赛区-摄像头组工业电光一队技术报告

本人完全了解第九届“飞思卡尔”杯大学生智能汽车邀请赛关于保留、使用技术报告和研究的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛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、图像资料，并将相关内容编纂收录在 集中。日期 本组使用大赛 提供的竞模，采用飞思卡尔16位微控制器在这份报告中，主要通过对整体方案、机械、硬件、算法等方的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。我队成员涉及自动化、机械、计算机等专业，在准备比赛的过，队员查阅了大量的专业资料，反复地调试汽车模型的各项参数。所有队员都为此次智能汽车竞赛付出了艰苦的劳动。这份报告凝聚着齐鲁工业大学智能汽车队光电组全体队员的心血和智慧。该系统以飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机为控制，采用硬件二值化方法获取OV5116模拟头信息以及角度测量信息主要使用PID及模糊PID算法实：智能车、MC9S12XS128、OV5116、模糊、目引 摘要 目 第一章方案设计 小 第八章结 附录A:程序源代 化图像信号、场同步信号、行同步信号输入MC9S12XS128微控制器，进行进一步处理获得主要的赛道信息；通过光电编来检测车速，一路采用MC9S12XS128的根据智能车系统的基本要求，设计了系统结构图，如图1.1所示。在满足比赛要求的情况下，力求系统简单高效，因而在设计过尽量简化硬件高速头本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计和总体结构，简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统的各个模块进行详细介绍。 根据比赛规则要求，维持车模直立也以设计出很多的方案，本参考方案假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮。后轮转动由两个直流电机驱动。因此从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务，如图2-1所示：(1)控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；(2)控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。(3)控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、左右方向。在实际控制中，是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。车模的速度是通过调节车模倾角来完成的。车模不同的倾角会引起车模的加，从而达到对于速度的控制。车模平衡控制车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单。因为车模有两个着地，车体只会在滚动的方向上发生倾斜。控制转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了。如图2.2所示2.2车体平衡假设倒立车模简化成高度为Lm的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上。假设外力干扰引起车模产生角加速度x(t)。沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析，可以得到车模倾角与车轮运动加速度a(t)以及外力干扰加速度x(t)之间的运动方程。如图2-3所示。2.3车模运动方程对应车模时，系统输入输出的传递函数为此时系统具有两个极点一个极点位于s平面的右半平面，因此车模不稳定。车模引入比例、微分反馈之后的系统如下图所示：2.4加入比例微分反馈后的系统框图系统传递函数为：，此时两个系统极点位于，系统稳定需要两个极点都位于s平面的左半平面。要满足这一点需要，由此可以得出结论，当时，直立车模可以稳定。这与前面通过分析所得出的结论是一致的。车模角度和角速度测量加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。竞赛规则规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司ENC-03系列的加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。ENC-03角速度传感器以及相关参考放大电路如图2.4所示。2.4角速度传感器及参考放大电路由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号，通过以下方法来修正这个信号。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步到加速度传感器所得到的角度。如图2.5所示。2.5通过重力加速度来矫正陀螺仪根据前介绍车模角度控制和角度测量方法，可以得到如下车模角度控制方案框图2.6角度控制框图该方案中采用重力加速度计和陀螺仪通过角度互补融合方式获取车模倾角和角速度，通过两个比例常数后，控制电机驱动电压，使得车模产生相应的加速度，维持车模的直立。在此方案中，需要保证重力加速度传感器安装Z轴与车模直立中轴线严格垂直。如果出现角度偏差，上述控制实际结果是车模与地面不是严格垂直，而是存在一个对应的倾角。在重力的作用下，车模会朝着一个方面加速前进。为了保持车模的或者匀速运动需要消除这个安装误差。在实际车模制作过需要进行机械调整和软件参数设置。另外需要通过中的速度控制来实现速度的稳定性。在车模角度控制中出现的车模倾角偏差，使得车模在倾斜的方向上产生加速。这个结果可以用来进行车模的速度控制。下一节将利用这个原理来调节车模的速度。车模速度控制对于直立车模速度的控制相对于普通车模的速度控制则比较复杂。由于在速度控制过需要始终保持车模的平衡，因此车模速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现，而要通过改变车身倾角来实现。以加速过程为例，将角度控制的输出量减少一定的量，则车模有了一个向前的倾斜角度，在直立控制的作用下，车轮需要向前加速，此时车模就会向前加速。控制框图如图2.7所示。2.7车模速度控制车模方向控制实现车模方向控制是保证车模沿着竞赛道路比赛的关键。通过OV5116头检测道路两边的黑线可以计算出车身的位置偏差，并利用电机差动控制实现方向控制，从而进一步保证车模在赛道上。利用OV5116头得到的偏差信号分别与两个车轮的控制信号进行加和减，形成左右轮差动控制电压，使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向。如图2.8所示。2.8车模方向控制小结良好的控制算法是车模稳定运行至关重要的一点，选取了卓晴老师的直立车控制算法，经验证确实稳定可靠。第三章智能汽车机械结构调整与优化此次竞赛选用的是东莞市博思电子数码科技生产的智能车竞赛专用模型车(D型模型车)，配套的电机型号为-2875。智能车的控制采用的是双后轮驱动方案。智能车的外形大致如下：图3.1

小模型车的性能与机械结构有着非常密切的联系。良好的机械结构是模型车提高速度的关键基础。在同等的控制环境下，机械机构的好坏对其速度的影响十分显著。非常重视对智能汽车的机械结构的改进，经过大量的理论研究和实践，小车的大部分质量都集中在两轮的轮轴附近，达到降低重心的目的，从而提高了小车整体的稳定性和可靠性。另外，重心的降低也大大的提高了小车的可控制性，控制起来十分简单、方便，速度提升更加明显。系统所有硬件电路的电源7.2V2A/h蓄电池提供电路不同头编然后使用其他进行黑白跳边沿检测，最终输出二值化图像。如图4.2

图4.2 液晶

，， 计数电

由于使用的是飞思卡尔公司16位单片机MC9S12XS128只能同时对一路脉冲进行计数因此需要使用CD4520外部计数器进行计数然后使用CPU的B口进4.5所示图 硬件电路是模型汽车系统的必备部分。只有稳定的硬件电路才能保证程序的正确控制。为此，在设计电路之时，考虑了很多问题，采用了模拟部分与数字部分等措施。的硬件电路的设计思想是在保证正确检测信号的前提下，尽可能精简电路。OV5116头控制流否否是是小,不能进行整幅图像搜索,因此硬件二值化与跳边检测相结合,进行提取。如图5.1是弯道 图5.1弯道图{{{}}}void{{{if(image[ii][jj]==1&&image[ii][jj+1]==1)ts1=16; if(image[ii][jj]==1&&image[ii][jj+1]==1)ts2=1;}}}在实际调试过切弯路径主要决定了车辆是选择内道过弯还是外道过弯。切内道，路经最短，但是如果地面附着系数过小会导致车辆出现侧滑的不稳定行驶状态，原因是切内道时，曲率半径过小，同时速度又很快，所以模型车需要的向心力会很大，而赛道本身是平面结构，向心力将全部由地面的摩擦力提供，因此赛道表面的附着系数将对的运行状态有很大影响。切外道，路径会略长，但是有的调整机会，同时曲率半径的增加会使得模型车可以拥有更高的过弯速度。对转向的控制使用的是PID算法。下面简要介绍一下PID控制车跑动中，因为不需要考虑小车之前走过的路线，所以，舍弃了I控制，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PIPIDPDPID法继续进行本圈的比赛，因此，不得不对其进行检测，当头检测到黑白相5.2人字道规则图6.1CW界hiwave

，，图 图 长宽高21120“飞思卡尔”杯大学生智能汽车竞赛已经成功举办了八届，该竞赛涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科，培养了学生的知识融合和实践动手能力。在此份技术报告中主要介绍了准备比赛时的基本思路包括机械，电路，以及最重要的控制算法的创新思想。在传感器的制作上，实际测验了多种排布方法的优劣，考虑到程序的稳定性、简便性，最后敲定了OV5116头，并通过反复实践决定了传感器的位置。在电路方面，以模块形式分类，在电源管理，电机驱动，控制，信号，传感器这六个模块分别设计，在查找资料的基础上各准备了几套方案，由队员分组实验，最后确定了最终的电路图。在算法方面，使用C语言编程，利用比赛的开发工具调试程序，经过小组成员不断、改进，终于设计出一套比较稳定的程序。在这套算法中，结合路况调整车速，做到直线加速，弯道，保证在最短时间跑完全程。准备初始阶段，由于自身知识积累不够，遇到很多，也犯了不少错误。通过不断学习和实践，最/r