东秦创意组初步技术报告

1、 - 1 -第九届“飞思卡尔”杯全国大学生 智能汽车竞赛 初步技术报告学 校： 东北大学秦皇岛分校 队伍名称： 东秦创意组参赛队员： 闫 莉 韩昕宇 张碧涛 黄 洋 叶志彬带队教师： 顾德英 孙文义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九届“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。参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期： 本文设计的智能车系统以MK60DN512Z

2、VLQ10微控制器为核心控制单元，通过CCD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，提取黑色边线，用于赛道识别；通过OV7725对交通指示灯进行阈值分离提取箭头，判断箭头方向控制转向；通过光电编码器检测模型车的实时速度，使用PID控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。为了提高模型车的速度和稳定性，使用串口助手、Labview图像上位机、蓝牙模块、LCD模块、键盘模块等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案确实可行。关键字：MK60DN512ZVLQ10，CCD，OV7725，PID控制 Abstract

3、TheintelligentvehiclesystemintroducedinthispaperbasedonMK60DN512ZVLQ10asthecorecontrolunit.ItusesCCDcameratochecktrackinformationandusesACMPtobinarizeimagesandextracttheblacklinewhichusedfortrackrecognition.ThesystemusesOV7725todothresholdingsegregationandextractthearrows,andcontrolthesteeringbyjudg

4、ingthedirectionofthearrows.Itusesphotoelectricencodertotestthemodelvehiclesreal-timespeedandusesPIDtoadjustthedrivemotorsrotationalspeedandsteeringenginesangle.Inthiswayitcanrealizetheclosed-loopcontroltothemodelvehiclesspeedandmovingdirection.Besides,inordertoincreaseitsspeedandimproveitsstability,

5、thesystemreceivedalotofhardwareandsoftwaretestingbydebuggingtoolssuchasSerialdebuggingassistant,Labview,Bluetoothmodule,LCDmodule,keyboardmodule,andsoon.Thetestingresultsindicatedthatthisdesignisfeasibleandreliable.Keywords: MK60DN512ZVLQ10,CCD,OV7725,PID control目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc39

6、3900452 摘 要 PAGEREF _Toc393900452 h - 3 - HYPERLINK l _Toc393900453 第一章引 言 PAGEREF _Toc393900453 h - 6 - HYPERLINK l _Toc393900454 1.1背景介绍 PAGEREF _Toc393900454 h - 6 - HYPERLINK l _Toc393900455 1.2整体设计方案 PAGEREF _Toc393900455 h - 7 - HYPERLINK l _Toc393900456 1.2.1路径检测方案设计 PAGEREF _Toc393900456 h -

7、 7 - HYPERLINK l _Toc393900457 1.2.2指示灯检测方案设计 PAGEREF _Toc393900457 h - 7 - HYPERLINK l _Toc393900458 1.2.3速度控制方案设计 PAGEREF _Toc393900458 h - 8 - HYPERLINK l _Toc393900459 1.2.4系统总体设计 PAGEREF _Toc393900459 h - 9 - HYPERLINK l _Toc393900460 第二章机械结构设计及调整 PAGEREF _Toc393900460 h - 10 - HYPERLINK l _Toc

8、393900461 2.1舵机的固定与安装 PAGEREF _Toc393900461 h - 10 - HYPERLINK l _Toc393900462 2.2四轮定位 PAGEREF _Toc393900462 h - 10 - HYPERLINK l _Toc393900463 2.2.1主销后倾角 PAGEREF _Toc393900463 h - 11 - HYPERLINK l _Toc393900464 2.2.2主销内倾角 PAGEREF _Toc393900464 h - 12 - HYPERLINK l _Toc393900465 2.2.3前轮外倾角 PAGEREF _

9、Toc393900465 h - 13 - HYPERLINK l _Toc393900466 2.2.4前轮前束 PAGEREF _Toc393900466 h - 13 - HYPERLINK l _Toc393900467 2.2.5其他部分调整 PAGEREF _Toc393900467 h - 14 - HYPERLINK l _Toc393900468 2.3差速的调整 PAGEREF _Toc393900468 h - 15 - HYPERLINK l _Toc393900469 2.4整车重心的调整 PAGEREF _Toc393900469 h - 16 - HYPERLIN

10、K l _Toc393900470 2.5整车布局 PAGEREF _Toc393900470 h - 17 - HYPERLINK l _Toc393900471 第三章传感器分析与布局 PAGEREF _Toc393900471 h - 18 - HYPERLINK l _Toc393900472 3.1赛道识别部分 PAGEREF _Toc393900472 h - 18 - HYPERLINK l _Toc393900473 3.1.1基于电压比较器的硬件二值化原理 PAGEREF _Toc393900473 h - 19 - HYPERLINK l _Toc393900474 3.2

11、方向灯识别部分 PAGEREF _Toc393900474 h - 23 - HYPERLINK l _Toc393900475 3.3摄像头的安装 PAGEREF _Toc393900475 h - 26 - HYPERLINK l _Toc393900476 3.3.1摄像头标定 PAGEREF _Toc393900476 h - 26 - HYPERLINK l _Toc393900477 3.3.2Sony CCD的安装 PAGEREF _Toc393900477 h - 27 - HYPERLINK l _Toc393900478 3.3.3OV7725的安装 PAGEREF _To

12、c393900478 h - 28 - HYPERLINK l _Toc393900479 第四章硬件电路设计 PAGEREF _Toc393900479 h - 29 - HYPERLINK l _Toc393900480 4.1整体硬件框图 PAGEREF _Toc393900480 h - 29 - HYPERLINK l _Toc393900481 4.2电源电路设计 PAGEREF _Toc393900481 h - 29 - HYPERLINK l _Toc393900482 4.2.1单片机电源电路 PAGEREF _Toc393900482 h - 29 - HYPERLINK

13、 l _Toc393900483 4.2.2舵机供电 PAGEREF _Toc393900483 h - 30 - HYPERLINK l _Toc393900484 4.2.3摄像头供电 PAGEREF _Toc393900484 h - 31 - HYPERLINK l _Toc393900485 4.3视频信号二值化 PAGEREF _Toc393900485 h - 31 - HYPERLINK l _Toc393900486 4.4驱动电路 PAGEREF _Toc393900486 h - 32 - HYPERLINK l _Toc393900487 4.5测速模块 PAGEREF

14、 _Toc393900487 h - 33 - HYPERLINK l _Toc393900488 4.6主板电路图 PAGEREF _Toc393900488 h - 34 - HYPERLINK l _Toc393900489 第五章控制算法设计 PAGEREF _Toc393900489 h - 35 - HYPERLINK l _Toc393900490 5.1系统总体控制流程图 PAGEREF _Toc393900490 h - 35 - HYPERLINK l _Toc393900491 5.2软件设计总体思路 PAGEREF _Toc393900491 h - 35 - HYPE

15、RLINK l _Toc393900492 5.3系统控制策略 PAGEREF _Toc393900492 h - 36 - HYPERLINK l _Toc393900493 5.3.1系统控制的特点 PAGEREF _Toc393900493 h - 36 - HYPERLINK l _Toc393900494 5.3.2系统控制方案的设计 PAGEREF _Toc393900494 h - 36 - HYPERLINK l _Toc393900495 第六章系统开发及调试工具 PAGEREF _Toc393900495 h 44 HYPERLINK l _Toc393900496 6.1

16、开发工具 PAGEREF _Toc393900496 h 44 HYPERLINK l _Toc393900497 6.2上位机图像显示 PAGEREF _Toc393900497 h 44 HYPERLINK l _Toc393900498 6.3无线调试蓝牙模块 PAGEREF _Toc393900498 h 46 HYPERLINK l _Toc393900499 第七章车模主要技术参数 PAGEREF _Toc393900499 h 47 HYPERLINK l _Toc393900500 第八章总 结 PAGEREF _Toc393900500 h 48背景介绍“飞思卡尔”杯智能汽车

17、竞赛是教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办，以“立足培养、重在参与、鼓励创新、追求卓越”为口号，为提高大学生的动手能力和创新能力而举办的。为了能够进一步提高大学生创新能力、丰富竞赛内容、提高竞赛水平，全国大学生智能汽车竞赛在竞速比赛基础上设置了创意组竞赛，至今已经成功举办了六届。本届创意比赛分为两个赛题组，分别是特技组和指标组。特技组注重参赛作品的突破车模常规运行的能力，体现参赛队伍的想象力和创造力，以提高创意组的观赏性。指标组则强调车模运行的性能指标，培养参赛队伍在工程实践中注重细节和优化的能力，指标组的评比过程更加强调客观性。综合考虑自身的条件和爱好，最终选

18、择了参加指标组比赛。参加指标组比赛的队伍就是在接近实际路况的情况下，实现自主识别路况、规划轨迹完成行驶任务。此次创意组比赛对提高汽车的自主驾驶能力对于提高出行安全性、降低驾驶负担具有现实的重要意义。本技术报告将针对我们制作小车过程中各个模块进行阐述并列出了模型车的主要技术参数。整体设计方案路径检测方案设计根据本届创意赛指标组题目要求，小车需按照赛道自主行驶，并根据交通指示灯转向，识别障碍及断车道等路况，考虑到小车需要精准的检测路况信息并作出提前判断，由此我们选择信息量丰富的摄像头作为路径检测的传感器。循迹摄像头方案的选择：方案一：采用CCD摄像头。CCD摄像头优点是成像质量好，特别是动态效果比

19、CMOS摄像头的效果要好很多。但是CCD 摄像头的功耗比CMOS摄像头要高，工作电流有100mA 左右。且输出模拟信号需转换才能使用。方案二：采用CMOS数字摄像头。CMOS摄像头功耗较低，工作电流只有10mA左右。并且CMOS摄像头出来直接是数字信号 综合两种方案，考虑到我们对高速下图像质量要求较高，且比赛时间较短，结合电路优化后功耗对系统影响较小，信号方面可以通过硬件二值化转换成数字信号再进行采集处理，因此选用CCD摄像头能更好的满足要求。指示灯检测方案设计指标组赛题在十字道口设有交通指示灯，根据箭头方向进行左转、直走、右转，且指示灯距赛道高度为50厘米，经试验，只用一个摄像头在检测赛道同

20、时无法检测到转向灯，使用广角镜头调整合适角度后虽然可以都检测到，但路面信息会出现严重的失真和干扰，影响小车正常行驶，因此我们采用双摄像头分别对赛道和指示灯进行识别。摄像头及识别指示灯方案的选择：方案一：采用CCD摄像头+硬件滤光。彩色CCD模拟摄像头的信号是复合信号，通过视频同步分离芯片LM1881能分离出行场信号，但无法得到单独的图像信号，因此无法直接用CCD进行采集，经我们考虑，硬件二值化后得到的图像时黑白的，且灯光部分是明显的白色，因此可调整适当的阈值使指示灯的箭头更突出，但是当背景杂乱时会对图像处理程序产生干扰，无法正常识别箭头方向。根据光学原理，采用红色滤光片可通过红光，吸收其他波长

21、的光线，因此在摄像头镜头前加红色滤光片可以透过箭头的红光，而滤去背景其他光线的干扰，使图像只显示箭头形状，再经过算法对箭头方向进行识别，经试验，此方法可行。方案二：采用OV7725彩色数字摄像头+软件滤光。采用彩色数字摄像头可以直接用阈值分割算法对箭头的红色亮灯区域进行滤波，从而得到箭头的用图像。方法简单但IO口占用较多。综合两种方案，方案一虽然简单易实现，考虑到同时使用两个CCD摄像头12V供电功耗太大，且CCD摄像头体积较大重量较重，放置两个CCD摄像头会影响整车的重心，影响小车稳定性；方案二虽然算法繁琐，但在车高速行驶时能保持其稳定性，因此方案二更适用。速度控制方案设计在保证赛车稳定性的

22、前提下，提高速度是获胜的关键，也是我们设计的重点。对赛车速度的控制主要有两种方案。即：开环控制和闭环控制。方案一：开环控制。开环控制是指没有反馈的控制。即通过预先设定的方案，没有外部反馈地进行操作。优点在于操作和控制比较简单，只需要提供理论运行的过程然后编程调整即可实现。缺点在于理论和实际始终有一定的误差，实践证明开环控制的精度不高，无法切实有效的提高速度。方案二：闭环控制。闭环控制是指具有反馈的控制。在系统运行过程中，需要不断检测赛车速度的状态， 与预期的状态进行比较， 当相差到一定程度时， 修正误差， 精度很高。但是缺点在于电路的搭建和程序的编制都比开环控制要复杂。实现电机的闭环控制传感器

23、主要是采用光电编码器，在电机转动一定角度的时候形成脉冲，由外部器件捕获这些脉冲，得出与实际运行的差异。综合两种方案，开环速度控制实现起来比较简单，但速度会随着电池电压的变化而变化，不能实现对速度的精确控制。为了使小车能以不同的速度通过不同的弯道，精确的速度控制是关键。而且由于赛道上有斜坡，赛车安全通过斜坡的关键是控制上坡和下坡的速度，所以对于采用速度闭环控制的赛车来说通过斜坡就像是通过普通的直道一样的简单，不需要对斜坡进行专门的检测。因此采用方案二闭环控制。系统总体设计综合以上分析，该系统以 Freescale 32位单片机MK60DN512ZVLQ10作为系统控制处理器， 采用基于的摄像头的

24、图像采样模块获取赛道图像信息，以PD方式对舵机转向进行反馈控制,电机转速控制采用 PID控制，通过 PWM 控制驱动电路调整电机的功率,通过特定算法分析出前方的路况，并根据路况的不同为小车选取最优路径在最短的时间内到达终点。系统的整体框图如图1.3-1所示：K60控制器Sony CCDK60控制器Sony CCD编码器电机输出舵机输出OV7725电机驱动二值化图1.2 整体系统框图 舵机的固定与安装对于舵机的安装，不难发现，将舵机的摆臂增长可以提高舵机的响应速度。因为舵机的摆臂越长，当车轮转过相同的角度时，舵机转过的角度越小，即时间越短。由于我们选择的是A车模，根据以往经验，当舵机是竖着安装时

25、，位置在车模底板正中央，这对以后的电路板的设计有影响，所以还是把舵机安置到了与前轮平行的地方，但是竖着安装，并增长了摆臂，如图2.1所示，而且两条拉杆的长度也在合理的范围内做了相应的调整。虽然加大力臂会加快舵机的转向，但是力臂的长度和力矩是成反比的，会导致舵机有一个空转的角度，所以要在多次的实验中选择合适的力臂。图2.1 舵机安装图四轮定位为保证智能小车直线行驶稳定，转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损， 需要对小车的四轮定位参数进行调整。四轮定位内容主要有：主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束，外侧车轮二十度时，内外转向轮转角差，后轮外倾角，后轮前束。其中，前轮定位的参数对小车性能有着

26、至关重要的影响，这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。本文将对这四个参数做详细阐述。主销后倾角 主销：转向轮围绕主销进行旋转，前轴的轴荷通过主销传给转向车轮,具备这两点的就叫做主销。主销后倾角：主销的轴线相对于车轮的中心线向后倾斜的角度。前轮重心在主销的轴线上由于主销向后倾斜使前轮的重心不在车轮与地面的接触点上，于是产生了离心力，主销后倾而形成的离心力，可以保证汽车直线行驶的稳定性还可以帮助车轮自动回正。主销后倾角延长线离地面实际接触越远，车速越高，离心力就越大。在高速行驶中保持汽车直线行驶的稳定性，适当的加大主销后倾角可以帮助转向轮自动回正，可有效扼制转向器的摆振，可使

27、转向便轻，单独适量调一侧的主销后倾角可修理行驶跑偏。主销后倾角靠离心力保证汽车直线行驶和车轮自动回正。高速行驶时跑偏可通过主销后倾角调节。但主销后倾角过大会造成高速时转向发飘。调整主销后倾角为1 3，可通过增减黄色垫片数量来改变。如图2.2.1所示： 图2.2.1主销后倾角 主销内倾角主销内倾角：在小车前后方向上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹角称为主销内倾角。由于主销轴线向内倾斜，所以使前轴荷更接近前轮中心线（前轴重心越接近前轮中心线转向越轻）麦弗逊式悬架分为零主销偏移和负主销偏移两种。当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；当

28、外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。故主销内倾角可保证汽车直线行驶的稳定性，还可帮助车轮自动回正，主销内倾轴线延长线在没超过前轮中心线的前提下，离前轮中心线越近，转向角越大，转向轮抬起的越高，车轮的回正力矩就越大。从而使转向操纵轻便，同时也减小了由于路面不平而从转向轮输出的力反馈。主销内倾角靠前轴轴荷保证汽车直线行驶和车轮自动回正。但主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮主销偏转的过程中，轮胎与路面将产生较大的滑动，从而增加轮胎与路面间的摩擦阻力，不仅会使转向变得沉重，还将加速轮胎的磨损。通常调节主销内倾角不大于8度。如图2.2.2所示。图2.2.2 主销内倾角 前轮外倾角前轮

29、外倾角：在汽车的横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾角。前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力，使小车转向轻便；另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷，增加了使用寿命，提高了安全性。一般前轮外倾角为1左右，但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾角可减小甚至为负值。如图2.2.3所示:图2.2.3 前轮外倾角 前轮前束前轮前束：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，这种现象称为前轮前束。车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，使前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。图2.2.4 前轮前束 图2.2.5 前

30、轮调整图 其他部分调整其他部分调整主要涉及到小车底盘高度、小车重心位置、后轮距、减震器、齿轮咬合、差速器等。具体调整如下：1、底盘高度调整：底盘高度可以影响重心。适当降低底盘高度可以使小车重心降低，有利于过弯稳定。实际调整可以通过调整前轮高度、后轮轴高度调节块等方式来调节。2、重心位置：重心位置同样影响小车性能。重心过前，增加转向阻力，引起转向迟滞。另外，如果小车速度很快的情况下，上下坡道的时候会造成前轮首先着地，很可能造成小车意外事故。重心过后，则会使小车前轮抓地不足，造成过弯非常不稳定。实际调整以重心在电池处为准，保持各部分重量均衡。3、后轮距调整：后轮距可以通过换装后轮宽度调整块来调整。

31、合适的后轮宽度会是小车直线性能和弯道性能更优，利于小车稳定。4、齿轮咬合调整：调整齿轮咬合，以不松动，无卡滞，松紧合适为准。另外还要保证齿轮间咬合有足够的接触面积。5、差速器调整：小车采用的差速器为滚珠式差速器。合适的差速器调整能够提高小车入弯速度，提高弯道性能。差速器调整可以通过右后轮轮轴上面的螺丝。注意调整过松，会严重影响直道加速性能；调整过紧则会使差速器处于无效状态。差速器滚珠处可以适当添加润滑剂，保证差速器平滑。差速的调整后轮的相对松紧程度，也就是差速对拐弯有很大的影响。差速太紧，则拐弯容易甩尾，速度快的时候很容易甩出去，但是差速如果太松，虽然会改善转弯性能，但是严重影响了直线上的加减

32、速，而且齿轮的咬合也不是很好，对齿轮会有一定的损坏。所以，后面两个轮子的相对松紧程度要适中，经过多次的调试，我们得出了比较满意的效果，即将模型车放到跑道上，用手抓住后轮的一只轮子使其不能转动，在赛道上推车子转弯，如果车子能够稍轻松的推动，则此时的差速器为最适合。调节差速可以通过调整大车轮里面的螺母松紧和外面车轮的松紧达到调成差速的效果，一般把舵机打到最大摆角，用手快速推车没感觉到很大的阻力就可以。注意防止差速太松，带动后轮动力不足。图2.3 差速调整 整车重心的调整模型车的重心对车子的整体性能的影响集中表现为前轮对地摩擦力的影响和车体否能稳定行驶。垂直高度上的重心影响车的稳定性，重心越低，稳定

33、性越高，当然这要求保证车的底板不会出现触地的现象；水平方向上的重心位置极其重要，它将直接影响了前轮对地的摩擦力，也就是我们想要的前轮抓地能力的强度。所以为了提高车对整个跑道的综合性能，我们将车的垂直重心尽可能降到最低，而将水平重心的位置调整为型心偏后，这样可以防止过弯时出现甩尾。调整模型车的垂直重心时，在前轮悬架下摆臂与底板之间加上垫片，后轮框架与底板之间增加固定板和垫片来调整底盘后半部分的离地间隙。小车的机械结构很重要，对速度的提高有很大的关系。调整的原则是垂直重心尽量低，这样有助于车模过急弯时的稳定。而水平重心靠前会加大前轮的负担，增加转向的难度，而靠后会使前轮转向振荡，水平重心的调整要尽

34、量平衡这两方面。电路以简洁为美，各个模块要分明，这样既可以减轻车模的重量，同时又美观。要注意到电路板的安放对车模的重心也是有很大的影响。整车布局智能车比赛作为竞速比赛，对智能车系统的高速性和稳定性要求都非常高，这也对智能车系统的整体组装提出非常高的要求。因此在布局上应尽量的对称、简洁。经过理论论证与实验测试，我们得到以下几点布局原则：（1）车模底盘降低，放低主板，以降低重心。（2）舵机采用卧式安装方式，利于控制。（3）用轻便坚固的碳纤杆作为摄像头杆的材料。（4）摄像头安于车体的前方，有利于重心分布和盲区与前瞻的匹配图2.5 整体效果图赛道识别部分在赛道识别部分，我们选择了sony ccd为赛道

35、识别的主要传感器，由于小车的电池电压为7.2V，而CCD摄像头的工作电压为12V，故需要利用芯片搭建升压电路。视频信号每场是是不同的行组成场与场之间，行与行之间都存在同步信号，单片机通过对这些同步信号的捕捉，来控制图像采集的时序，保证图像采集的正确性。视频信号分离芯片LM1881能将视频信号中的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲提取出来，并将它们转换成数字信号交给单片机的I/O 口。因此还需要用LM1881搭建视频分离电路。接下来也是最重要的部分， 由于模拟摄像头采集的图像信号为模拟信号，而计算机系统为离散的数字系统，故需要转换为数字信号才能交付MCU处理。我们所选用的MK60DN512ZVLQ

36、10微控制器中集成了多路AD口，同时还具有丰富的IO接口资源，而且大赛中小车赛道色彩构成的简单性，使得视频信号数字化方案变得多样化。小车以模拟CCD摄像头为传感器，模拟式的采集先将一路视频信号，通过视频分离电路可以将摄像头输出的复合视频信号进行分离，得到独立的同步信号和视频模拟量信号，然后通过逐行采样来完成整幅图像的采集。在初步计划方案中我们拟定了三种对行信号的数字化的方法：表3.1 采集方法对比经过比较之后，我们选择采用硬件二值化的方式进行赛道的处理，这样既减轻了单片机的负担，也更加简单的实现了赛道识别。3.1.1基于电压比较器的硬件二值化原理 由于大赛中，赛道仅由黑白两色组成，图像所以即使

37、是灰度数据，我们最后处理时也一般要在软件上进行二值化将图像分割成黑白二色图片。所以，我们可以考虑直接用硬件进行图像二值化，将视频信号转换为一组方波信号，然后直接输入到一位I/O口中，对这一位的端口进行读取，高电平表示1，低电平表示0。 采用固定参考电压的二值电路设计起来比较简单，对参考阈值电压调结也比较方便只需调结一个电位器阻值即可（为系统增加一个LCD，可直接在调结电位器后采集到的图像），故具有一定的场地适应性。但在实际使用过程中，我们发现采用固定参考电压的二值电路在CCD视野比较远时，仍然会出现图像无法分割的现象，此时该方法不再适用，故可以考虑采用边沿检测的二值电路。边沿检测二值电路中，将

38、原始视频信号和滞后处理的视频信号输入到电压比较器两端，在视频信号跳变边沿会在两路输入产生幅度差，然后当幅度相差到一定程度（由滞回电路控制）时，电压比较器输出端便发生电平翻转，最后以方波形式输出视频信号。首先我们对一般的RC电路的时间常数进行了解，如下面所陈述：图3.1.1 普通的RC电路电容两端的输出电压和电源电压的关系如下：电压上升幅度和上升时间（滞后时间）对应关系如下：表3.1.1 滞后时间表 黑线的视频信号时间为34s（R2=1.3K）图3.1.2 赛道中黑线产生的信号 一般为了获得两组视频信号在同样的时间轴点时获得最大的电压差，就要求，滞后信号尽量滞后。 但也不能太滞后。比如以下情况：

39、(R2=6.4k)图3.1. 3 当R2比较大时的滞后输出信号下面是几张不同滞后电阻时的视频信号输出图：图3.1.4 电路在不同滞后电阻下的输出波形那么我们计算出一个大致R2 的参考值。我们要求在黑线区，滞后信号时间刚好为一个黑线视频信号的时间，也就是大概34s，在保证在下一次上升沿到来前已经达低谷，以保证上升沿的电压差。如上表，大概 t=35倍RC,我们就可以认为电压已经到了最值。那么，要求滞后视频信号能在T0 = 35个RC内能够达到最值，而T034s.大致算一下：3*10-6 4*R2*510*10-12得到R2=1.47K 能在3s时间后，电压达到 原始跳变点的0.98得到R2=1.9

40、6K 能在4s（刚好是一个近处的黑线视频信号的宽度）时间后，电压达到原始跳变点的0.98所以，一般 R2就取其中的某个值。在实际中，配合LCD，调节R2电位器，结果发现R2=1.85K时有比较好的效果，符合理论计算结果。滞回电压Vh R4/ (R4+R5) * (Vo_max - Vo_min)因为黑线边缘产生约400mV跳变(由示波器上很容易看出),所以,滞回电压选择为100-400mV实验中,将R4设置为4.5K,产生215mV的滞回电压,一方面能比较好的搞干扰,一方面,使黑线不至于过细。方向灯识别部分 经过测试，我们发现简单的CCD二值化很难处理复杂的环境影响，无法准确的识别信号灯及箭头

41、，因此我们经过多次尝试，最后决定采用OV7725对方向灯进行识别。OV7725配置如下：在OV7725中有几个相关的比较重要的寄存器，0X0D、0X11、0X33.0X0D主要是实现倍频的，通过高两位来控制四种倍频情况，00：不倍频，01：PLL 4*，10：PLL 6*，11：PLL 8*。0X11用来分频，Bit5:0：F(internal clock)=F(input clock)/(Bit5:0+1),范围是0-31MHZ。0X33这个地址中代表的内容是虚拟线低八位（Dummy line Low 8 Bits）。观察0X28，你会发现其中有这么一句话：Decrease frame ra

42、te by inserting dummy vertical sync equal to maximum exoposure lines.这就是说要减少帧率的话就得插入虚拟的垂直同步也就是增大lines。下面从两段不同的代码中分析：1、30 fps, PCLK = 24MhzSCCB_salve_Address = 0 x42;write_SCCB(0 x11, 0 x01);write_SCCB(0 x0d, 0 x41);write_SCCB(0 x2a, 0 x00);write_SCCB(0 x2b, 0 x00);write_SCCB(0 x33, 0 x00);write_SCCB

43、(0 x34, 0 x00);write_SCCB(0 x2d, 0 x00);write_SCCB(0 x2e, 0 x00);write_SCCB(0 x0e, 0 x65);2、25fps, PCLK = 24MhzSCCB_salve_Address = 0 x42;write_SCCB(0 x11, 0 x01);write_SCCB(0 x0d, 0 x41);write_SCCB(0 x2a, 0 x00);write_SCCB(0 x2b, 0 x00);write_SCCB(0 x33, 0 x66);write_SCCB(0 x34, 0 x00);write_SCCB(0

44、 x2d, 0 x00);write_SCCB(0 x2e, 0 x00);write_SCCB(0 x0e, 0 x65);这两端代码的输入clk都是24MHZ，输出PCLK相同都是24MHZ，但frame rate一个是30fps,一个为25fps,程序中只有0X33不同，如何通过将0X33设置为0X66，从而将30fps变为25fps。看下面的分析：从图片中我们可以看到一个VSYNC有510个t(LINE),所以30fps表示有30*510*t(LINE),结合上面对于0X33的分析，因为都是24MHZ，所以30fps和25fps两个时间相同。故在这510个LINE中插入102个（0X6

45、6）LINE,总的时间才会相同。30*510*t(LINE)=25*(510+102)*t(LINE).当然帧率会随着PCLK的变化而变化，当PCLK变为12MHZ时，帧率也就减为15fps了。摄像头的安装图中梯形区域ABCD 为道路检测范围。为了克服车模执行结构的惯性和时间延迟的影响，前方道路检测范围越大，对提高模型车速度越有利。直线AB 是道路检测最前端，它距离模型车前端的距离EH 为道路检测前瞻距离。它的长度AB 是道路检测最大范围，在GH 之间是道路检测盲区。调整摄像头的安装位置与方向，能够增加检测前瞻距离，检测范围并减少检测盲区，可以提高车模的运行速度和稳定性。但是检测范围与检测精度

46、是一对矛盾，检测的前瞻距离与检测盲区也是一对矛盾。因此需权衡利弊，调整传感器位置来最大程度从硬件上避免前瞻对系统的影响。摄像头标定 由于近端采用了选择性采集，图像产生了额外的畸变。这种畸变是由我们自己采集的原因造成的，因此可以很容易的校正成原始样子。由于我们采用了120的广角镜头，这是这对于赛道信息的判断会产生偏差，为了克服这种误差，我们特地对摄像头进行了标定，这样对于赛道信息的判断，准确的选取前瞻量起到非常大的作用。 图3.3.1 摄像头标定示意图Sony CCD的安装由于我们的Sony CCD采用的是广角镜头，因此在视野上是非常宽阔的，所以我们的ccd并不需要抬得太高，以一个较低的角度便可

47、以识别赛道，也避免了信息太多造成干扰。图3.3.2 Sony CCD安装效果示意图OV7725的安装 因为信号灯的安装是距离地面50厘米高，为了避免周围环境的影响，我们决定以仰视的方式来安装OV7725，这样摄像头便可以安在一个较低的位置，也降低了车的中心避免其在行驶过程中由于质量太大，造成固定杆震动从而影响到图像识别。图3.3.3 OV7725安装效果示意图整体硬件框图 整个硬件系统采用的是模块化的设计思想，整体的硬件框图如图所示： 电源模块电源模块控制核心k60单片机LCD液晶显示与键盘模块控制器模块摄像头模块测速模块舵机使能控制电路模块电机驱动模块硬件电路系统主要分为主控电路、驱动电路、

48、硬件二值化电路，辅助电路。主控电路k60核心板。驱动电路包括电源模块、电机驱动模块、速度检测模块等。辅助电路包括传感器模块。下面分别详细介绍各模块内容。电源电路设计电源模块作为小车的动力核心，除了满足小车所需，尽量简单稳定。单片机电源电路 整车的硬件电路电源由可充电镍镉电池提供（7.2V、2000mAh）。但是系统中的各个电路模块所需要的工作电压和工作电流各不相同，所以设计了多种稳压电路，将电池电压转换成各个模块所需要的电压。 电压种类大致有3.3V为MCU,摄像头ov7725供电；5V为图像处理电路、速度反馈信号处理电路供电；6V为舵机提供工作电压；12V为摄像头ccd供电； 我们使用的最小

49、系统K60芯片工作时需要3.3V供电，3.3V稳压芯片选择了我们很熟悉的LM1117-3.3V，1117无需调整电阻等参数，简单实用，稳定高效，电流纹波等也完全满足单片机电路工作的要求，因为单片机作为核心器件，为了保证单片机的稳定工作，我们采用两级降压，电路图如图所示。 图 5V电源电路图 3.3V电源电路舵机供电LM2941 获得的6V 电源为舵机供电，经测试，6V 供电下的舵机在使用过程中相应较快、电压稳定，能满足我们的控制需求。图4.2.2 舵机驱动电路摄像头供电 路径识别我们采用的模拟ccd摄像头，需要12伏供电，12V通过DC-DC升压模块得到，输出可调。

50、方向灯识别采用彩色摄像头ov7725，需要3.3v供电。 图4.2.3 摄像头3.3V供电电路视频信号二值化摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。若要对视频信号进行采集，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。于是我们使用了经典的LM1881芯片对视频信号同步分离，得到行同步、场同步信号。同时，硬件二值化我们测试使用过峰值比较电路，边沿检测电路，反向比较电路。由于我们自制的反向比较电路，设计思路简单，环境适应性高，最终选用反向比较电路。图4.3.1 二值化电路驱动电路电机驱动模块控

51、制直流电机，使电机在给定的速度下运行，控制电机加减速，是小车的执行机构。电机驱动选BTN7971驱动芯片。采用2片BTN7970组成一个完整的H桥驱动电路驱动l路有刷直流电机，如图所示。其中，0UT端分别接电机的两 端；IS端接下拉电阻，用于配置IS端输出电压的范围；MOTOR_PWM_A与MOTOR_PWM_B，分别输出非零占空比的PWM和零占空比的PWM，保证左右半桥上下背各有一个导通，组成一个回路；通过MOTORCURRENT端间接采集并计算得到的电流，为通过左或右半桥上背P沟道MOSFET管的电流；SR引脚通过下拉电阻接地，用于调节MOSFET管开关频率，这里接5.1 k电阻，BTN7

52、970的开关时间分别为4.43.4s。另外，由于BTN7970内部没有光电隔离，故在与MCU接口时串联10 k电阻，防止驱动电路发生击穿等故障时损坏与其相连接的MCU等器件 图4.4.1 电机驱动电路电机在控速的过程中会频繁的正反转，防止电机产生的反向电流返回单片机，导致单片机的烧坏，因此在驱动和单片机之间加上74hc244起隔离保护作用，电路如图。 图4.4.2 输入保护电路测速模块测速模块用了157线编码器作为测速传感器，经过换算20ms定时器计数一次，反馈输入到闭环PID 进行控速。主板电路图系统总体控制流程图开始开始图像处理，获取偏差采集图像信息图像采集完成？舵机控制PID速度调节判断

53、赛道类型场中断行中断，图像采集图像采集完成场中断编码器速度采集PID速度调节否是主程序中断程序 软件设计总体思路本程序设计由以下几个模块组成：单片机初始化模块，实时路径检测模块，指示灯方向检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块，速度PID控制模块。1）单片机的初始化模块包括：I/O模块、PWM模块、低功耗计时器模块、中断模块初始化。2）实时路径检测模块：我们运用SonyCCD摄像头，通过硬件二值化方法获取图像信息，检测边线提取中值，计算偏差来控制舵机转向。3）指示灯方向检测模块：通过OV7725摄像头，经过颜色阈值分离提取指示灯信息，从而检测箭头方向，控制转向。4）舵机控制

54、模块，驱动电机控制模块：通过直接输出PWM信号控制。舵机的控制采用开环控制，驱动电机采用PID算法闭环控制。5）中断速度PID控制模块实现：通过场中断信号实现每20ms采集编码器计数值，并通过PID运算得出PWM信号值输出控制转速电机控制速度。 系统控制策略系统控制的特点本系统根据路径识别单元和车速检测单元获得的路径和车速的当前信息，控制转向伺服电机和直流驱动电机联单相应的调整智能车的行驶方向和速度。最终的目的是使智能车行驶时速度尽量大并保持稳定，小车在行驶过程中会遇到以下几种情况： （1）当小车由直道高速进入弯道时，转角方向和车速应根据弯道的偏差迅速做出相应的改变，原则是弯道偏差越大则方向变

55、化角度越大，车速越低。（2）小车还会遇到大小S弯，发卡弯、虚线等多种复杂的路况，在判断出前方赛道路况的基础上，我们要对各种不同的路况对自己的算法做出相应的改变，以期能快速、平稳地通过赛道。系统控制方案的设计为保证小车一直沿着中线快速行驶，我们对控制对象小车的转向和车速应该十分的注意。即应使小车在直道上以最快的速度行驶。在进入弯道的时刻减速至安全过弯速度，且角度的转向要适合弯道的曲率，确保小车平滑地转弯，并在弯道中适当加速。从弯道进入直道时，小车的舵机要转向至中间，并以最大的速度行进。为实现上述控制思想，我们采用多种控制方法来控制小车的转角和速度。（1） 舵机的控制舵机控制赛车前进的方向，对赛车

56、行驶的路径起决定性的作用，通过往届的经验以及反复的调试我们发现，利用多行赛道中心值偏离图像中心的偏差值求加权平均值的方法配合增量式PD控制可以很好地找到比较优良的路径。 起初，我们统一选择车前据车距离不同的几行加权求平均的方法作为舵机偏差的输入值，然后根据不同的赛道类型配合不同的PD参数，企图得到优良的路径，我们希望：直道车可以尽量走的直，方便直道加速；由于比赛中我们选用A车，车身整体较轻，弯道控制不好，在出弯时会有甩尾的现象，为了避免这种现象，我们希望小车在入弯时可以尽量切内道，以求弯道得到最佳的路径，这就要求所采用的较远处行的权重要加大；而对于类似十字弯那种大弯，前瞻太远会出现长时间舵机处

57、于最大机械拐角情况，不方便控制，所以弯道要适当减小前瞻。针对这一矛盾，我们决定根据不同的赛道类型，动态改变远近行的权值比重以及PD参数，虽然这样会导致在不同赛道类型衔接处出现偏差值得跳变，给控制带来了难度，但通过对偏差值变化量的限制，经过多次优化不同路径的PD参数，控制舵机的转角，可以得到比较优化的路径。我们的控制思想为：使得直道和入弯采用较远前瞻，P值较小，D值适当；弯道采用较近前瞻，增大P值，减小D值；大S弯增大值；小弯道再用多行直接求平均的方法得到偏差值，此值本来就非常小，配合较小的值，并将D值置为0，进而很好地完成小直冲；对于其他的赛道，取远近相近的前瞻，配合适当的PD值，可以较好地实

58、现，出弯迅速回正，两直道相接不会切出赛道。程序代码参见附录。（2） 车速的控制对速度的控制我们参考了采用增量式 PID 算法，将经过图象处理后得到的赛道中心线和对应的速度 PID 参照速度处理成二次曲线的关系。并且参照前瞻量动态改变二次曲线中最高点（直道的最高速度）和最低点（弯道的最低速度）大小；在实际测试中，小车在直道和弯道相互过渡加减速比较灵敏，没有明显速度变化，且与舵机转向控制配合较好，路径也有了很好的提升；这样一来整个系统也就变得优美统一。设计思路如下：小车动力轮安装的旋转编码器可以在后轮旋转一圈后产生157个脉冲，所以，本系统通过20ms读入脉冲数间接测得转速speed，将speed

59、与期望小车运行的速度speed_set比较，由以下公式求得速度偏差speed_erro。 speed_erro = -speed_decoder_value + speed_set; last_speed_erro = speed_erro;control_value =(MOTOR_P*p_speed + MOTOR_D*d_speed +MOTOR_I*i_speed);经过PID算法，以及对其参数的反复调试，我们就可以得出PWM输出信号，利用该信号便可控制动力轮的驱动电机，从而调整小车行驶速度。（3）图像处理要在复杂的图像数据中提取出有效黑线，需要结合两边黑线的特征，设计出适合的算法提取

60、中心线是图像处理的关键，只有正确的提取出中心线才能正确更好的控制智能车。结合上届的边沿搜索提取方法，我们在此基础上做了改良优化。提取中心线基本思路是：双边就取平均，单边按照一定的宽度补出中心线。另外今年很大的区别是增加了虚线，对于虚线的处理，我们的方法与十字类似，也是补全，同时也对虚线进行了判断。根据以上原则，图像处理的程序框图如下：开始初始化开始初始化是否是起跑线找特征线判断赛道类型直道小S虚线前期弯道前期十字道边）直接补线拟合两端边线线性拟合有线端直接拟合缺线端根据上边拟合补线根据箭头方向转向找到上下边沿连线计算中线控制舵机计算偏差停车是否是否图 断车道二值化图像图5.3.2