第二屆全國大學(xué)生飛思卡爾杯智能汽車競賽技術(shù)報告

第二屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯

智能汽車競賽

技術(shù)報告

附件B關(guān)于理論模型與智能車實際運動軌跡的研究

學(xué)校：西北工業(yè)大學(xué)

隊伍名稱：翱翔隊

參賽隊員：能波

常會賢

曹陽

帶隊教師:曲仕茹

時間就是金錢，效率就是生命!

關(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明

本人完全了解第二屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽關(guān)保留、使

用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委

會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、

技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會

出版論文集中。

參賽隊員簽名：

帶隊教師簽名：

日期：

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

目錄

摘要............................................................................I

Abstract.................................................................................................................................................II

第一章引言....................................................................1

1.1比賽背景介紹............................................................1

1.2本文章節(jié)安排及文獻綜述.................................................2

第二章方案選擇.................................................................3

21測量模塊方案選擇........................................................3

2.1.1路徑檢測模塊......................................................3

2.1.2速度檢測模塊......................................................5

2.2控制模塊方案選擇.......................................................6

2.2.1路徑控制模塊......................................................6

2.2.2方向控制模塊......................................................9

2.2.3速度控制模塊.....................................................10

2.3執(zhí)行模塊方案選擇......................................................10

2.3.1路徑執(zhí)行模塊.....................................................10

2.3.2方向執(zhí)行模塊.....................................................13

2.3.3速度執(zhí)行模塊.....................................................13

2.4本章小結(jié)...............................................................13

第三章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計............................................................15

3.1車模組裝與改造.........................................................15

3.1.1車模組裝.........................................................15

3.1.2前輪定位的調(diào)整...................................................15

3.1.3差速的調(diào)整.......................................................16

3.1.4舵機力臂的調(diào)整...................................................16

3.2攝像頭的安裝...........................................................16

3.3光柵編碼器的安裝......................................................18

3.4電路板的固定與安裝....................................................19

第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)......................................................21

4.1電源模塊...............................................................21

4.1.1降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計.................................................22

4.1.2升壓穩(wěn)壓電路設(shè)計................................................22

4.1.3電源模塊小結(jié).....................................................23

4.2路徑識別模塊..........................................................24

4.3電機模塊...............................................................26

4.4舵機模塊...............................................................26

4.5測速傳感器模塊........................................................26

4.6本章小結(jié)...............................................................28

第五章理論分析與算法實現(xiàn)......................................................29

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

5.1模型建立...............................................................29

5.1.1基于后輪差速的運動模型...........................................29

5.1.2基于速度和前輪轉(zhuǎn)角的運動模型....................................32

5.2運動模型仿真..........................................................37

5.3控制算法..............................................................40

5.3.1控制算法的簡單介紹...............................................40

5.3.2方向控制.........................................................43

5.3.3速度控制.........................................................48

5.3.4控制算法的優(yōu)化部分...............................................50

5.3.5算法的程序?qū)崿F(xiàn)..................................................51

第六章軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).....................................................53

6.1系統(tǒng)初始化.............................................................53

6.2視頻圖像信號采集......................................................54

6.3圖像處理和黑線提取....................................................55

6.3.1圖像處理.........................................................55

6.3.2黑線的提取.......................................................56

第七章開發(fā)與調(diào)試..............................................................59

7.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹......................................................59

7.2智能車整體調(diào)試........................................................61

第八章結(jié)論....................................................................63

8.1總結(jié)...................................................................63

8.2展望...................................................................63

參考文獻.........................................................................I

附錄：控制程序..................................................................I

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

摘要

本文在第二屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車比賽的背景下，制作一

個在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行駛的智能車，能夠在最短時間內(nèi)跑完全

程，不脫離跑道并遵守大賽的一系列規(guī)則的隊伍即可勝出。

本系統(tǒng)主要由MC9s12DG128控制核心、電源管理單元、路徑識別電路、

車速檢測模塊、舵機控制單元和直流電機驅(qū)動單元組成，以飛思卡爾公司的16

位單片機S12為控制核心，路徑識別和車速的檢測相結(jié)合，通過控制轉(zhuǎn)向舵機

和驅(qū)動電機，使智能車系統(tǒng)達到所需的穩(wěn)定性及快速性要求。本文詳細的介紹

了智能汽車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，硬件電路設(shè)計，系統(tǒng)軟件設(shè)計合理論分析以及模

型車的控制算法設(shè)計。本智能車采用了適合智能控制的模糊控制算法，首先對

系統(tǒng)的模型進行了分析，從而選擇合適的算法，其次，對圖像采集所用到的基

本模塊進行了簡要介紹，然后介紹了所使用的圖像采集和路徑識別的算法。

關(guān)鍵詞：智能汽車，模糊控制，PID控制，CCD傳感器，直流電機

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

Abstract

Thistextisunderthebackgroundoftheintelligenceautomobileinvitational

tournamentofthenationaluniversitystudentofthesecond"freescare"cup,

manufacturestobeableindependentlytodistinguishthewaytheintelligentvehicle

ontherunwaywhichspeciallydesignstheautomaticdiagnosispathtravel,canrun

theentirejourneyintheshortesttime,isnotseparatedfromtheheavylineand

observesthebiggameaseriesofrulestroopthentowin.

ThissystemismainlycomposedwiththeMC9S12DG128controlcore,the

powersourcemanagementunit,thewayidentificationcircuit,thevehiclespeed

examinationmodule,theservocontrolunitandthedirectcurrentmachineactuates

theunit,take16monolithicintegratedcircuitsS12asthecontrolcore,theway

recognitionandthevehiclespeedexaminationunifies,changestheservoandthe

actuationelectricalmachinerythroughthecontrol,enablestheintelligentvehicle

systemtoachieveneedsstableandrapidrequest.

ThispaperintroducedtheIntelligentVehiclemechanicalstructuredesign,

hardwarecircuitdesign,systemsoftwaredesignandanalysisofatheoreticalmodel

ofvehiclecontrolalgorithmdesign.Controloffuzzycontrolalgorithmswasusedin

ourIntelligentVehicle,first,inordertochooseasuitablealgorithm,weanalysisthe

modelofthesystem,；secondly,thebasicmodulewhichusedtoimagegathering

hascarriedonthebriefintroduction;then,introducedtheusedimagegathering

methodandtheroadrecognitionalgorithm.

Keyword:intelligencecar,fruzzycontrol,PIDcontrol,CCDsensor,DC-motor

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

第一章引言

1.1比賽背景介紹

教育部為了加強大學(xué)生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的培養(yǎng)，在已舉辦的全

國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計、機械設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等4大競賽的基礎(chǔ)上，經(jīng)

研究決定，委托教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦每年一度的

全國大學(xué)生智能汽車競賽，并成立了由教育部、自動化分教委、清華大學(xué)、飛

思卡爾半導(dǎo)體公司等單位領(lǐng)導(dǎo)及專家組成了組委會。

該競賽與教育部已舉辦的4大專業(yè)競賽一樣，都是為了提高大學(xué)生的動手

能力和創(chuàng)新能力而舉辦的，具有重大的現(xiàn)實意義。與其他大賽不同的是，這個

大賽的綜合性很強，是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、

傳感、電子、電氣、計算機和機械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，這對進

一步深化高等工程教育改革，培養(yǎng)本科生獲取知識、應(yīng)用知識的能力及創(chuàng)新意

識，培養(yǎng)碩士生從事科學(xué)、技術(shù)研究能力，培養(yǎng)博士生知識、技術(shù)創(chuàng)新能力具

有重要意義。

根據(jù)自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會與飛思卡爾公司簽署的有效期為5年的

飛思卡爾公司協(xié)辦全國大學(xué)生智能競賽的合作協(xié)議書，競賽由飛思卡爾公司提

供統(tǒng)■的標準硬軟件技術(shù)平臺。各參賽隊以飛思卡爾HC12單片機為核心控制

模塊，以引導(dǎo)改裝后的模型汽車按照規(guī)定路線行進，以完成時間最短者為優(yōu)勝。

組委會辦公室技術(shù)組專家赴韓國漢陽大學(xué)交流訪問，認真考察了其舉辦的

多屆智能汽車競速比賽，在學(xué)習與總結(jié)其寶貴經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，為了保證競賽的

普及性，規(guī)定每支參賽隊伍三名成員中最多只能有…名研究生參加；為了保證

競賽的公平性，制定了多種賽道方案以及體現(xiàn)公平、透明的比賽規(guī)則；為了進

一步訓(xùn)練大學(xué)生的科學(xué)技術(shù)研究素質(zhì)，參賽隊伍除了進行現(xiàn)場比賽之外，還須

提交技術(shù)報告，并計入競賽總分。

經(jīng)各參賽隊與組委會充分準備，于2006年8月20-21日在清華大學(xué)成功

舉辦了由清華大學(xué)承辦、飛思卡爾公司協(xié)辦的第?屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)

生智能汽車邀請賽。賽后隊員們反映熱烈，眾多媒體競相報導(dǎo)。

為了使該競賽向普及、健康的方向發(fā)展，成為在全國范圍內(nèi)大學(xué)生科技創(chuàng)

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

意性的重要賽事，經(jīng)自動化分教指委、飛思卡爾公司及組委會協(xié)商決定，在清

華大學(xué)自動化系設(shè)立競賽秘書處；為了使更多的高校、更多的大學(xué)生參與到這

一活動中來，從第二屆開始，采用分賽區(qū)比賽形式，將大賽參賽范圍擴大為全

國300多所學(xué)校（包括港、澳等地區(qū)的高校）tl］o

1.2本文章節(jié)安排及文獻綜述

本文系統(tǒng)的介紹了制作本智能模型車的各項技術(shù)。具體章節(jié)安排如下：

第一章引言介紹了本次比賽的背景，引出下文。

第二章方案選擇將智能車控制系統(tǒng)分解為模塊，分別從各個模塊討論本

智能車系統(tǒng)將要采用的控制方案。在這部分中，為了確定方案我們查找了很多

文獻，有關(guān)于傳感器和傳感器技術(shù)的，如參考文獻［3］,［4］；還有關(guān)于機器人技

術(shù)的，如參考文獻［5］；以及關(guān)于去年比賽的論文，如參考文獻［6］。

第三章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計介紹了智能車的搭建與調(diào)整，以及攝像頭、光柵編

碼器與電路板的安裝。應(yīng)用了一些相關(guān)的汽車理論知識，如參考文獻［8］。

第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)分析智能車系統(tǒng)各組成部分為實現(xiàn)特定功能

應(yīng)采用什么樣的電路，能達到最好效果同時產(chǎn)生的噪聲和對其他電路的干擾最

小。參考的主要資料是芯片的datasheet,如參考文獻［7］,［9］,［10］,［的］,［⑵。

第五章理論分析與算法實現(xiàn)從建模的角度分析車的運動形式，最后得出

控制算法。其中，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論參考了文獻［13］。在控制算法上，我們對比了

模糊控制和PID控制，最終采用模糊控制。主要參考文獻有［14］,［15］,［16］。

第六章軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)介紹了本智能車系統(tǒng)的初始化，圖像采集、

圖像處理和黑線提取的方法。在視頻信號的采集上，我們主要參考了《視頻技

術(shù)與應(yīng)用》（參考文獻［18］）。在圖像的處理上用到了《MATLAB7.0控制系統(tǒng)應(yīng)

用與實例》（參考文獻口9］）。

第七章開發(fā)與調(diào)試介紹了軟件開發(fā)的環(huán)境，以及對各部分的調(diào)試方法。

我們軟件開發(fā)環(huán)境為Metrowerks公司開發(fā)的軟件集成開發(fā)環(huán)境Codewarrior,

因此，我們仔細研究了Codewarrior使用指南（參考文獻”7］）。

第八章總結(jié)與展望總結(jié)了幾個月來的工作，對未來進行了展望。

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

第二章方案選擇

本智能車系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分為測量模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。

2.1測量模塊方案選擇

2.1.1路徑檢測模塊

路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接

關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。在以往比賽中光電傳感器尋跡方案應(yīng)用最多，單獨采

用CCD攝像頭尋跡方案或者CCD攝像頭尋跡與光電傳感器尋跡結(jié)合在一起的

方案也都有應(yīng)用。

所謂光電傳感器尋跡方案，即路徑識別電路由一系列發(fā)光二極管、接收二

極管組成，由于賽道中存在軌跡指示黑線，落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收

到的反射光線強度與白色的賽道不同，由此判斷行車的方向。光電傳感器尋跡

方案的優(yōu)點是電路簡單、信號處理速度快⑶。光電傳感器的排列方法、個數(shù)、

彼此之間的間隔都與控制方法密切相關(guān)，但-一般的認識是，在不受到外部因素

影響的前提下，能夠感知前方的距離越遠，行駛效率越高。

由于光電傳感器電路板不可能伸出車體太遠，因此不少參賽隊伍調(diào)整了光

電傳感器電路板與地面的夾角，使光電傳感器可以感知更遠一點的賽道情況。

圖2.1、圖2.2是兩種典型的光電尋跡方案。圖2.1中模型車采用了8對光

電傳感器且分布得較寬，圖2.2中模型車只采用了3對光電傳感器，放置在向

外伸出的小電路板上，探測的范圍較小。具體何種方案合適，與光電傳感器掃

描前方的距離和寬度以及控制策略密切相關(guān)。

但是，基于光電管陣列檢測賽道參數(shù)的方法主要具有如下的缺點：

1）賽道空間分辨率低：一方面受到大賽規(guī)則關(guān)于傳感器個數(shù)的限制；另一

方面，過多的光電傳感器在固定安裝、占用CPU輸入端口資源等方面也有限制;

2）識別道路信息少，一般只能檢測路徑中心位置；

3）由于固定位置的限制，光電管只能安裝在車模前面不遠的位置，觀測信

息前瞻性差；

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

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4）容易受到環(huán)境光線的干擾;

圖2.18個光電傳感器尋跡的電路

圖2.2僅3個光電傳感器尋跡的電路

以上問題會影響車控制精度以及運行速度。通過一定的硬軟件設(shè)計，雖然

可以部分解決上述的問題，但相比之下，使用面陣CCD器件則可以更有效的解

決這些問題。CCD器件在比賽規(guī)則中算作一個傳感器。普通CCD傳感器圖像

分辨率都在300線之上，遠大于光電管陣列⑶。通過鏡頭，可以將車前方很遠

的道路圖像映射到CCD器件中，從而得到車前方很大范圍內(nèi)的道路信息。對圖

像中的道路參數(shù)進行檢測，不僅可以識別道路的中心位置，同時還可以獲得道

路的方向、曲率等信息。利用CCD器件，通過圖像信息處理的方式得到道路信

息，可以有效進行車運動控制，提高路徑跟蹤精度和車運行速度。

因此，我們選擇使用面陣CCD,它能夠有效利用S12單片機內(nèi)部硬件資源

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

的路徑參數(shù)檢測方法。普通CCD圖像傳感器的工作電壓一般為12V,輸出NTSC

或者PAL制式的模擬視頻信號。利用S12內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，配合從視頻信號

中分離出的同步信號，可直接將圖像信號采集到單片機內(nèi)部RAM中，然后通

過軟件對圖像信息進行處理，得到路徑各種參數(shù)。

2.1.2速度檢測模塊

隨著電池電壓的逐漸下降，電機供給電壓也會隨之降低，導(dǎo)致電機的轉(zhuǎn)速

不斷下降。若采用閉環(huán)控制，將車輪轉(zhuǎn)速信息反饋給微控制器，從而使電機的

實際轉(zhuǎn)速值等于指令轉(zhuǎn)速值，就能提高速度的準確性。

常用的有以下兩種測速傳感器⑸：

(1)軸編碼器它常被用來測量旋轉(zhuǎn)軸的位置和轉(zhuǎn)速?！敖^對式位置編碼

器”被用來測量軸的實際位置，這種編碼器長被用于伺服系統(tǒng)中來獲得一定的

轉(zhuǎn)軸位置?！霸隽渴捷S編碼器”常被用來測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速(速率和方向)。增量

式軸編碼器可以產(chǎn)生直接對應(yīng)于軸轉(zhuǎn)速的脈沖序列，如果采用有兩相信號輸出

的增量式軸編碼器實際只能稱之為轉(zhuǎn)速計。工程中應(yīng)用最多的是光學(xué)編碼器，

但也有一些利用電磁原理制成的霍爾效應(yīng)編碼器。

(2)模擬轉(zhuǎn)速計它也被安裝到電機的輸出軸上，但輸出的是正比于電機

轉(zhuǎn)速的電壓。

比較兩種方式，從輸出信號的格式看，軸編碼器輸出的是方波信號，很容

易輸入到控制器中，而模擬轉(zhuǎn)速器輸出的是模擬信號，還需AD轉(zhuǎn)換，另外，

模擬轉(zhuǎn)速器對動力大小也有影響，而軸編碼器對它兒乎沒有影響，要對智能車

進行速度的測量，故比較之下選用增量式軸編碼器。

增量式軸編碼器又可分為反射式光學(xué)編碼器、光柵式編碼器和基于霍爾效

應(yīng)的編碼器。如圖2.3所示。

光柵式編碼器的可靠性高于反射式編碼器，而基于霍爾效應(yīng)的編碼器采用

純機械的方法無法承受長時間的使用，且精度不高。因此，速度的測量采用光

柵式編碼器。

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

反射式光柵式霍爾式

圖2.3簡易增量式軸編碼器

2.2控制模塊方案選擇

2.2.1路徑控制模塊

智能車競賽的要求是制作的智能車在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行

駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術(shù)報告評分較高，誰就是獲勝者。

所以對于模型車的路徑規(guī)劃是關(guān)系到能否在短時間內(nèi)跑完全程取得優(yōu)異成績的

關(guān)鍵因素。

結(jié)合以往的比賽情況，現(xiàn)主要有兩種控制方法：

(1)跟蹤黑線，以黑線為基準，將小車兒何中心控制在黑線上，主要是經(jīng)

典PID控制方法；

(2)適合跑道，以黑線算出跑道范圍，將小車看作剛體，控制使其保持在

跑道范圍內(nèi)，可以算作一種智能的模糊控制方法。

無論那種方法，為了達到時間最短，必須對小車的行使路線進行優(yōu)化。在

不考慮交叉的情況下(以行使的角度考慮，交叉屬于一種直線形式)，一般的，

根據(jù)賽道的形狀主要有3種組成：(如圖2.5所示)

⑴直線

⑵轉(zhuǎn)彎

⑶波浪

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

直線波浪

圖2.5賽道的三種基本形狀

對于彎道，應(yīng)盡量沿著內(nèi)圈行駛。（如圖2.6所示）

對于波浪道，最優(yōu)路線應(yīng)為直線穿過。（如圖2.7所示）

圖2.6過彎時小車行駛路線

圖2.7波浪道小車行駛路線

對兩種控制方法的優(yōu)化：

（1）跟蹤黑線方法對路線的優(yōu)化:

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

跟蹤黑線對路線的優(yōu)化要區(qū)分開三種基本類型的跑道，再用不同的動態(tài)性

能對路線優(yōu)化。

直道時響應(yīng)應(yīng)快速、平緩，需要綜合調(diào)節(jié)各參數(shù)。

彎道時可以將超調(diào)量適當放大、調(diào)節(jié)時間減小，或者進行超前控制。

波浪時應(yīng)將超調(diào)量減小、調(diào)節(jié)時間加大，或者進行滯后控制。

對于波浪，跟蹤黑線方法很難做到最優(yōu)的直線穿越，但可以小車擺幅減小。

(如圖2.8所示)

優(yōu)化后

圖2.8波浪道小車的優(yōu)化

(2)適合跑道的方法對路線的優(yōu)化

適合跑道的方法對路線的優(yōu)化主要思想為：

A.得到較長一段賽道信息與小車在賽道上的姿態(tài)、位置。

B.根據(jù)以上信息算出小車在下一段時間內(nèi)的行駛路線。

這種方法的重點主要是行駛路線的計算方法。

比較兩種方法，如表2」所示：

為了達到更好的成績，要選擇適合跑道的方法，并且要綜合考慮各種情況,

努力提高穩(wěn)定性。

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

表2.1兩種方法的比較

跟蹤黑線適合跑道

復(fù)雜程度一般較復(fù)雜

穩(wěn)定性較好未知

優(yōu)化性能一般較好

2.2.2方向控制模塊

本智能車方向的控制是通過PWM波對舵機進行控制來實現(xiàn)的。舵機的控

制是通過周期固定的脈沖信號控制的，舵機的轉(zhuǎn)位正比于脈沖的寬度，這個連

續(xù)的脈沖信號可以由PWM實現(xiàn)。舵機內(nèi)部會產(chǎn)生一個頻率為50Hz的基準信號,

通過基準信號與外部所給PWM波的正脈沖持續(xù)時間進行比較，從而確定轉(zhuǎn)向

和轉(zhuǎn)角的大小。當所加PWM波的頻率為50Hz時，脈寬與轉(zhuǎn)角之間滿足下圖

2.9所示的線性關(guān)系。

對舵機的控制采用離散PID控制，即根據(jù)CCD圖像傳感器采集的圖像計

算出當前時刻車與黑線的精確夾角，然后對方向控制量進行校正。缺點是計算

脈寬/usee

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

2.2.3速度控制模塊

本屆大賽組委會規(guī)定使用的后輪驅(qū)動電機型號為RS-380SH,工作在7.2V

電壓下，空載電流為0.5A,轉(zhuǎn)速為16200r/mino在工作電流為3.3A,轉(zhuǎn)速達到

14060r/min時，工作效率最大。

由于單片機輸出的脈寬無法驅(qū)動大賽提供的直流電機，因此需要通過電機

驅(qū)動芯片MC33886驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。由于單片機帶有PWM輸出端口，PWM

波獲取方便，為了加強靈活性，能實時改變控制量，所以我們利用PWM脈寬

與速度的對應(yīng)關(guān)系對電機進行控制。

2.3執(zhí)行模塊方案選擇

2.3.1路徑執(zhí)行模塊

直接利用S12單片機中的AD采集視頻圖像，存在著采集速度、存儲數(shù)據(jù)

空間、處理速度、工作電壓以及同步信號分離等方面的技術(shù)難點。下面就這些

問題及其解決方法進行討論⑹。

1）采集速度：

普通CCD圖像傳感器通過行掃描方式，將圖像信息轉(zhuǎn)換為一維的視頻模擬

信號輸出。CCD輸出的信號變化很快，比如PAL制式的視頻信號，每秒鐘輸出

50幀圖像信息（分為奇、偶場），每幀圖像有312.5行，每行圖像信號時間為

64微秒，其中有效的圖像信號約為56微妙左右。相比之下，S12的AD轉(zhuǎn)換器

采集速度較低：根據(jù)S12器件手冊，進行10位AD轉(zhuǎn)換所需要的時間為7微秒。

這樣，采集的圖像每行只能有8個像素，水平分辨率很低。另一方面，每場圖

像可以采集300行左右的圖像信息，所以圖像垂直分辨率相對較高。從這種水

平分辨率低、垂直分辨率高的圖像中，我們無法獲取具有足夠精度的路徑信息。

為此，我們分析一下大賽采用跑道的形狀特點：跑道都是由直線和圓弧組

成，檢測車模前方一段路線參數(shù)，只需要得到中心線上3~5個點的位置信息就

可以估算出路徑參數(shù)（位置、方向、曲率等）。這些點的位置，通過圖像中若干

行信息就可以檢測出來（如圖2.10所示）。因此，所需檢測圖像應(yīng)該是水平分

辨率高、垂直分辨率低。

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

圖2.10部分賽道形狀，賽道中心線檢測位置

將S12單片機采集的圖像分辨率特點，與賽道檢測對圖像分辨率的要求進

行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在安裝CCD攝像頭的時候，只要將它旋轉(zhuǎn)90度，輸出的

圖像信息也相應(yīng)旋轉(zhuǎn)90度（如圖2.11所示）。這樣一來，S12中的AD轉(zhuǎn)換器

采集的圖像信息，水平分辨率與垂直分辨率就會互換，原來水平分辨率低、垂

直分辨率高的圖像，就會變成水平分辨率高、垂直分辨率低的實際圖像，正好

滿足道路參數(shù)檢測的要求。

圖2.11賽道圖像以及旋轉(zhuǎn)90度后的圖像

止匕外，我們還可以通過讓S12適當超頻運行、降低AD轉(zhuǎn)換器精度等方式,

提高AD轉(zhuǎn)換器的速度。實驗中我們發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)定S12中的時鐘PLL寄存器,

可以將S12內(nèi)部總線頻率提高到40-48MHZ,而此時CPU仍然可以正常工作。

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

時間就是金錢，效率就是生命!

同時，可以將AD轉(zhuǎn)換器時鐘頻率提高到12-24MHZ,在損失一定轉(zhuǎn)換精度的代

價下，將轉(zhuǎn)換時間縮短為L5微秒左右。這樣，我們就可以在一行圖像信號中

采集48個有效的圖像信息。

將上述方法結(jié)合在一起，可以采集到300*48分辨率的幀圖像數(shù)據(jù)。在此

基礎(chǔ)上，可以有效的檢測出路徑參數(shù)。通過實際測試，基于75*24分辨率的圖

像，檢測出的路徑參數(shù)仍能滿足控制需要。也就是說，我們每隔4行采集一行

數(shù)據(jù)、每行采集24個點就可以了。這樣一來，所需要的圖像存儲空間以及圖像

采集的時間就大為降低了。

2）圖像存儲空間：

由于將圖像水平旋轉(zhuǎn)了90度，需要將圖像數(shù)據(jù)進行存儲，在整幅圖像的基

礎(chǔ)上計算出路徑水平信息。S12內(nèi)部有8K字節(jié)的RAM空間。如果存儲300*48

分辨率圖像則不夠，但可以存儲若干幅75*24的低分辨率圖像數(shù)據(jù)。從低

分辨率圖像所得到的路徑參數(shù)，其精度仍可以滿足車?？刂频男枰?。一般情況

下，只需要兩塊圖像存儲空間即可，一塊作為采集圖像的存儲空間，另外一塊

作為處理緩沖區(qū)。

3）圖像信息處理速度：

CPU的主要工作包括圖像采集、圖像信息處理以及運動控制等。圖像采集

采用中斷的方式進行，如果采用75*24分辨率的圖像，每隔4行采集一行圖像

信息，圖像采集所占用的CPU時間不會超過1/4。因此，大部分的CPU工作時

間可以用于圖像處理以及運動控制。

由于采集到的圖像由白色背景和黑色中心線組成，所以檢測每一行路徑中

心線位置可以通過簡單的閾值比較的方式計算出來。在此基礎(chǔ)上，還可以通過

參數(shù)擬合獲取道路位置、方向以及曲率等參數(shù)。另外，通過適當?shù)膭討B(tài)閾值的

方法，可以提高算法的穩(wěn)定性。核心算法如果處理相對簡單，可通過適當?shù)膬?yōu)

化方法，在圖像采集周期20毫秒內(nèi)計算出結(jié)果，達到實時圖像處理的要求。如

果算法比較復(fù)雜，可以將核心算法采用匯編語言完成，以提高效率，配合CPU

超頻運行方法，保證算法需要時間小于20毫秒。

4）CCD器件工作電壓：

CCD器件工作電壓需要在12V左右。為此，需要在系統(tǒng)電路設(shè)計中，增加

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

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獨立12V電源模塊。具體電路后面給出。

5）視頻同步信號分離：

為了采集圖像信息，CPU需要根據(jù)行、場同步信號啟動AD轉(zhuǎn)換器，采集

穩(wěn)定的圖像。由于視頻信號的變化很快，所以需要另外設(shè)計同步分離電路。在

本方案中，使用了LM1881視頻同步分離集成塊，獲取視頻同步信號，將此同

步信號連到單片機的中斷輸入端口。

除此之外，一般的CCD輸出的視頻信號的峰峰值在IV左右，可以不經(jīng)過

放大直接連接到單片機的AD輸入端口進行采集，也可以進行適當視頻信號放

大后將信號的峰峰值提高到3-4V左右輸入到單片機。

2.3.2方向執(zhí)行模塊

本智能車的方向執(zhí)行機構(gòu)是舵機，舵機控制采用PWM技術(shù)，不同占空比

對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)角。由于舵機內(nèi)部含有自帶的比較電平，有利于精確控制。

舵機的額定電壓一般是4.8V,本模型車舵機額定電壓為6Vo當額定電壓

為6V時，功率通常更強勁，速度也更快。這意味著只要提高舵機的電壓，就

可以獲得更大的功率輸出和更快的速度。對于提高電壓這種未經(jīng)認可的做法，

每一家廠家的舵機反應(yīng)也不盡相同。經(jīng)實踐認證，本模型車的舵機完全可以工

作在7.2V電壓下。因此，提高了功率并加快了速度。

另外，舵機的響應(yīng)時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改PWM周

期獲得。另一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出轉(zhuǎn)角余量，將角度進

行放大，加快舵機響應(yīng)速度。本文在后面的模型車改裝中將詳細介紹。

2.3.3速度執(zhí)行模塊

本智能車的速度執(zhí)行機構(gòu)是電機，采用PWM控制，利用脈寬占空比與速

度的對應(yīng)關(guān)系進行調(diào)速。采用電機驅(qū)動芯片MC33886⑺，內(nèi)部自帶“H”橋，

可以快速實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，從而對速度進行實時調(diào)整，精確控制。

2.4本章小結(jié)

根據(jù)本章以上的模塊方案比較與論證，得出本智能車控制系統(tǒng)模型框圖如

圖2.12所不：

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時間就是金錢，效率就是生命!

速度信號

速度檢測

包含賽道

電機轉(zhuǎn)速模模型車運

型動車'跡.

侖車

轉(zhuǎn)角

連桿機構(gòu)I

圖2.12系統(tǒng)模型框圖

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第三章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

在智能車比賽中，最主要的比賽內(nèi)容是速度，而模型車的機械結(jié)構(gòu)無疑是

影響速度的關(guān)鍵因素之一。鑒于這個原因，我們對模型車的機械結(jié)構(gòu)做了很多

的工作，進行了大量的調(diào)整，達到了比較滿意的效果。

3.1車模組裝與改造

3.1.1車模組裝

模型車的組裝工作看似簡單，卻需要很多的耐心和經(jīng)驗。

首先，仔細閱讀說明書。通過閱讀模型車的裝配圖，可以了解各個不同零

件的用途和安裝順序。

然后，根據(jù)模型車的裝配圖組裝智能車模型。

由經(jīng)驗得到，在組裝過程中，不但要注意模型車的組裝順序，而且由于模

型車零部件較小，組裝過程中要防止零部件滑落和丟失。特別是，由于模型車

上的大部分零部件材質(zhì)均為塑料?，在擰螺絲以及對零件進行加工時要格外的小

心，以免損壞。

3.1.2前輪定位的調(diào)整

在調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，模型車過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增

大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負載，我們對前輪定位進行了調(diào)整。前輪

定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪

定位參數(shù)主要包括：主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束⑻。

主銷后傾角是主銷軸線與地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角。

主銷內(nèi)傾角是主銷軸線與地面垂直線在汽車橫向斷面內(nèi)的夾角。

前輪外傾角是汽車橫向平面與車輪平面的郊縣與地面垂線之間的夾角。

在一般情況下，主銷后傾角為0-3度，主銷內(nèi)傾角為0-10度，前輪外傾角

為0度或者1度。在本模型中，后傾角過大會使得模型車轉(zhuǎn)向沉重，從而使舵

機轉(zhuǎn)向存在嚴重的滯后，故在模型車中將主銷后傾角調(diào)整為0度；主銷內(nèi)傾角

過大不僅會使得轉(zhuǎn)向變得沉重，還將加速輪胎的磨損，因此將主銷內(nèi)傾角控制

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

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在5度以內(nèi)；前輪外傾角和前輪前束分別設(shè)為0度、Ommo

3.1.3差速的調(diào)整

模型車的差速對轉(zhuǎn)彎時的影響很大，差速不好會導(dǎo)致后輪空轉(zhuǎn)，發(fā)生側(cè)滑

現(xiàn)像。我們通過添加推力軸承和潤滑油的手段，改進差速裝置，使得模型車在

轉(zhuǎn)向時，右輪與后軸之間的摩擦大大降低，從而提高了差速的效果，從而提高

了小車的轉(zhuǎn)向性能。

3.1.4舵機力臂的調(diào)整

相對于S12單片機的處理速度，舵機的響應(yīng)存在著較大的延時，對舵機的

改造著實需要。在相同的舵機轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機一端的連接點離舵

機軸心距離越遠，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快，本模型車中通過用轉(zhuǎn)向盤代替舵機上

的曲柄來增大舵機的上連接點到舵機中心的距離，增加了輸出轉(zhuǎn)動力矩，使得

前輪在轉(zhuǎn)向時更加靈敏。

圖3.1舵機的改造

3.2攝像頭的安裝

考慮到單片機的處理速度和電路限制問題,把CCD圖像傳感器的數(shù)量定為

1個。

如何安裝CCD傳感器將會影響到兩個方面的性能,一是圖像處理的復(fù)雜程

度和精度，一是小車的機械性能。

由常識可以知道，如果小車的中心靠近后軸，對模型車動力性能是由益的;

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重心靠近前軸，對模型車的制動性和操縱性有益?？紤]到智能車大賽對模型車

的動力性要求并不像真正的賽車比賽要求那么高，而模型車所能達到的最快速

度并不高，所在安裝CCD攝像頭、電池和電路板位置時，應(yīng)適當使模型車的重

心位置前移，從而提高轉(zhuǎn)彎性能。因此我們將攝像頭架設(shè)在舵機的上方，這樣

不但能夠明顯的將模型車的整個重心前移，而且能夠使得攝像頭能夠更好的獲

取前方路況信息。

模型車攝像頭的架設(shè)主要要考慮一下幾個因素：

1、確保攝像頭位置的居中，因為當攝像頭不居中，其采集進來的圖像也不

是居中的，而處理程序?qū)Χ鏅C輸出量是居中的，這樣就會導(dǎo)致模型車在直道上

也會存在左右擺動的問題。

2、攝像頭的高度要足夠高，這樣可以使得模型車在攝像頭的角度不是很高

的情況下就能夠前瞻到前方足夠遠處的路況信息，因為當攝像頭的角度過大時

候，采集進來的圖像形變過大，且圖像中的干擾信息增多，對模型車的處理算

法十分的不利。

3、攝像頭的架設(shè)一定要是可調(diào)整的，這樣以便于攝像頭居中的校正，以及

在實際調(diào)試中選擇最佳攝像頭角度，以及對攝像頭視野范圍進行標定。

圖3.2攝像頭遠度的標定

經(jīng)過多次的實驗和總結(jié)，我們對攝像頭的遠度進行了標定，對攝像頭的采

集的圖象信息進行了中心位置的校正。如圖3.2所示，當攝像頭架設(shè)為40cm高

時候，傾角為42度時候能夠采集到前方8cm到58cm的圖象信息，對于識別直

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道、彎道和“S”道信息量已經(jīng)足夠。如圖3.3所示，將小車位置放置于所作的

方格紙中心位置，將攝像頭的視頻信息接入到電視機中，通過調(diào)節(jié)攝像頭各個

旋轉(zhuǎn)變量使得攝像頭的圖象位置居中。校正后的攝像頭能夠采集到小車前方上

底為20cm,下底為60cm,高為50cm的等腰梯形圖象。

□

邊長為4cm

的正方形

圖3.3圖象中心位置校正

3.3光柵編碼器的安裝

對光柵編碼器的安裝，可以將光柵盤安裝在電機軸上，通過先計算電機轉(zhuǎn)

速再來計算模型車后驅(qū)動軸得知車速。但是，這種方法太麻煩，并且在電機軸

上裝光柵盤會影響電機的性能。所以，我們將光柵盤安裝在模型車后驅(qū)動軸上,

根據(jù)光電傳感器的輸出脈沖計算不同時刻模型車的后輪轉(zhuǎn)速。

圖3.4光柵編碼器的安裝

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3.4電路板的固定與安裝

在電路板的安裝這部分，我們考慮到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及規(guī)則中對車輛尺

寸的限制，最終決定采用高架、立體的搭建方法，即用支架把主控板較高地固

定在底盤上方。這種布局可以保證車輛行駛穩(wěn)定。

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

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第四章硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

硬件電路的設(shè)計是自動控制器的基礎(chǔ)。智能汽車競賽指定飛思卡爾公司S12

系列的16位單片機MC9s12DG128作為核心控制處理器。本智能車采用了組委

會提供的開發(fā)板MC9S12EVKC作為單片機最小系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上增加了各

種接口電路板組成整個硬件系統(tǒng)。下面將對硬件設(shè)計中除了單片機最小系統(tǒng)之

外的其他幾個主要的模塊設(shè)計進行討論。

4.1電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供所需要的電源。設(shè)計中，除了需要考慮

電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止

干擾和電路簡單等方面進行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運

行的基礎(chǔ)。

全部硬件電路的電源由配發(fā)的標準車模用7.2V2000mAhNi-cd蓄電池提

供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此

電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電

壓。主要包括以下不同的電壓。

?5V電壓。主要為單片機系統(tǒng)、信號調(diào)理電路以及部分接口電路提供電源，

電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500mA。

?12V電壓。主要為CCD圖像傳感器提供12V的工作電源。

?7.2V電壓。這部分直接取自蓄電池兩端電壓，主要為舵機、后輪電機驅(qū)動

模塊和部分接口電路提供電源。

除了7.2V電壓可以直接由蓄電池獲得，5V電壓需要通過降壓穩(wěn)壓電路獲

得，12V電壓通過升壓穩(wěn)壓電路獲得。

電機驅(qū)動電路的電源可以直接使用蓄電池兩端電壓。模型車在啟動過程中

往往會產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會對其他電路造成電磁干擾；另一方面由

于電池內(nèi)阻造成電池兩端的電壓下降，甚至會低于穩(wěn)壓電路所需要的最低電壓

值，產(chǎn)生單片機復(fù)位現(xiàn)像。為了克服啟動沖擊電流的影響，可以在電源中增加

容值較大的電解電容，也可以采用緩啟動的方式控制電機。在啟動時，驅(qū)動電

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路輸出電壓有一個漸變過程，使得電機啟動速度略為降低從而減小啟動沖擊電

流的幅度。

4.1.1降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計

我們采用的降壓穩(wěn)壓芯片是LM1117-5.019l。LM1117-5.0是一種低壓差的

線性穩(wěn)壓器件，最大輸出電流為1A,足夠提供系統(tǒng)中5V器件所需功率。另外,

其輸出電壓波動范圍僅為±(MV,精度較高，經(jīng)實驗證明，能夠滿足本智能車

系統(tǒng)中各項要求。典型電路如圖3.1所示。我們最終應(yīng)用的降壓穩(wěn)壓電路就是

在圖3.1的基礎(chǔ)上在輸出端加一個1000nF的濾波電容即可。

4.1.2升壓穩(wěn)壓電路設(shè)計

主要的升壓芯片有MC34063A/E,MAX734,MAX632。

在去年的比賽中，使用MAX734,MAX632芯片作為升壓器件的參賽隊伍

很少。而MC34063A/E芯片的使用卻很多。并且我在很多參考數(shù)目上都看到了

使用MC34063A/E芯片作為升壓電路的實例,所以我決定采用它作為升壓器件。

MC34063是開關(guān)穩(wěn)壓芯片，可構(gòu)成升壓、降壓斬波電路。輸出開關(guān)電流大

于1.5A。2.5mA的低靜態(tài)電流。典型電路如圖3.2所示［也

若將MC34063應(yīng)用到本升壓電路，使輸入VIN為7.2V,輸出為12V,則

應(yīng)將電路更改為圖3.3所示。實驗表明，這個電路能很好的實現(xiàn)12V升壓的功

能，滿足本智能車硬件電路的需要。雖然有一定的發(fā)熱，但是完全不影響各部

分工作。

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圖3.2MC34063典型電路

圖3.3MC34063得到12V升壓

4.1.3電源模塊小結(jié)

綜上，可以得到電源模塊星型電路結(jié)構(gòu)圖3.4：

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

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7.2V蓄電池

圖3.4電源模塊框圖

4.2路徑識別模塊

一般來說，面陣CCD已經(jīng)將芯片的驅(qū)動電路集成在一起了，它的輸出信號

為標準的模擬復(fù)合視頻信號。該信號中主要包括了同步信號和圖像信號，它的

幅值為IV左右。對于該信號可以不經(jīng)過放大直接由單片機的A/D端口采集到

視頻圖像數(shù)據(jù)。此外，還可以直接通過外部的電壓比較器，將模擬視頻信號變

成高低電平信號，通過單片機的I/O口輸入到計算機，這樣可以避免由于單片機

A/D轉(zhuǎn)換速度而帶來的采集圖像分辨率低的問題。無論采用哪種方法，都需要

專門的視頻同步分離電路提供行、場同步信號，這些同步信號一般送到單片機

的外部中斷端口。本智能車采用LM1881作為視頻信號同步分離芯片。

基于S12單片機⑺采集視頻圖像電路系統(tǒng)框圖如圖3.5所示。

其中包括有S12單片機最小系統(tǒng)、同步分離電路、5V穩(wěn)壓電路、12V

MC34063斬波升壓電路等。

視頻信號同步分離電路如圖3.6所示口汽

其中S12單片機端口資源配置如下：

1)AD輸入端口PADOO,PAD08：輸入視頻模擬信號；

2)外部中斷口IRQ：輸入視頻同步信號；

3)CS接單片機的PE1口：輸出復(fù)合同步信號；

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

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4)VS接單片機的PH1口：輸出場同步信號;

PV+12V

圖3.5視頻信號同步分離電路

電晚

圖3.6單片機采集圖像系統(tǒng)框圖

唯有惜時才能成功，唯有努力方可成就!

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4.3電機模塊

直流電機的控制由單片機的PWM信號來完成，驅(qū)動芯片采用飛思卡爾半

導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動器MC33886。其工作電壓為5-40V,導(dǎo)通電阻為120m

Q，輸入信號為TTL/CMOS,PWM頻率小于lOKHz。電路如圖3.7所示。

圖3.7MC33886電路示意圖

其中DI、D2是MC33886的使能端，INKIN2為輸入端，0UT1、0UT2

為其輸出端。單片機通過PWM通道的占空比控制電機速度，IN2和IN1分別

接到PP1和PPO上控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)速度（因為電機工作頻率小于lOKHz,

所以一個通道控制電機速度就夠了），正轉(zhuǎn)為智能車加