攝像頭式避障小車設(shè)計

1、成 績 評 定 表學(xué)生姓名 班級學(xué)號專 業(yè)課程設(shè)計題目攝像頭式避障小車評語組長簽字：成績?nèi)掌?2015年 1月 9日 課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 院專 業(yè)學(xué)生姓名班級學(xué)號課程設(shè)計題目 攝像頭式避障小車實踐教學(xué)要求與任務(wù):1、熟悉所確定的題目，從問題需求、程序結(jié)構(gòu)、難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行分析,形成系統(tǒng)的設(shè)計方案； 2、根據(jù)方案設(shè)計硬件電路； 3、軟件編程并調(diào)試；4、完成課程設(shè)計報告，打印程序，給出運(yùn)行結(jié)果。工作計劃與進(jìn)度安排:第20周（1月6日-1月12日）：布置設(shè)計任務(wù)，查資料，完成總體設(shè)計框架，完善設(shè)計內(nèi)容，系統(tǒng)調(diào)試，驗收答辯。指導(dǎo)教師： 2015年 1月 5日專業(yè)負(fù)責(zé)人：2015年 1月 5日學(xué)院

2、教學(xué)副院長：2015年1月5日目錄第一章 引言 . 5第二章 系統(tǒng)基本原理分析及總體設(shè)計 . 62.1 系統(tǒng)需求分析 . 6 2.2 基本原理 . 6 2.2.1 車模平衡控制 . 6 2.2.2 車模速度控制 . 72.2.3 車模方向控制 . 9 2.3 設(shè)計思路 .9 第三章 硬件模塊的方案與實現(xiàn) .9 3.1 電源電路設(shè)計 . 9 3.2 電機(jī)驅(qū)動模塊 . 10 3.3 主控模塊電路設(shè)計 . 133.4 傳感器模塊 . 13 3.4.1 圖像采集 . 13 3.4.2 陀螺儀傳感器 . 14 3.4.3 加速度計傳感器 . 14 3.4.4 速度檢測傳感器 . 14 3.5 調(diào)試模塊

3、. 14 第四章 模型車機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化與模塊安裝 . 14 4.1 電池的安裝 . 15 4.2 編碼器的安裝 . 15 4.3 攝像頭的安裝 . .15 4.4 加速度計和陀螺儀的安裝 . 16 4.5 主控板的安裝 . 16 4.6 小結(jié) . 16 第五章 智能車控制軟件設(shè)計 . 165.1 主程序流程圖： . 175.2 圖像采集與處理 . 175.21 圖像的采集 . 17 5.22 圖像的處理 . 18 5.23 賽道分類 . .18 5.3 控制算法與函數(shù) . 18 5.3.1 直立控制程序設(shè)計 . 18 5.3.2 速度控制程序設(shè)計 . 18 5.3.3 方向控制程序設(shè)計 . 18

4、 第六章 調(diào)試方案 .19 6.1 IAR 集成開發(fā)環(huán)境 . 19 6.2 上位機(jī) . 19 6.21 攝像頭上位機(jī) . 19 6.22 示波器上位機(jī) . 19 6.2.3 參數(shù)修改上位機(jī) . 19 第七章 總結(jié) . 20 參考文獻(xiàn) . 20 第一章 引言智能車系統(tǒng)由微控制器模塊、電源管理模塊、路徑檢測模塊、車速檢測模塊、 直流驅(qū)動電機(jī)控制模塊和調(diào)試模塊組成。本系統(tǒng)以 32 位微處理器 K60 為控制核 心，并采用 IAR Embedded Workbench 軟件編程、J_LINK、NRF24L01、藍(lán)牙等作 為調(diào)試工具。運(yùn)用攝像頭進(jìn)行道路信息采集，并采用 PWM 技術(shù)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 各個

5、部分經(jīng)過微控制器模塊的處理控制，能夠以較快的速度在指定的軌跡上行 駛，在進(jìn)彎道、十字路口、人字路口等特殊軌跡之前能夠提前識別并通過改變 兩個輪子上的 PWM 的占空比，達(dá)到平滑快速通過和減小路程的效果。第二章 系統(tǒng)基本原理分析及總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)需求分析模型車需要在能來回自由移動的車輪上保持車體直立不倒，這就要求車體的 重心和車軸的重心需要在同一垂直線上，但是由于模型車在行駛過程中，這一 平衡是時刻在變動的，要求電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是車模加速運(yùn)動保持直立。要實現(xiàn)這 一要求，就必須知道模型車實時的姿態(tài)，而這個就可以通過加速度計、陀螺儀 等姿態(tài)傳感器來獲取小車的姿態(tài)參數(shù)。這樣就可以通過實時的姿態(tài)參數(shù)，

6、經(jīng)過 處理來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而保證小車的直立。這就是模型車的平衡控制。模型車需要在規(guī)定的賽道上行駛，那么就必須要有識別這個賽道的眼睛 攝像頭，要想這個“眼睛”看清楚賽道那就需要選一個好的攝像頭。然后就是 對眼睛看到的圖形進(jìn)行處理，獲得所需的圖像，以及對賽道種類的識別，這些 都是模型車能否快速運(yùn)行的基本條件。這就是模型車的轉(zhuǎn)向控制。 前面三個任務(wù)是模型車控制任務(wù)的最核心、最基本的控制任務(wù)。 最后，在 模型車的調(diào)試階段是模型車提速的重要階段，只要前面的基礎(chǔ)打好， 剩下的就只是調(diào)試提速了，但是在調(diào)試的階段，調(diào)試的手段至關(guān)重要，所以在 調(diào)試之前，就應(yīng)該做好準(zhǔn)備，準(zhǔn)備好相應(yīng)的調(diào)試工具和調(diào)試手段。比如

7、各個模 塊的上位機(jī)以及通訊模塊。2.2 基本原理 前面講到模型車的三個基本控制任務(wù)。這三個任務(wù)分解后的任務(wù)各自獨(dú)立進(jìn) 行控制。由于最終都是對同一個控制對象（車模的電機(jī)）進(jìn)行控制，所以它們 之間存在著耦合。為了方便分析，在分析其中之一時假設(shè)其它控制對象都已經(jīng) 達(dá)到穩(wěn)定。比如在速度控制時，需要車模已經(jīng)能夠保持直立控制；在方向控制 的時候，需要車模能夠保持平衡和速度恒定；同樣，在車模平衡控制時，也需 要速度和方向控制也已經(jīng)達(dá)到平穩(wěn)。這三個任務(wù)中保持車模平衡是關(guān)鍵。由于 車模同時受到三種控制的影響，從車模平衡控制的角度來看，其它兩個控制就 成為它的干擾。因此對車模速度、方向的控制應(yīng)該盡量保持平滑，以減

8、少對于 平衡控制的干擾。以速度調(diào)節(jié)為例，需要通過改變車模平衡控制中車模傾角設(shè) 定值，從而改變車模實際傾斜角度。為了避免影響車模平衡控制，這個車模傾 角的改變需要非常緩慢的進(jìn)行。這一點(diǎn)將會在后面速度控制中進(jìn)行詳細(xì)討論。2.2.1 車模平衡控制 世界上還沒有任何一個天才雜技演員可以蒙著眼睛使得木棒在自己指尖上 直立，因為沒有了眼睛觀察進(jìn)行負(fù)反饋，當(dāng)木棒在人的指尖上直立時，眼睛觀 察到木棒的傾斜角度和傾斜趨勢（角速度），相應(yīng)的通過人腦做出反應(yīng)，使手 掌移動以抵消木棒的傾斜角度和趨勢，從而保持木棒的直立。這就形成了反饋 機(jī)制。其反饋機(jī)制如圖 2.1 車模平衡控制也是通過負(fù)反饋來實現(xiàn)的，與上面保持木棒直

9、立比較則相對簡 單。因為車模有兩個輪子著地，車體只會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜。控制 輪子轉(zhuǎn)動，抵消在一個維度上傾斜的趨勢便可以保持車體平衡了。如圖 2.2 所 示。 2.2.2 車模速度控制 對于直立車模速度的控制相對于普通車模的速度控制則比較復(fù)雜。由于在速 度控制過程中需要始終保持車模的平衡，因此車模速度控制不能夠直接通過改 變電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。要實現(xiàn)對車模速度的控制，必須測量車模的實時速度，改 變車模的傾角，以及如何根據(jù)速度誤差控制車模傾角。 安裝在電機(jī)輸出軸上的編碼器來測量得到車模的車輪速度。通過給定車模直 立控制的設(shè)定值，在角度控制調(diào)節(jié)下，車模將會自動維持在一個角度。在車模 直立控制下

10、，為了能夠有一個往前的傾斜角度，車輪需要往后運(yùn)動，這樣會引 起車輪速度下降（因為車輪往負(fù)方向運(yùn)動了）。由于負(fù)反饋，使得車模往前傾 角需要更大。如此循環(huán)，車模很快就會傾倒。原本利用負(fù)反饋進(jìn)行速度控制反 而成了“正”反饋。如圖 2.3 所示。車模的速度控制本質(zhì)上是通過調(diào)節(jié)車模的傾角實現(xiàn)的，由于車模是一個非最 小相位系統(tǒng)，因此該反饋控制如果比例和速度過大，很容易形成正反饋，使得 車模失控，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因此速度的調(diào)節(jié)過程需要非常緩慢和平滑。2.2.3 車模方向控制 實現(xiàn)車模方向控制是保證車模沿著競賽道路比賽的關(guān)鍵。 直立車模所在的 攝像頭組的道路兩側(cè)鋪設(shè)有黑色邊緣線?？赏ㄟ^攝像頭采集回來的灰度

11、值進(jìn)行 判斷，通過給定的閾值對采集回來的圖像進(jìn)行二值化，找出賽道的邊緣，再通 過邊緣線畫出賽道中心線。在車模直立控制和速度控制的基礎(chǔ)上給電機(jī)左右輪 差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的效果，使小車在賽道內(nèi)行駛。具體控制框圖如下 2.5 所示：通過左右電機(jī)速度差驅(qū)動車模轉(zhuǎn)向消除車模偏差，這個過程是一個積分過 程。因此車模差動控制一般只需要進(jìn)行簡單的比例控制就可以完成車模方向控 制。2.3 設(shè)計思路 根據(jù)攝像頭平衡組的規(guī)則、要求及為了方便調(diào)試，我們設(shè)計的模型車共包括 五個模塊：主控模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源管理模塊、調(diào)試模塊。第三章 硬件模塊的方案與實現(xiàn) 硬件電路是整個系統(tǒng)中想當(dāng)重要的一部分，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)

12、，所以在每一 個模塊中電阻和電容的相關(guān)系數(shù)，都需要仔細(xì)斟酌。硬件電路的設(shè)計和制作是 一個漫長的過程，更是一個充滿樂趣的過程，也是一個不斷完善的過程。如果 電路剛開始設(shè)計考慮的不周全，可能就需要重新設(shè)計與繪制電路板，這樣的話 會浪費(fèi)很多的時間，所以一定要保證電路的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上提高電路板的 集成度，這需要耗費(fèi)很多的時間和精力去完成它。 3.1 電源電路設(shè)計 電源模塊是智能車動力核心，電源模塊是否穩(wěn)定，這將決定小車是否能夠平 穩(wěn)的運(yùn)行，查閱電源模塊的相關(guān)資料，我們選擇了比較適合的電源。 在這幾次 調(diào)試的過程中，我們的電源管理沒有出現(xiàn)任何的問題。比賽指定智能車電源只 能使用指定型號的 7.2V

13、2000mAh Ni-Cd 電池供電。 我們現(xiàn)在需要 3 種電源，一種是為單片機(jī)、攝像頭、液晶、LED、SD 卡等 器件供電的 3.3V 電源；一種是為 藍(lán)牙、加速度計、陀螺儀、蜂鳴器供電的 5.0V 電源；另一種是為電機(jī)供電的 7.2V 電源。前兩種電源可供我們選擇， 一種為 開關(guān)穩(wěn)壓電源， 另一種為線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源功耗小，效率高；線性 穩(wěn)壓電源，電路簡單，輸出紋波小。 整體考慮，我們選擇線性集成三端穩(wěn)壓電 源。電機(jī)電源我們就直接取自電池兩端。 5.0V 供電我們采用 LM2940，因為 LM2940 是壓差小，輸出文波小的線性穩(wěn)壓 電源，當(dāng)電源的電壓比低時也能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源

14、。 另外由于若是直接從電池端電壓直接穩(wěn)壓到 3.3V 電源的效率會變得很低， 所以我們先將電池電壓降為 5V 然后在通過穩(wěn)壓芯片降為 3.3V。3.3V 電源供電， 我們采用 2 片 TPS7333，因為 TPS7333 的壓差小，當(dāng)電源的電壓比較低時，也 可以為單片機(jī)提供穩(wěn)定的電源，而且 TPS7333 的輸出紋波非常小，輸出容量也 滿足核心板的供電要求。另外一片 TPS7333 芯片給其他的 3.3V 的電源供電，這 個芯片完全可以滿足我們的要求；給電機(jī)供電，我們只是對電池經(jīng)過濾波之后 直接接到電機(jī)上的。 我們的電源模塊電路圖如圖所示 3.2 電機(jī)驅(qū)動模塊 本次攝像頭平衡組需要驅(qū)動 2 個

15、電機(jī)，驅(qū)動的設(shè)計尤為重要。常用的電機(jī)驅(qū) 動有兩種方式：一、采用集成電機(jī)驅(qū)動芯片；二、采用 N 溝道 MOSFET 和專用 柵極驅(qū)動芯片設(shè)計。市面上常見的集成 H 橋式電機(jī)驅(qū)動芯片中，BTN7971 型芯 片性能較為出色，該芯片具有完善的過流、欠壓、過溫保護(hù)等功能，使用 PWM 調(diào) 制輸入頻率最高 25KHz，內(nèi)部 MOSFET 導(dǎo)通電阻為 16 毫歐，具有最大 71A 的 連續(xù)工作電流。使用集成芯片的電路設(shè)計簡單，可靠性高。 由于分立的 N 溝道 MOSFET 具有極低的導(dǎo)通電阻，大大減小了電樞回路總 電阻。另外，專門設(shè)計的柵極驅(qū)動電路可以提高 MOSFET 的開關(guān)速度，使 PWM 控 制方式

16、的調(diào)制頻率可以得到提高，從而減少電樞電流脈動。并且專用柵極驅(qū)動 芯片通常具有防同臂導(dǎo)通、硬件死區(qū)、欠電壓保護(hù)等功能，可以提高電路工作 的可靠性。 1.專用柵極驅(qū)動芯片的選擇： IR 公司號稱功率半導(dǎo)體領(lǐng)袖，所以我們主要在 IR 公司的產(chǎn)品中進(jìn)行 選擇。其中 IR2184 型半橋驅(qū)動芯片可以驅(qū)動高端和低端兩個 N 溝道 MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動電流，并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導(dǎo)通等功 能。使用兩片 IR2184 型半橋驅(qū)動芯片可以組成完整的直流電機(jī) H 橋式驅(qū)動電 路。由于其功能完善，價格低廉容易采購，所以我們選擇它進(jìn)行設(shè)計，如圖 3.2 所示：2. MOSFET 的選擇：選擇 MOS

17、FET 時主要考慮的因素有：耐壓、導(dǎo)通內(nèi)阻和封裝。智能汽 車電源是額定電壓為 7.2V 的電池組，由于電機(jī)工作時可能處于再生發(fā)電 狀態(tài)，所以驅(qū)動部分的元件耐壓值最好取兩倍電源電壓值以上，即耐壓在 16V 以上。而導(dǎo)通內(nèi)阻則越小越好。封裝越大功率越大，即同樣導(dǎo)通電阻 下通過電流更大，但封裝越大柵極電荷越大，會影響導(dǎo)通速度。常用的 MOSFET 封裝有 TO-220、TO-252、SO-8 等，TO-252 封裝功率較大、而柵 極電荷較小。于是我們最終選擇了 IR 公司 TO-252 封裝的 LR7843 型 N 溝道 MOSFET，VDSS = 55 伏、RDS(on) = 8.0 毫歐、ID=

18、 110 安。 3. 控制邏輯電路設(shè)計： IR2104 的控制信號有兩個管腳：IN 和 SD。IR2104 輸入輸出信號關(guān)系 圖如圖 3.3 所示： 圖 3.3 IR2104 輸入輸出關(guān)系圖 而當(dāng)兩片 IR2104 驅(qū)動如圖 3.4 所示可逆橋式電路時，其真值表為表 3.1：我們用兩片 IR2104 及四個 MOSFET 組成全橋的電機(jī)驅(qū)動電路，并且采用單極 性的控制模式，PWM 的占空比在 0%之時電機(jī)速度為零，0100%控制轉(zhuǎn)速，H_D 信 號控制轉(zhuǎn)向。3.3 主控模塊電路設(shè)計 核心控制板負(fù)責(zé)賽道信息的采集；車模直立數(shù)據(jù)的采集；運(yùn)行速度的采集； 驅(qū)動電機(jī) PWM 波的輸出；控制車模直立、速

19、度、轉(zhuǎn)向的控制。我們本次使用的 主控芯片是 Freescale 公司生產(chǎn)的 32 位單片機(jī) MK60DN512Z10。該單片機(jī)基于 ARM CORTEX M4 的 RISC 內(nèi)核，外接 50MHz 晶振，通過 PLL 超頻至 200MHz。MK60 內(nèi)部含有兩個 ADC 模塊，最高采樣精度為 16 位。內(nèi)置 8 路 16 位 PWM 輸出。兩 路數(shù)字正交信號解碼模塊，可以方便讀取雙向編碼器信息。此模塊為整個系統(tǒng) 中最核心的模塊，所以它的穩(wěn)定性直接關(guān)系到到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此， 此模塊與其他模塊之間需要做好必要的隔離工作，使得其工作時不會受到其他 模塊的影響，尤其是電源模塊。3.4 傳感器模

20、塊 3.4.1 圖像采集 （1 ）CCD 電荷耦合器件 CCD 是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD 上植入的 微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊 CCD 上包含的像素數(shù)越多，其提供的 畫面分辨率也就越高。 CCD 的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號。CCD 上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信 號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。 構(gòu)成 CCD 的基本單元是 MOS (金屬- 氧化物- 半導(dǎo)體) 結(jié)構(gòu)。CCD 的基本功能 是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時,需要在金屬柵極加一定的偏壓,形成勢阱 以容

21、納電荷,電荷的多少基本與光強(qiáng)成線性關(guān)系。電荷讀出時,在一定相位關(guān)系 的移位脈沖作用下,從一個位置移動到下一個位置,直到移出 CCD ,經(jīng)過電荷- 電壓變換,轉(zhuǎn)換為模擬信號。 （2 ）CMOS 光電傳感器 CMOS 是一種高集成度大規(guī)模集成電路，仍使用光敏元件為感光器件，光敏 元件在排列方式上與 CCD 電荷耦合器件相同，只是在光電轉(zhuǎn)換后信息傳送方式 不。CMOS 芯片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器,通過總線編程來對自動增益、自動曝光、白色平衡、校正等功能進(jìn)行控制,編程簡單、控制靈活。直接輸出的 電視機(jī)制式圖像信號可以很方便地和后續(xù)處理電路接口,供處理器 AD 模塊對 其進(jìn)行采集和處理器處理。3.4

22、.2 陀螺儀傳感器 陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。在模型車上安裝陀螺儀測量車模型 車的傾角速度，再將角速度進(jìn)行積分便可以的到模型車的真實角度。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會受到車體運(yùn)動的影響，因此該信號 中噪聲很小模型車的角度又是通過對角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號， 從而使得角度信號更加穩(wěn)定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀 螺儀所得到的信號。但是陀螺儀在使用的過程中會有較大的溫漂，使得所得到 的角度值不準(zhǔn)確，所以還需要將陀螺儀與加速度計的信號進(jìn)行采集處理。從而 去掉陀螺儀的過沖、溫漂。3.4.3 加速度計傳感器 由于陀螺儀有嚴(yán)重的溫度漂移，對陀螺儀的積分并不能得到

23、當(dāng)前車身的準(zhǔn) 確的角度。也就無法控制車身的平衡，因此為了得到當(dāng)前的車身角度，必須使 用加速度計。我們使用的是 MMA7361，MMA7361 具有工作電壓地（2.23.6V），靈敏度高(800mv/g)的特點(diǎn)。MMA7361 是三軸加速度計。其三個輸出信號與對應(yīng) 的軸的加速度成比例。陀螺儀的輸出不需要接放大電路，唯一的外圍器件就是 低通濾波電路，由于輸出后沒有負(fù)載，僅作為 ADC 的信號，這里采用官方的 (1K,0.1uF)的無源低通濾波。3.4.4 速度檢測傳感器 為了使得模型車能以閉環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)行，就需要測的模型車的運(yùn)行速度，以 使模型車在急彎以及長直到時速度不至于過快而沖出賽道。如果開環(huán)

24、控制電機(jī) 轉(zhuǎn)速，由于直立車的特點(diǎn)，會造成賽車無法運(yùn)行，通過速度檢測，對模型車速 度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，就可以消除上述的影響。 常見的速度檢測傳感器有，測速發(fā)電機(jī)，光電測速傳感器，霍爾傳感器和光 柵編碼器等。相比較而言，測速發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量比較大，用測速發(fā)電機(jī)會 對模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較大的影響。經(jīng)過我們的多次比較最后我們打算使 用霍爾傳感器。3.5 調(diào)試模塊 液晶屏具有顯示內(nèi)容直觀，可顯示圖像和漢字的優(yōu)點(diǎn)。在車身添加液晶屏模 塊可以使調(diào)試更加方便，因此本次車身上我們添加了液晶屏模塊。在調(diào)試過程 之中，我們需要實時的了解與掌握一些車的運(yùn)行狀態(tài)，比如說傳感器的狀態(tài)， 模型車的角度，調(diào)試時用液晶將

25、這些參數(shù)顯示出來，讓我們實時的監(jiān)測車的狀 態(tài)，從而做出判斷，這樣很大程度的方便了對車的調(diào)試。 有時候需要對參數(shù)作修改處理，如果每修改一個數(shù)據(jù)就下載一次程序的話， 就會浪費(fèi)時間，這時應(yīng)用鍵盤，它就起到一個人機(jī)交互的作用。而且在比賽前 的調(diào)試過程中，如果發(fā)現(xiàn)模型車不適應(yīng)賽道，還可以臨時對部分的參數(shù)進(jìn)行修 改，使得模型車的適應(yīng)性更強(qiáng)。 在對小車的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的時候，由于藍(lán)牙的傳輸速度比較慢，無法再模型 車運(yùn)行的時候修改參數(shù)，所以我們就用 NRF24L01 無線模塊進(jìn)行修改，這樣可以 大大提高修改參數(shù)的效率，從而加快調(diào)車的進(jìn)度。 我們給模型車配備了一個藍(lán)牙，雖然藍(lán)牙用來修改參數(shù)速度很慢，但是在圖 像處

26、理的時候還是需要用藍(lán)牙來發(fā)圖的，把小車看到的圖，發(fā)到電腦上的上位 機(jī)，然后再來對著圖片進(jìn)行圖片處理，這樣一來也可提高對圖片處理的速度及 精度。 蜂鳴器，這個可以用在模型車對賽道的識別上，這樣就可以十分直觀的看出 來模型車是否識別賽道以及識別時間。這樣就可以更加方便的調(diào)試。 電壓表頭，用于顯示電池的電壓，防止電池過放從而更好的保護(hù)電池，延長 電池的使用壽命。第四章 模型車機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化與模塊安裝 智能車的整體參數(shù)，包括車體重心、高度、傳感器排布方式等，都對整個智 能車系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。因此，對智能車機(jī)械系統(tǒng)的調(diào)節(jié)， 有助于模型車更快更穩(wěn)定的運(yùn)行。 模型車的布局以精簡、可靠、穩(wěn)定為前

27、提,通過對小車的布局，盡量保證小 車左右平衡，以及尋找一個合適的重心，保證模型車既能穩(wěn)定快速前進(jìn)，又能 在轉(zhuǎn)彎時流暢。 智能汽車各個統(tǒng)的控制都是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，因此在設(shè)計 整個軟件架構(gòu)和算法之前一定要對整個模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個全面清晰 的認(rèn)識，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而再針對具體的設(shè)計方案來調(diào)整賽 車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在實際的調(diào)試過程中不斷的改進(jìn)優(yōu)化和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 性。本章將主要介紹智能汽模型車型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。 根據(jù)競賽規(guī)則，各個競賽組別所使用的車模均為組委會指定車模，攝 像頭組所使用的車模為 D 型車模和 E 型車模，基于各方面考慮，我們選擇 E 型車模。4.1 電池的

28、安裝 電池是占模型車車重的主要部件，他的安裝對重心的影響極大，車模重心 太高在高速過彎導(dǎo)致了側(cè)翻，降低重心能增加過彎的穩(wěn)定性。所有模型車的部 件安裝都要盡量保證小車的重心足夠低，而電池是這么多零件中最重的，所以 電池的安裝位置對模型車有很大的影響。我們考慮到影響模型車平衡的兩個轉(zhuǎn) 動慣量，以車軸為軸心的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)動慣量，所以我們把電池橫著放 在輪胎中間。4.2 編碼器的安裝 選用可以 5V 工作電壓的 512 線 MINI 光電編碼器進(jìn)行速度的測量，保證測 量的精度。速度傳感器用螺釘通過支架固定在后輪支架上，這樣固定好之后， 就有了較高的穩(wěn)定性。然后調(diào)節(jié)編碼器齒輪，使其與差速齒輪緊密咬

29、合，增大 測速的精確性，但是咬合過緊也增大了摩擦，減小了對電機(jī)做功的利用率，影 響模型車的快速行駛，因此減小摩擦同時增強(qiáng)齒輪間的咬合是我們主要考慮的 因素。用齒輪潤滑油涂抹齒輪有不錯效果。4.3 攝像頭的安裝 攝像頭為采集賽道邊界模塊，賽道寬 45cm，其中兩邊都有 2.5cm 的黑線， 為了更好地采集到賽道兩邊的黑線，就必須使得攝像頭的位置達(dá)到一定高度， 而且有一定的傾角，這個決定了模型車的視野的大小。若視野過窄會導(dǎo)致模型 車調(diào)整方向時的死區(qū)問題。另外還需要考慮到攝像頭對模型車的重心的影響。4.4 加速度計和陀螺儀的安裝 智能車在行進(jìn)過程中，車體僅繞兩輪的軸心線做轉(zhuǎn)動。芯片外觀是長方形 的，

30、安裝時，應(yīng)注意將長的一邊與后輪軸心線平行。因為陀螺儀測得的是角速 度，所以水平放置就可以了，與陀螺儀一樣，加速度傳感器的性能與安放位置 也有很大的關(guān)系。加速度傳感器是根據(jù)其 XYZ 軸上的模擬輸出電壓來確定車身 的傾角。由于我們測量的傾角只有一個，所以可以使用其中兩個個軸的輸出經(jīng) 過正交分解來計算。4.5 主控板的安裝 由于前面的電池的安裝盡量放低且靠近輪胎，使得模型車的平衡角度過于 靠前，以至于模型車無法順利通過坡道，所我們把主控板，通過一個支架向前 伸以加強(qiáng)模型車前部的重量。4.6 小結(jié) 模型車的性能與機(jī)械結(jié)構(gòu)有著非常密切的聯(lián)系。良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)是模型車提 高速度的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在同等的控制環(huán)境

31、下，機(jī)械機(jī)構(gòu)的好壞對其速度的影響十 分顯著。我們非常重視對智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，經(jīng)過大量的理論研究和 實踐，我們模型車的大部分質(zhì)量都集中在兩輪前后，達(dá)到降低重心的目的，從 而提高了模型車整體的穩(wěn)定性和可靠性。第五章 智能車控制軟件設(shè)計 5.1 主程序流程圖：5.2 圖像采集與處理 5.21 圖像的采集 由于我們采用了 k60 芯片和帶有硬件二值化的 ov7725 的攝像頭，我們可以 采用 dma 采集賽道圖像，dma 采集效果比一般的讀取 io 口效率高，并且 OV7725 沒有噪點(diǎn)，效果好。圖像采集過程中 dma 獨(dú)占內(nèi)存，無法進(jìn)行圖像處理，我們 選用的攝像頭采集速度可以達(dá)到 150 幀

32、，于是我們拋棄了一張圖片，變成每秒 鐘 100 張，這樣我們就有了充足的時間進(jìn)行賽道信息處理和車體姿態(tài)控制。由 于 ov7725 可以通過 sccb 配置寄存器，改變采集圖像的大小，簡化了采集過程， 開始我們選用了 80*60 的圖像大小 經(jīng)過一段時間發(fā)現(xiàn)效果并不理想，白背景下遠(yuǎn)處的邊線無法看清，我們把圖 像擴(kuò)大到了 160*120，并去掉圖像最左右和最靠近車的部分，由于圖像畸變，近 處的圖像所占的比例很大，但是用處卻不大，我們通過下圖的賽道標(biāo)定，等距 采集圖像，使得每一行像素之間所反映的賽道實際距離相近，再通過數(shù)組存下 要留下的賽道行號，然后去掉相應(yīng)的無用行，最后實際使用的圖像大小為 128

33、*70。 5.22 圖像的處理 在采集出圖像信號后需要對其進(jìn)行處理以提取賽道信息，同時， 由于雜點(diǎn)、 交 叉線、起跑線、光線、賽道連接處、賽道上的雜物，以及賽道以外圖像的干擾， 得到的圖像有很多干擾，軟件上需要排除干擾因素，對有效賽道進(jìn)行識別， 并提 供盡可能多的信息供決策使用。圖像信號處理中提取的賽道信息主要包括： （1） 每一行的賽道中心位置 （2） 每一行的賽道寬度 （3） 賽道的曲率 （4） 賽道的變化幅度由于攝像頭傾斜放置導(dǎo)致的梯形畸變，這使得同一段 賽道位于攝像頭視域的不同區(qū)域時(近端、遠(yuǎn)端，邊緣、中間)的表征會有所差別。 為了還原出真實的賽道信息，我們根據(jù)攝像頭的放置位置、角度等

34、參數(shù)，對圖 像進(jìn)行了梯形失真校正，使得圖像的處理更接近真實空間。 攝像頭組的核心部分為左右邊線的提取，從而推算出中心線的位置，引導(dǎo)車 子的行進(jìn)方向。邊線提取，中心線推算思路： 1.近處圖像較遠(yuǎn)處圖像可靠，所以邊線由近到遠(yuǎn)提取 2.近十行先從中間向兩邊進(jìn)行邊沿搜索，找到邊沿，確保近處圖像有效 3.之后的行采用邊沿跟蹤，根據(jù)上一行的黑線位置動態(tài)地確定本行黑線的搜 索范圍，搜索黑線，節(jié)省時間 4.若連續(xù)幾行的左右線都找不到，判斷為十字彎，進(jìn)行左右線的延伸，直至 再找到有效的邊線；若連丟幾行的次數(shù)較多時，則認(rèn)為是虛線小 s，進(jìn)行垂直方 向的延伸后不必特別處理 5.若左右邊線均找到，該行中心線直接為左右

35、邊線等權(quán)重加權(quán)；若某一邊線 丟失，則根據(jù)前面有效行的賽道寬度和另一邊線的位置對中心線進(jìn)行推算 6.推算完中心線后可對中心線進(jìn)行一定的修正，更符合實際5.3 控制算法與函數(shù)5.3.1 直立控制程序設(shè)計 平衡控制算法最重要的是濾波算法和控制算法。這里濾波的主要作用是使用 加速度計濾除陀螺儀的漂移，也可以說是將加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)融合，將 車模角度和角速度乘以各自相應(yīng)的系數(shù)就可以得到直立控制輸出量。5.3.2 速度控制程序設(shè)計 為了使得速度具有一定的物理意義，對于編碼器所取得的脈沖數(shù)需要轉(zhuǎn)化成 實際的速度，根據(jù)定義單位的物理意義，可以確定速度單位轉(zhuǎn)化的比例值。5.3.3 方向控制程序設(shè)計 車模方向

36、控制利用圖像計算出來的偏差量進(jìn)行，并且與中值進(jìn)行對比，得到 的差值來驅(qū)動電壓。對于方向來說，我們依然進(jìn)行了大量限幅，不僅僅實在圖像處理上，以及圖 像的偏差計算中，還是整個電機(jī)的輸出控制中。第六章 調(diào)試方案 前面幾章一直是在為系統(tǒng)制定方案以及方案的細(xì)化。但整個系統(tǒng)的完善主要 還是在系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試。在細(xì)分的每個模塊中，大部分都涉及有眾多參數(shù)， 對這些參數(shù)的確定就需要軟硬件聯(lián)合調(diào)試。而這過程就需要一整套開發(fā)調(diào)試 環(huán)境和工具。包括程序源代碼的編輯以編譯環(huán)境，參數(shù)調(diào)節(jié)與設(shè)定工具。 6.1 IAR 集成開發(fā)環(huán)境 IAR Embedded Workbench 是一套完整的集成開發(fā)工具集合：包括從代碼編 輯器

37、、工程建立到 C/C+編譯器、連接器和調(diào)試器的各類開發(fā)工具。它和各種仿 真器、調(diào)試器緊密結(jié)合，使用戶在開發(fā)和調(diào)試過程中，僅僅使用一種開發(fā)環(huán)境 界面，就可以完成多種微控制器的開發(fā)工作。6.2 上位機(jī) 我們用到的上位機(jī)有三個：攝像頭上位機(jī) ，visual scope ，參數(shù)修改神器。 其中示波器上位機(jī)波特率都為 115200。 6.21 攝像頭上位機(jī) 由于我們使用的是攝像頭，需要實時的查看小車實際看到的賽道信息，方便 于我們對圖片的分析。我們使用 Visual Studio 開發(fā)的攝像頭上位機(jī)，可以接 收藍(lán)牙發(fā)來的圖片信息，同步執(zhí)行算法分析圖片。在調(diào)試的后期，發(fā)現(xiàn)僅僅使 用這個上位機(jī)并不能完全分析

38、到小車在實際運(yùn)行的過程中看到的圖像，我們小 組又將 SD 使用在小車上，實時的記錄小車在運(yùn)行過程中的各項參數(shù)，進(jìn)而方便 我們的調(diào)試。 6.22 示波器上位機(jī) 該上位機(jī)共有 4 個通道，分別將數(shù)據(jù)用 4 種不同顏色的曲線表示出來。在調(diào) 試的過程中，由于我們在調(diào)節(jié)車身的平衡的各項系數(shù)時，需要實時的了解加速 度計和陀螺儀采集回來的數(shù)據(jù)，和濾波算法是否可以有效的濾除噪聲干擾。使 用串口示波器極大地方便了我們地調(diào)試。 6.2.3 參數(shù)修改上位機(jī) 由于小車的各項參數(shù)較多，每次為了改參數(shù)而去下載程序，會使得在調(diào)車的 過程十分不便。因此，我們利用 NRF 將數(shù)據(jù)發(fā)送給小車，可以使得小車在行走 的過程中動態(tài)地修改參數(shù)，而不影響小車的正常運(yùn)行。第七章 總結(jié) 智能車，“能自己跑的車”，非常神奇的事物。正如銀河英