摄像头组-北京邮电大学-北邮摄像头一队-智能车技术报告-@飞思卡尔大学计划 第八届-飞思卡尔-智能车比赛-技术报告-华北赛区

1、第八届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校：北京邮电大学 队伍名称：北邮摄像头一队参赛队员：何映材邬仲钧刘涛带队教师：高荔 技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、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。参赛队员签名： 何映材 邬仲钧 刘涛 带队教师签名： 日 期： 目录 TOC o 1-3 h z

2、 u HYPERLINK l _Toc364353653 第一章 设计概览 PAGEREF _Toc364353653 h 3 HYPERLINK l _Toc364353654 1设计概述 PAGEREF _Toc364353654 h 3 HYPERLINK l _Toc364353655 1.1整车设计思路 PAGEREF _Toc364353655 h 3 HYPERLINK l _Toc364353656 1.2车模整体造型 PAGEREF _Toc364353656 h 3 HYPERLINK l _Toc364353657 图1.2车模整体造型 PAGEREF _Toc36435

3、3657 h 4 HYPERLINK l _Toc364353658 第二章 硬件设计 PAGEREF _Toc364353658 h 5 HYPERLINK l _Toc364353659 2硬件设计 PAGEREF _Toc364353659 h 5 HYPERLINK l _Toc364353660 2.1机械结构 PAGEREF _Toc364353660 h 5 HYPERLINK l _Toc364353661 2.1.1舵机改装 PAGEREF _Toc364353661 h 5 HYPERLINK l _Toc364353662 2.1.2电池固定 PAGEREF _Toc36

4、4353662 h 5 HYPERLINK l _Toc364353663 2.1.3电机定位 PAGEREF _Toc364353663 h 6 HYPERLINK l _Toc364353664 2.1.4底盘固定 PAGEREF _Toc364353664 h 6 HYPERLINK l _Toc364353665 2.1.5差速调节 PAGEREF _Toc364353665 h 6 HYPERLINK l _Toc364353666 2.2硬件电路 PAGEREF _Toc364353666 h 6 HYPERLINK l _Toc364353667 2.2.1电源设计 PAGERE

5、F _Toc364353667 h 6 HYPERLINK l _Toc364353668 2.2.2电池电压检测模块 PAGEREF _Toc364353668 h 7 HYPERLINK l _Toc364353669 2.2.3驱动电路设计 PAGEREF _Toc364353669 h 8 HYPERLINK l _Toc364353670 2.3摄像头选型 PAGEREF _Toc364353670 h 8 HYPERLINK l _Toc364353671 第三章 系统软件设计 PAGEREF _Toc364353671 h 9 HYPERLINK l _Toc364353672

6、3软件设计 PAGEREF _Toc364353672 h 9 HYPERLINK l _Toc364353673 3.1程序整体设计 PAGEREF _Toc364353673 h 9 HYPERLINK l _Toc364353674 3.2图像提取与处理 PAGEREF _Toc364353674 h 10 HYPERLINK l _Toc364353675 3.3控制策略 PAGEREF _Toc364353675 h 12 HYPERLINK l _Toc364353676 3.3.1整体控制 PAGEREF _Toc364353676 h 12 HYPERLINK l _Toc36

7、4353677 3.3.2PID算法的引入与改进 PAGEREF _Toc364353677 h 12 HYPERLINK l _Toc364353678 3.3.3增量式or位置式 PAGEREF _Toc364353678 h 14 HYPERLINK l _Toc364353679 第四章 调试工具 PAGEREF _Toc364353679 h 15 HYPERLINK l _Toc364353680 4调试工具 PAGEREF _Toc364353680 h 15 HYPERLINK l _Toc364353681 第五章 总结 PAGEREF _Toc364353681 h 16

8、HYPERLINK l _Toc364353682 5总结 PAGEREF _Toc364353682 h 16 HYPERLINK l _Toc364353683 第六章 车模参数 PAGEREF _Toc364353683 h 17 HYPERLINK l _Toc364353684 6车模规格 PAGEREF _Toc364353684 h 17 HYPERLINK l _Toc364353685 参考文献 PAGEREF _Toc364353685 h 17 HYPERLINK l _Toc364353686 附录 PAGEREF _Toc364353686 h 18第一章 设计概览设

9、计概述整车设计思路智能车主要由三个部分组成：检测系统，控制决策系统，动力系统。其中检测系统采用CMOS数字摄像头ov7620，控制决策系统采用MK60作为主控芯片，动力系统主要控制舵机的转角和直流电机的转速。整体的流程为，通过视觉传感器来检测前方的赛道信息，并将赛道信息发送给单片机。同时，通过光电编码器构成的反馈渠道将车体的行驶速度信息传送给主控单片机。根据所取得的赛道信息和车体当前的速度信息，由主控单片机做出决策，并通过PWM信号控制直流电机和舵机进行相应动作，从而实现车体的转向控制和速度控制。图1.1 智能车系统总体结构框图车模整体造型我们车模的整体设计简洁，轻便，可靠美观。如下图：图1.

10、2车模整体造型 第二章 硬件设计硬件设计机械结构舵机改装舵机直接控制小车的转向，因此舵机安装及调整对小车转向性能有巨大影响。首先考虑的是舵机左右位置的精准定位。左右不对称就可能导致车模左转右转性能的差异，这种差异直接导致小车在连续的大s中累计偏左或偏右的误差，路径变差。我们适当加长了舵机连片的长度，使其动态响应性能有所提升。过长的连片会使舵机力臂加长，转向吃力。连片采用特制pcb板，既可精确定位也可减轻重量。如图图2.1舵机安装电池固定电池的固定我们采用了最简洁的固定方式-两块铝片和一个塑料柱。为了尽量降低重心，我们的电池是紧贴车底盘的。电池用一块可旋的塑料片卡住，非常方便装卸。如下图图2.2

11、电池安装电机定位电机的定位主要影响前轮的齿轮动力传动。必须调整电机传动轴与轮轴平行，且要调整好合适的齿轮间距，否则会导致齿轮磨损严重，并发出刺耳的噪声。经过我们大量的调整试验发现了找最适合的齿轮间距的方法：压紧两齿轮，中间夹一张A4纸，固定好后抽掉纸则得到最佳齿间距。底盘固定由于小车行驶道路比较平整，车模位置有限，我们没有使用悬挂装置。但是我们发现底盘连接要有一定的刚性裕度，过硬的连接会导致车模转向时前轮上下震动，转向困难。为了降低重心，底盘上所有螺丝均为沉头螺丝，保证底盘的绝对平整。差速调节差速是决定车模转向的灵活性和直线加速的迅猛性的重要环节。我们发现过紧的差速使转弯变的迟钝，在高速情况下

12、容易侧翻。当然，差速过松的情况下转弯甩尾。硬件电路电源设计小车电源主体分为4部分-核心板、摄像头、电机驱动、舵机。电机直接使用电池电压给驱动供电。而sd-5舵机需要6v电压，摄像头需要5v供电，故采用了超低压差线性稳压芯片lt1963。它的最低压差为0.5v，芯片稳压输出电压可通过两个电阻调节。而核心板k60工作电压3.3v，我们采用市场上价格低廉，技术成熟的tlv1117-3.3v稳压芯片。电源模块如图：图2.3 3.3v稳压图2.4 5v稳压图2.5 6v稳压电池电压检测模块电池耗尽时，时常需要用万用表检测。为了方便监测电池电压，我们自主设计了电压低电提示电路。当电池电压低于设定值时，对应

13、led灯会亮起。电路如图：图2.6 电池电压检测驱动电路设计我们用两个半桥电路构成h全桥驱动电机正反转。BTS7960这款芯片非常适合电机驱动。它具有过压过流过热等保护，驱动电流可达43A，满足摄像头车对速度的渴望。电路如图：摄像头选型在众多的摄像头中我们选择了CMOS的OV7620，属于数字摄像头。模拟摄像头有更好的动态特性，在车子高速行驶时，图像更清晰，但是它需要额外的一块AD转换模块，增加了主板的开销。我们在对比了车子在3米和3米3之间的模拟摄像头和数字摄像头的图像时，发现在用DMA采集的图像没有什么大的差别，提取的中线差不多，故我们毅然决然选择了比较简洁的数字摄像头OV7620。第三章

14、 系统软件设计软件设计程序整体设计如图所示，为系统软件整体结构框图，主要包括：系统参数的手动调节；CCD数据处理模块；角度传感器模块；路径控制模块；舵机控制模块；电机控制模块。 系统接通电源后，经初始化；通过系统参数的手动调节，使系统能够按照准确的设想方式运行；然后通过CMOS摄像头传感器采集数据，经过相应处理得出当前赛道路径信息；同时，电机测速模块测得模型车当前的运行速度，反馈给系统；最后，经路径控制系统综合当前赛道路径信息和车模速度值作出相应的处理，来控制电机和舵机的运行。图像提取与处理摄像头组的核心部分为左右边线的提取，从而推算出中心线的位置，引导车子的行进方向。我们使用了ov7620这

15、款数字摄像头，返回的是灰度图像，远方图像较模糊，难以提取黑线。所以我们使用了边沿锐化算法，根据一定的阈值，对返回的灰度图像进行遍历，运算处理，得到反映图像边沿的二值图像，远方的信息也能较好地得到，再进行左右边线的提取。直道原图直道锐化图大s弯原图大s锐化图边线提取，中心线推算思路：1.近处图像较远处图像可靠，所以边线由近到远提取2.近十行先从中间向两边进行边沿搜索，找到边沿，确保近处图像有效3.之后的行采用边沿跟踪，根据上一行的黑线位置动态地确定本行黑线的搜索范围，搜索黑线，节省时间4.若连续几行的左右线都找不到，判断为十字弯，进行左右线的延伸，直至再找到有效的边线；若连丢几行的次数较多时，则

16、认为是虚线小s，进行垂直方向的延伸后不必特别处理5.若左右边线均找到，该行中心线直接为左右边线等权重加权；若某一边线丢失，则根据前面有效行的赛道宽度和另一边线的位置对中心线进行推算6.推算完中心线后可对中心线进行一定的修正，更符合实际今年的规则相较于去年增加了虚线小s这种路况，给边线提取增加了难度，所以黑线提取及中心线的推算就需要更多的信息。我们统计了左右边线丢失的行数，左右边线的趋势，左线结束的位置，右线结束的位置，再进行中心线的推算。 大s锐化、中线提取图 十字路口锐化、中线提取图 虚线s锐化、中线提取图 60cm半径弯中线提取图控制策略整体控制电机的控制其实说简单点，就是根据舵机转角的二

17、次关系，再按照图像的特点动态计算二次曲线的最高点和最低点，这样能既能保证在舵机小转角时以较快速度运行，又能避免直道入弯道时减速不及时的特点，这样计算出需要达到的理想速度，再以此速度与当前实际速度作比较，结合增量式PID作出是该加速还是该减速，该猛加速还是全速反刹的判断。 舵机转角的控制就是按照提取出的中线，选取部分固定行，计算出推算的中线与图像中线的累计偏差值，然后再按照经典的pd控制来确定舵机的转角。PID算法的引入与改进舵机的控制以及电机的控制都不同程度的结合了PID算法，故将PID算法讲解如下： PID控制策略其结构简单，稳定性好，可靠性高，并且易于实现。其缺点在于控制器的参数整定相当繁

18、琐，需要很强的工程经验。相对于其他的控制方式，在成熟性和可操作性上都有着很大的优势。所以最后我们选择了PID的控制方式。 在小车跑动中，因为不需要考虑小车之前走过的路线，所以，我们舍弃了I控制，将小车舵机的PID控制简化成PD控制。速度闭环控制采用了增量式PID控制。参数调节使用试凑法来确定控制器的比例、积分和微分参数。 试凑法是通过闭环试验，观察系统响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，最后确定PID控制参数。试凑不是盲目的，而是在控制理论指导下进行的。 在控制理论中已获得如下定性知识： 比例调节（P）作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，

19、比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节（I）作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。 微分调节（D）作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性， 能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，

20、 已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD 或PID 控制器。 试凑法的具体实施过程为： （1）整定比例部分 将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统静差小到允许范围，响应曲线已属满意，那么只需比例控制即可，由此确定比例系数。 （2）如果在比例控制基础上系统静差不能满足设计要求，则加入积分环节，

21、 整定时首先置积分时间为很大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8），然后减小积分时间，使得在保持系统良好动态的情况下，静差得到消除，在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程，得到整定参数。 （3）若使用比例积分控制消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意， 则可加微分环节，构成比例、积分、微分控制器。在整定时，先置微分时间为零，在第二步整定基础上增大，同样地相应改变比例系数和微分时间，逐步试凑以获得满意的调节效果和控制参数。增量式or位置式在电机的控制中，我们分别尝试和对比了位置式PID和增量式PID，经过比对和分析，最终

22、选择了增量式PID，现将调试过程中的心得和各自的优势与劣势告知于读者。位置式PID的特点为：作为PID控制的输入，作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制规律如下公式，原理图如图所示。式中：控制器的比例系数 控制器的积分时间，也称积分系数 控制器的微分时间，也称微分系数 位置式PID控制原理图增量式PID特点为： 其中，为第n次输出增量；为第n次偏差；为第n1次偏差；为第n2次偏差，在上次输出量的基础上加上当前计算出的变化量。运用位置式PID会感觉控速很连贯，不会有明显的加速和减速，因此车子看上去会比较流畅；运用增量式PID时会明显感觉到车子加速和减速特别迅猛，入弯时

23、速度会减得特别猛，出弯时速度会很快加到预期速度。通过调整增量式pid的参数后可以得到一个比较好的加减速效果，这样在入弯时会以一个比较慢的速度平稳的过弯，然后出弯时立刻加速，加到一个很快的速度，这样车子适应性强，过弯时安全平稳，正因为这个特点，我们选择了增量式PID。第四章 调试工具调试工具对于摄像头队而言，对图像的提取的处理无疑是一个很重要的环节，为了更好更准备的提取和处理黑线，我们自己用matlab开发了一个查看摄像头传回来图像的上位机。它能够将摄像头传回来的数据还原到真实的图像，以便于我们看到摄像头工作的情况，及时发现和处理摄像头方面的问题。该上位机的工作界面如下：第五章 总结总结飞思卡尔

24、智能车比赛已举行了八届了，回顾这几年的技术发展，从第一年以光电车为主，到第二年摄像头车成绩遥遥领先，到第三年激光管车的出现，再到第五年电磁车的出现，每一个新的检测方法的出现都使车速提升到一个新的高度。今年，组委会将光电改为直立行走并用线性CCD，将摄像头的车倒向跑，这可谓是一个不小的创新，也给调车人员一个不小的挑战，因此不仅需要做到很好的路径优化，更重要的是车模的稳定性，因此调整车模的机械结构使其更加稳定花费了我们大量的时间。相信在不久的将来，车模的形态还会出现很大的改变，只有创新才会有进步。 第六章 车模参数车模规格车长30.5cm车宽18cm车高32cm重量1.15kg传感器类型2传感器个

25、数2总电容600.8uf参考文献1 胡海峰，史忠科，徐德文.智能汽车发展研究A.西安：西北工业大学，20042 史建鹏.汽车转向轮前束与车轮外倾角的设计匹配A.湖北:东风汽车公司,20053 卓晴，王琎，王磊. 基于面阵CCD的赛道参数检测方法. 电子产品世界,2006(4):141-143. 4 谭浩强著C程序设计M北京：清华大学出版社，2003 5 邵贝贝单片机嵌入式应用的在线开发方法M北京清华大学出版社2004. 6 阎石数字电子技术基础M. 北京: 高等教育出版社. 2006. 附录附录 A 算法源程序图像提取核心部分for( row = ROW_UPPER ; row = ROW_L

26、OWER; row-) /找左线 lboundflagrow = 0;/先将左线是否找到的属性置0 for( col = lrbound; col = llbound; col-)/从左线搜索右边界向左线搜索左边界开始搜 if( Pic_Bufferrowcol = 255 )/找到白点 while(1)/左线需要向右搜索直至找到第一个白点 /if(Pic_Bufferrowcol=255 & Pic_Bufferrowcol+1=0 & Pic_Bufferrowcol+2=0 & col = COLUMN_END-2) if(Pic_Bufferrowcol=255 & col = COLUMN_END) col+; else break; left = col - 1; line_leftrow= col - 1; lboundflagrow = 1;/代表本行找到左线 lfindcnt+; llost = 0;/统计连续找不到左线的行数 break; /找右线 rbo