计竞赛、挑战杯、MEMS 传感器应用大赛、物流设计大赛、英语竞赛），是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为指导思想，以智能汽车为竞赛平台的多学科专业交叉的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性的工程实践活动，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，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。智能汽车竞赛在我国已经成功举办七届，今年第八届竞赛将在哈尔滨工业大学举办。

该竞赛分竞速赛、创意赛和技术方案竞赛三类比赛。竞速赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制模块（Kinetis 、ColdFire等系列），自主构思控制方案进行系统设计，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软件开发等，制作一部能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。大赛根据道路检测方案不同分为电磁、光电平衡与摄像头三个赛题组。使用四轮车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组；使用四轮车模通过采集赛道图像（一维、二维）或者连续扫描赛道反射点的方式进行进行路经检测的属于摄像头组；使用指定两轮车模保持车体直立行走的车模

属于平衡组。

为加强大学生实践能力、创新能力和团队精神的培养，我校机械学院将于今年第一次派出代表队参加第八届全国智能汽车竞赛。作为摄像头组代表队，在运用本科期间所学控制、电子、电气、计算机、机械以及比赛相关的模式识别、传感技术等知识下，将分别就机械结构、硬件设计、软件编写、控制系统等方面进行思考设计，本课题将重点就机械系统与道路识别两方面进行研究。

1.2研究意义

（1）飞思卡尔杯智能汽车竞赛作为教育部支持的九大科技人文竞赛之一，属于高级别、有难度、有挑战的大型比赛，参加这样的比赛，对于学生关于专业知识的学习、合作能力的加强、人文素质的培养大有裨益，同时对于所在院系、学校，也是一个展示软实力、强化学生素质培养的一个好途径；

（2）充分利用所学和所需知识，在对智能车模型进行机械结构分析、传动机构研究、行驶状况观察后，在可行范围内，就直流驱动电机传动机构设计、舵机控制机构与安装方式、光电编码器、摄像头、光电管与PCB板电路系统等安装位置等机械相关工艺进行研究与改进，对各种机构的传动方案进行计算、比较、实验，选择合适的、最优的传动方案，同时，就车模运行过程中重心的位置（主要是前后和高低）与车速、舵机转向等之间的关系研究，探寻诸多因素影响下车如何平稳、快速的行驶，防止侧翻，如何在车行驶中就速度和稳定性寻求最优配合关系，这些研究方向与结果对于日后参加比赛的学生有参考意义，同时对于现实生活中的汽车生产、驾驶、安全等相关方面有实际意义；

（3）汽车智能化已经成为当代汽车发展的一个重要课题，利用传感器采集信号、汽车电子电气传递信号、微控制器处理信号与传递控制指令、控制电机和舵机等，运用图像二值化技术、单片机系统、PID控制与模糊控制、PWM控制等方式，实现对模型车的智能控制，对于现实生活中，关于汽车预警、导航、安全驾驶等方面有实际参考与借鉴意义。

1.3应用前景

（1）通过对机械结构的优化、传动机构的改进、车体重心位置与速度关系的分析、各主要部件安装位置与工艺的选择等，在保证车快速行驶的情况下，保持车的稳定性与准确性，力争在参加智能汽车竞赛中取得理想成绩；

（2）课题研究中的机械结构优化、传动方案改进、控制系统设计、信号采集处理、汽车运动与安全等相关成果与结论可以衍伸到现实生活中的汽车设计、制造、驾驶等方面；

（3）通过参加比赛获得的关于传感技术、电子电气、控制系统、机械结构、运动学等知识、技能与经验，可以应用于今后的科研与工作中，实现知识的传递与贯通。

二、国内研究现状

汽车智能化研究已经成为现今汽车发展的一个重要方向，仅现在已经用于汽车内部的智能化就已经有很多，比如智能导航、倒车警报、车门和安全带警报等，本文主要就智能车竞赛为出发点探讨智能车国内研究现状。

在智能汽车竞赛方面，国内正规的竞赛就有飞思卡尔杯智能汽车竞赛、瑞萨智能车比赛、全国电子设计大赛等，其他林林总总的各种以智能车为平台的竞赛更是数不胜数，可见智能车研究已经发展为一种社会现象。

对于国内研究现状分析，首先，就近几年国内各项竞赛的情况来看，智能车制作主要集中在硬件电路的制作和软件程序以及算法的设计，关于机械结构的研究比较匮乏，主要原因在于车模较小，结构较为简单，质量较轻，重心比较低，一般参赛队伍都会放弃对机械部分的研究。

其次，在对于控制算法的研究，普遍局限于PID控制或者PID矫正控制，对于国外研究较多的模糊控制、棒棒控制、PWM控制等研究较少。

本课题本着开拓创新的宗旨，将把重点放在机械结构优化、控制算法和道路识别系统设计上，力争在这些领域可以做出研究。本课题研究机械部分，通过优化电机传动机构、改进舵机控制结构与安装方式、调整底盘高度和轮胎内（外）束角、赛车整体重心位置确定等多方面考虑，使小车可以行驶更平稳、更快速。软件部分，运用摄像头图像处理技术、道路识别技术以及控制技术，完成道路系统软件设计，并与系统底层软件有机结合，达到正式比赛控制要求，把整个系统安装在智能车上，完成软件系统的调试。

三、课题研究内容

学习和掌握飞思卡尔32位智能车比赛用单片机芯片，研究飞思卡尔32位智能车摄像头硬件系统组成，完成智能车三维造型设计，优化传动与驱动系统结构，