南京理工大学紫金学院 摄像头一组

主销内倾角如图2—2—4—1 前轮外倾
前轮旋转平面上略向外倾斜，称为前轮外倾。作用是为了提高转向操纵的轻便性和车 轮行驶的安全性。前轮外倾与主销内倾相配合能使汽车转向轻便。前外倾角一般为 1°。外 倾角不宜过大，否则会使轮胎产生偏磨损。
前轮外倾如图2—2—4—2
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第十届全国大学生智能汽车竞赛技术报告
参赛队员签名：
带队教师签名：
日
期：
2015.8.18
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摘要
本文设计的智能车以飞思卡尔公司的 MK60FN1M0VLQ15 微控制器作为核心控 制单元，通过 CMOS 摄像头检测赛道信息，使用模拟比较器对图像进行硬件二值 化，从而控制智能车的运动。再通过旋转编码器对车速进行实时测量，以及模 糊 PID 控制算法实现智能车电机的闭环控制，为了提高智能车的速度和稳定性， 增加调试效率，使用 VS2010，C#上位机，液晶屏等调试工具，对该系统进行了 一系列的调试，结果证明，该系统方案可行。
第十届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛
技 术 报 告
学校：南京理工大学紫金学院 队伍名称：摄像头一组 参赛队员：季磊 张馨文 钱振耀 带队老师：李盛辉 陈姝君
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关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第十届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关保留、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。
2.2.3摄像头的安装
摄像头我们选用的是OV7725。OV7725 信噪比更高、速度更快、稳定性更好 和微光灵敏度更高，OV系列三十万像素当中成像质量很好的摄像头，野火鹰眼， 是一个硬件二值化摄像头，直接输出二值化图像，一次传输8 个像素，相比与 黑白摄像头一次传输一个像素快8 倍、彩色摄像头两次传输一个像素快16 倍。 摄像头的位置是整车上最高点，为了降低重心，采用了较轻的碳素杆作为
第三章 机械结构设计与实现
3.1 赛车基本参数
本次比赛车模是由东莞市博思电子数码科技有限公司提供的 C 型车模。具体 车模参数如图 3—1 所示。 基本参数 轴距 轮距 车轮宽度 车轮直径 车长 车宽 摄像头高度 传感器种类及个数 新增伺服电机个数 赛道信息监测精度 赛道信息监测频率 尺寸 200mm 135mm 24mm 50mm 275mm 165mm 365mm 摄像头 1 个，测速编码器 1 个 红外检测传感器 2 个 0 5mm 60 次/秒
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第二章 系统总体设计
主销内倾 主销安装到前轴上，且其后上部略向内倾，称为主销内倾，主销内倾的作用 是使车轮转向后能自动回正，且操纵轻便。内倾角一般为 5°~8°。主销后倾与 主销内倾都有使汽车转向后自动回正、保持汽车直线行驶的作用，二者主要的 区别在于主销后倾的回正作用与车速有关，而主销内倾的回正作用与车速无关。 高速时后倾的回正作用大，低速时主要靠内倾的回正作用。直线行驶时车轮偶 尔遇到冲击而偏转时，也主要靠主销内倾的回正作用。
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第二章 系统总体设计
2.1 工作原理
LCD 液晶屏 图像显示
转向控制
舵机
CMOS 摄像头 OV7725
FUTABA3010
图像采集
MK60FN1M0VLQ15
速度采集 编码器 Mini256Z 电机 速度控制 RN-260
2.2 硬件结构
单片机系统从硬件上包括了单片机模块，摄像头模块，电机驱动模块，灯塔接 收模块等。整体效果如图 2—2
1.2 相关文献综述及框架安排
本文的参考文献范围主要是模电，数电，PID 控制以及学做智能车等相关书 籍，另外借鉴了前几届优秀论文和网络上一些视频教学资料。 第二章主要介绍了系统总体设计，包括工作原理，硬件和软件的设计。 第三章介绍了赛车的基本参数如尺寸，功耗等以及智能车机械结构的调整 和组装，包括硬件电路放置的位置和方式以及车身的改造等。 第四章具体介绍了自主设计的几个模块的研究过程和设计方法，有电源模 块，驱动模块，灯塔接收模块等。 第五章介绍了图像处理的各个步骤，包括：图像预处理算法，赛道信息提 取算法，路况判断以及舵机电机控制算法等。 第六章主要是对开发环境的介绍以及软件，硬件的调试方法。
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第十届全国大学生智能汽车竞赛技术报告
支撑，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度， 使摄像头便于拆卸和维修，具有赛场快速保障能力。摄像头安装如图2—2—3.
图2—2—3
2.2.4转向轮定位
所谓车轮定位，就是汽车的每个车轮、转向节和车桥与车架的安装应保持一 定的相对位置。转向轮定位参数有：主销后倾、主销内倾、前轮外倾、前轮前 束4个参数。通常车轮定位主要是指前轮定位，现在也有许多车辆需要进行四轮 定位。作用是保持汽车直线行驶的稳定性，保证汽车转弯时转向轻便，且使转 向轮自动回正，减少轮胎的磨损等。 主销后倾 转向主销倾角是指从车辆正面看在转向轮上转向主销线与铅垂直线的夹角。 主销安装到前轴上，且其后上部略向后倾，称为主销后倾。主销后倾的作用是 保持汽车直线行驶的稳定性，并使汽车转弯后能自动回正。简要的说，后倾角 越大，车速越高，车轮的稳定性越强。但是后倾角过大会造成转向沉重，所以 主销后倾角不宜过大，一般为 2°~3°。现代汽车为了提高行驶速度，普遍采用 扁平低压胎，轮胎变形增加，引起稳定性增加，因此主销后倾角可以减小甚至 接近于零，有的更为负值。
关键词：MK60FN1M0VLQ15 模糊 PID CMOS 摄像头
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目录
摘要.......................................................................Ⅲ 第一章 引言................................................................1 1.1 智能车制作概述..................................................1 1.2 相关文献综述及框架安排.........................................1 第二章 系统总体设计.......................................................2 2.1 工作原理.........................................................2 2.2 硬件结构.........................................................2 2.3 软件结构.........................................................6 第三章 机械结构设计与实现.................................................7 3.1 赛车基本参数.....................................................7 3.2 机械结构调整.....................................................7 第四章 系统硬件电路设计...................................................7 4.2 电源模块.........................................................7 4.5 编码器............................................................8 4.6 电机驱动模块.....................................................9 4.7 灯塔接收模块....................................................10 第五章 图像处理和路况判断设计...........................................11 5.1 图像采集方案设计...............................................11 5.3 赛道信息提取算法设计...........................................12 5.4 路况判断算法设计...............................................12 5.5 舵机控制算法设计...............................................12 5.6 电机控制算法设计...............................................12 第六章 系统调试...........................................................14 6.1 软件调试........................................................14 6.2 硬件调试........................................................16 参考文献...................................................................17 附录：核心算法子程序......................................................18
前轮前束
俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现 象被称为前轮前束。前轮前束的作用是消除车轮外倾引起的前轮“滚锥效应”。
前轮前束如图2—2—4—3
2.3软件结构
系统初始化
控制周 期检测 N
Y 视频采样
速度提取
黑线提取 路径判断
舵机，电机 软件结构如图 2—3 所示
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3.2 机械结构调整
具体机械结构调整在上一章中已有详细介绍，这里就不再赘述。
第四章 系统硬件结构设计
4.1 电源模块
7.2V 电池
稳压 5V
稳压 5V
稳压 5V
供给单片机
供给舵机
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再稳 3.3V 供给液 晶屏，摄像头
图 2—2
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第二章 系统总体设计
2.2.1 舵机结构调整
原装车模的舵机采取卧式安装，由于舵机本身不对称，且原装车模的舵机 安装占用位置较多， 考虑到主板的安装方便以及车模转向性能，我们对舵机安 装结构进行了较大的调整。比赛车模的转向是通过舵机带动左右横拉杆实现。 综合考虑了速度与力矩的关系。最终我们通过实验对比，并根据模型车底盘的 具体结构，决定采用立式安装。我们的舵机安装如图 2—2—1 所示
IV，先对组委会发布的竞赛细则和说明进行了详细的分析， 明确了今年规则的主要调整，然后确定了小车底层硬件和软件的总体设计方案。 在完成了车模的组装和改造以及各个模块硬件电路设计与安装，并进行了控制 算法的设计和软件实现，最后进行了整车的调试和优化 本次比赛中，我组使用的是大赛组委会规定的 C 型车模，采用 32 位微控制 器 MK60 作为核心控制单元。自主构思机械结构搭建和控制方案设计，包括传感 器信号采集与处理，电机与舵机驱动，最小核心板等，最终实现一套能够自主 识别路线并且稳定快速运行的的智能车控制系统。
图 2—2—1
2.2.2 编码器的安装
旋转编码器是智能小车速度反馈元件，其安装位置应该充分考虑测速的准确 性和防干扰。旋转编码器的尺寸较大，给安装造成了极大的不便，在尝试了各 种可能性后,我们将编码器安装于车模尾部，与车轮传动齿轮耦合，尽量使得传 动齿轮轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不过存在大噪音和丢数情况。综合 考虑，我们采用了Mini256Z编码器，它具有体积小，重量轻，精度高，抗干扰 能力强的特点。