东华大学开题报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计（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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、与驱动系统结构，改善系统运动平稳性，并把所设计的传动系统加工、装配、调试。同时了解和掌握摄像图像处理技术、道路识别技术以及控制技术，完成飞思卡尔智能车比赛摄像处理与道路识别软件技术，系统各个模块独立调试以及整个系统调试，机械与软硬件系统联调，并做好比赛准备工作。具体研究内容包括：(1)直流驱动电机模块在比赛规则允许范围内，经研究分析智能车现有直流驱动电机传动控制结构，对其传动部分提出改进方案，设计并加工出传动机构，装配在智能车整车上，使得智能车可以更加平稳快速的行驶；(2)舵机模块在比赛规则允许范围内，经研究分析智能车舵机传动控制方案，对其提出改进方法，设计并加工出传动机构，装配在智能车整车上

11、，使得智能车行驶更加平稳、方向控制更加稳定； (3)重心模块整车重心位置的选择与确定，重心前后位置确定将影响到整车的转型性能、平稳性能与加速性能，重心的高度与智能车的平稳性能、过障碍和爬坡性能息息相关，如何选择与确定需要通过大量的计算与实验决定；(4)道路识别模块道路识别部分主要涉及传感器包括摄像头和光电管的选择与安装，传感器的工作模式，路径信号和起跑终止线信号的采集与处理，信号处理结果的输出，道路识别时智能车一个关键技术；(5)控制系统模块控制系统主要包括直流驱动电机的速度控制和舵机的转向控制，是智能车的核心部分，控制使汽车实现智能化。四、技术路线4.1技术路线（1）分析电机驱动模块，研究其

12、传动机构，在可行范围内对机构进行优化，用SolidWorks、Pro/E等进行三维设计与仿真，并通过数控机床、线割机床等进行加工，装配于智能车上；（2）分析舵机模块，通过实验和计算，确定舵机安装方式和安装位置，研究其传动机构，在可行范围内对机构进行优化，用SolidWorks、Pro/E等进行三维设计与仿真，并通过机床、线割机床等进行加工，装配于智能车上；（3）通过大量实验和计算，确定重心与速度对于智能车过弯侧翻影响，取得最快速度、最佳重心高度和位置与不侧翻之间的数量值关系；确定底盘高度对智能车过障碍和爬坡的具体影响，在不影响过障碍和爬坡性能前提下对底盘进行优化；（4）确定最佳重心后，将硬件电

13、路模块、摄像头、光电管、编码器等安装在智能车上；（5） 确定摄像头采集路径信号的方法，设计路径信号处理算法，先设计好直道算法，在直道算法确定后再设计弯道算法，多种算法进行比较，实验验证各算法的稳定性和准确性，确定最终的摄像头信号采集和信号处理算法；确定光电管对起跑线和终止线的信号采集方法，设计信号处理办法，多种算法进行实验比较，确定最终的光电管相应软件算法编程；（6）直流驱动电机的控制算法，分析直流驱动电机可行的控制算法，在实现基本直道和弯道算法情况下，比较各种算法的优劣性，确定最终电机控制算法；（7）舵机控制算法，分析舵机控制的可行算法，在实现舵机直道稳定和弯道平稳快速转弯的情况下，选取舵机

14、控制的最优算法；（8）在机械结构、道路识别系统、控制算法、硬件电路和底层算法所有相关内容全部准备就绪后，进行整车调试和调整，做好比赛和毕业设计准备。4.2可行性分析（1）计算机技术的快速发展，使三维设计软件有了很强大的功能，可以根据需要方便快捷地设计修改零件模型，另外，一些动力学分析软件可以对机构进行运动学和动力学的具体仿真、测试和分析。同时，学校训练中心可以进行简单的机械零件加工，为该课题的机械部分实验提供理论和实际依据；（2）嵌入式系统的快速发展，可供参考的 Freescale32位微处理器的技术资料非常丰富。同时，实验室一直从事机械、电气和控制方面的研究，有大量的技术支持，为本课题的控制

15、系统设计和软件算法设计提供了理论和实际依据；（3）由于作者在本科期间学习了部分相关专业知识，参加过机械设计的相关比赛和灭火机器人、瑞萨智能车等有关比赛，为本课题的机械结构、道路识别、控制系统、运动学分析提供了相关经验和理论知识；（4）通过前期的准备和智能车调试，现在智能车的应用Freescale Kinetis K60 Cortex -M4微处理器作为核心，OV5116 CMOS摄像头采用二值化处理图像，直流驱动电机通过PID算法控制速度，舵机通过PWM占空比控制转向，相关的空间结构计算分析、重心研究等已经取得部分成果，如今，智能车已经可以通过中线巡线方法实现直线快速行驶，弯道算法正在论证曲率

16、法、双摄像头法、中线修正法等方法，基本可以做到弯道部分慢速巡线，后期相的关硬件电路、底层软件、机械优化、道路识别和控制系统等工作也在分工进行，基本可以在4月实现智能车的初步制作。综上所述，从研究的方法、机械结构的实现、算法的控制等方面来看，机械结构的优化和道路系统的设计都是可行的，同时对于智能车来说，此课题研究必不可少，在特定的领域内有应用及参考价值。因此，本课题的研究及设计是可行的。五、关键技术介绍5.1舵机安装方式及结构优化舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。舵机安装方式主要有

17、：（1）平躺式固定：这种固定方式是车模上舵机的原安装方式。它的优点：1）重心低，接近地盘，有利于车模的稳定； 2）两臂前轮不等长，有利于车模的转弯。 它的缺点：1）在舵机和角度调节头之间有介子作为受力缓冲作用的，这在比赛中会延缓前轮的反应时间，最好用AB胶将其固定死。 2）舵机的力臂太短。相比后两种固定方式，舵机在相同的转角下，前轮转角会小得多，这在比赛中是很不利的。因为舵机转角是需要时间的，这样就延缓了前轮的转动效率。（2）站立式固定这种固定方式是舵机竖立在车身中间位置，用两等长的前轮推杆住链接前轮。它的优点：1）力臂长，前轮的反应速度是平躺式的三倍左右2）两拉杆轴是等长的，所以车的左右转是

18、相同的它的缺点： 使车模车头整体重心过高，影响车模的稳定性。（3）侧卧式固定舵机转头朝下，固定在中间位置，用铝板固定牢固。 它的特点：优点上基本上和站立式固定方式相同，不过它克服了站立式固定的重心过高的缺点。是一种比较理想的固定方式。（4）反装式固定这是其他队的固定方式，很不错，使车模的重心后移减轻车头转向负担。不过我们为了降低车模整体的重心和稳定性，把主板压低到底盘上。无法使用该固定方式。5.2直流驱动电机和舵机控制方式舵机和电机组成了智能车两个最重要的部分，前者控制方向，后者控制速度，是智能车能够实现智能化的核心执行部件。现在智能车上比较流行的控制算法如下：（1）PWM控制脉冲宽度调制波通

19、常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。通过MCU调节占空比输出不同的PWM波，不但可以调剂舵机转向，同时也可以调剂电机的驱动速度，实现两部分的控制。（2）经典PID控制PID 控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70 多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。单位反馈的PID 控制原理

20、框图如图2 图2 单位反馈的PID 控制原理框图单位反馈e 代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制器，控制器算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号进行线性组合，得到输出量u。u=Kpe+Kiedt+Kddedt其中，分别称为比例系数、积分系数、微分系数。u 接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号u ,这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误差信号，这个过程就这样周而复始地进行。PID 各个参数作用基本介绍：增大微分项系数可以加快动态系统响应，但容易引起震荡。一般增大比例系数能够减小上升时间，但不能消除稳态误差。增大积分系数能够消除稳态误差，但会使瞬时响应变

21、差。增大微分系数能够增强系统的稳定特性，减小超调，并且改善瞬时响应。对连续系统中的积分项和微分项在计算机上的实现，是将上式转换成差分方程，由此实现数字PID 调节器。（3）模糊控制模糊控制以模糊集合、模糊语言变量、模糊推理为其理论基础,以先验知识和专家经验作为控制规则。其基本思想是用机器模拟人对系统的控制,就是在被控对象的模糊模型的基础上运用模糊控制器近似推理等手段,实现系统控制。在实现模糊控制时主要考虑模糊变量的隶属度函数的确定,以及控制规则的制定。模糊控制单元的基本结构如图3所示。它由规则库、模糊化、模糊推理和清晰化4个功能模块组成。模糊控制单元首先将输入信息模糊化，然后经模糊推理规则，给

22、出模糊输出，再将模糊指令清晰化，得到操作控制变量。图3 模糊控制基本单元智能车模糊控制采用二维模糊控制器, 输入变量E、EC, 分别是激光管给出的黑线相对于中心线的横向偏差和偏差变化率即曲率, 其输出量U 是智能车舵机的转向角。模糊控制智能小车转向系统结构如图4所示。图4 模糊控制智能小车转向系统结构其中，L*为给定的黑线与小车中心的相对位置，L 为智能小车行驶过程中的实际黑线位置， e 为L* 和L 进行比较的偏差， ec 为偏差的变化率。图中u 为模糊控制得出的PWM 占空比值。E、EC、U 分别为模糊控制的输入、输出。q为舵机转动角度，舵机通过连杆带动前轮转动，实现转向控制，使小车沿黑线

23、前进。六、要解决的技术问题（1）舵机舵机部分的要解决问题集中在：l 安装位置与方式：安装位置主要是相对于轮胎推杆位置，是推杆前面还是推杆后面；安装方式是指舵机侧卧安装、平躺安装、竖直安装和反装安装。主要影响电路硬件与传感器模块安装位置、重心高低、受力情况、机构运动、平稳性能、转向性能等；l 传动机构：传动机构是指舵机轴到轮胎之间的空间机构，其中有连杆机构、球铰链机构等，传动机构的优化又涉及到齿轮传动、连杆传动的选择、加工与装配；l 内外束角：车轮的内束角和外束角主要跟推杆长度有关，轮胎内束角使得智能车直线行驶和快速行驶更加稳定，外束角使得智能车转弯控制更加迅速；（2） 重心重心要解决问题主要在

24、：l 重心位置和高度：影响主要因素有底盘结构、轮胎垫圈选择、车体垫片选择、编码器安装位置、硬件电路安装位置、舵机安装位置与安装方式、摄像头和光电管安装位置与安装方式等；l 重心与稳定性：重心越高、速度越快，在过弯道时很容易发生侧翻，如何确定重心、速度、转角与发生侧翻之间的关系需要进行大量的实验和计算；重心越低，稳定性越好，但是重心过低又会影响到智能车过障碍物和爬坡时的性能，如何在两者之间实现平衡也要不断的实验与计算；（3） 道路识别道路识别部分要解决问题在于两点：l 摄像头信号采集模式：是选择CCD还是CMOS摄像头，如何选择摄像头处理模式，是一维还是二维，线阵还是点阵等；l 弯道算法：直线算

25、法可以采用中线法，但是弯道用中线难度很大，弯道算法和过弯舵机控制是重点，；（4） 控制系统控制系统分两个模块控制：l 舵机控制：舵机控制方式常用的有PWM控制和模糊控制等；l 电机控制：电机控制主要有PID控制、模糊控制和棒棒控制等；七、日程安排序号各阶段名称起止日期1调研、收集资料1213第一学期2文献资料查阅1213第一学期3机械传动系统方案设计2周4智能车三位造型设计4周5图像处理以及道路识别系统软件设计、仿真、调试8.5周6写论文、答辩1.5周八、参考文献1 怯肇乾.基于底层硬件的软件设计.北京航空航天大学版社.20122 杨铸等深入浅出嵌入式底层软件开发北京航空航天大学出版社.201

26、13 王宜怀 曹金华嵌入式系统设计实战基于飞思卡尔S12X微处理器北京航空航天大学出版社.20114 华大年 唐之伟.机构分析与设计.纺织工业出版社.19855 张跃常 戴卫恒Freescale系列单片机常用模块与综合系统设计实例精讲电子工业出版社.20106 江文杰 曾学文 施建华光电技术科学出版社.20097 孙桓 陈作模 葛文杰主编.机械原理（第七版）高等教育出版社.20068 华大年 华志宏连杆机构设计与应用创新机械工业出版社.20089第八届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛组织委员会. 第八届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛竞速比赛规则与赛场纪律. 全国大学生智能汽车竞赛秘书处. 201210 程融 刘进基于光电管的智能车路径识别研究兵工自动化.第28卷第12期.2009.1211 手创科技智能车专题