第六届飞思卡尔摄像头组长安大学摄像头二队技术报告

第六届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技 术 报 告

学 校：长安大学 队伍名称：摄像头二队 参赛队员：底翔

岑刚飞 万宏基

带队老师：韩毅 梁景雨

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛关于保留、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：

摘 要

智能车辆是当今车辆工程领域研究的前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。本文是在第六届飞思卡尔全国大学生智能汽车竞赛背景下诞生的，介绍了一种基于CCD 摄像头的智能寻迹赛车的设计和实现。赛车系统以Freescale16位单片机MC9S12XS128 作为系统控制处理器，采用基于摄像头的图像采样模块获取赛道图像信息，通过PID 控制策略来对赛车的方向和速度进行控制，完成的主要功能是能够自主识别黑色引导线并根据黑线走向实现快速稳定的寻线行驶。

本文阐述了智能小车系统的设计方案，具体介绍了赛车硬件系统的设计，包括电源模块、图像采集模块、电机驱动模块、测度采集模块等，同时提出了基于CCD 摄像头的黑线识别算法并对其相应的控制策略进行了详细的介绍。此外，文中还将详细说明赛车机械结构的调整优化方法，并且为了提高模型车的速度和稳定性，使用无线模块、SD卡模块、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：智能车，MC9S12XS128，CCD，PID，SD卡

Abstract

Intelligent vehicle is a cutting-edge research in vehicle engineering, it is the embodiment of vehicle engineering, artificial intelligence, automatic control, computer and other disciplines of the intersection of technology and integrated.It is the future development trend of cars. This paper is in the sixth freesacle National University intelligent car contest against the background of the birth, introduced one kind based on the CCD camera intelligent-searching-track race car design and implementation. The car system based on the Freescale16 microcontroller MC9S12XS128 as the system control processor, based on the camera image sampling module access to the track image information, through the PID control strategies on the car's direction and speed control, the main function is to be able to identify independently black guide line and according to the black line to achieve rapid and stable line running.

This paper expounds the intelligent car system design, introduced the specific car hardware system design, including power module, an image acquisition module, motor drive module, data acquisition module, at the same time measure, proposed based on CCD camera black line recognition algorithm and the corresponding control strategies are introduced in detail. In addition, the paper also details the racing machinery structure adjustment optimization method, and to improve the model of vehicle speed and stability, the use of a wireless module, SD card module, keyboard module debugging tools, had a large number of hardware and software testing. The experimental results show that, the system design is feasible.

Keywords: Intelligent vehicle，MC9S12XS128，CCD，PID，SD card

目录

摘 要...............................................................................................III Abstract...........................................................................................IV 第一章 引言.....................................................................................1

1.1大赛背景介绍................................................................................1 1.2本文结构........................................................................................1

第二章 智能汽车整体设计.............................................................3

2.1总体策略........................................................................................3 2.2系统设计方案................................................................................3

2.2.1系统硬件设计方案................................................................................4 2.2.2系统软件设计方案................................................................................5

第三章 机械结构的调整与优化.....................................................7

3.1 C型车模整体结构..........................................................................7 3.2底盘结构调整................................................................................8

3.2.1底盘调整................................................................................................8 3.2.2底盘的加固............................................................................................9

3.3舵机安装位置调整........................................................................9 3.4摄像头的安装..............................................................................10 3.5车体重心位置调整......................................................................10 3.6其他部分优化..............................................................................11

第四章 硬件系统的设计与实现...................................................13

4.1电路板设计与制作......................................................................13

4.2电源模块......................................................................................13 4.3图像采集模块..............................................................................14

4.3.1摄像头简介..........................................................................................14 4.3.2电路设计..............................................................................................16

4.4速度采集模块..............................................................................17 4.5电机驱动模块..............................................................................18

第五章 软件系统的设计与实现...................................................19

5.1图像的采集与处理......................................................................19

5.1.1黑线提取..............................................................................................19 5.1.2路径选择..............................................................................................20 5.1.3起跑线的识别......................................................................................21

5.2转向控制......................................................................................22

5.2.1转弯半径的计算..................................................................................22 5.2.2转向的PID控制....................................................................................23

5.3速度控制......................................................................................24

5.3.1转向时差速的计算与实现..................................................................24 5.3.2不同赛段的速度控制..........................................................................27 5.3.3速度的PID控制....................................................................................28

第六章 软件的开发与调试...........................................................29

6.1调试工具的开发..........................................................................29

6.1.1无线调试模块......................................................................................29 6.1.2 SD调试模块.........................................................................................30 6.1.3液晶显示屏及按键模块......................................................................34

6.2系统调试......................................................................................36

6.2.1硬件系统调试......................................................................................36 6.2.2软件系统调试......................................................................................37

第七章 总结与展望.......................................................................39 致谢....................................................................................................I

参考文献...........................................................................................II 附录A 智能车单片机部分程序代码............................................III

第一章 引言

1.1大赛背景介绍

为加强大学生实践，创新能力和团队精神的培养，促进高等教育的改革，受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛将于2011年8月在西北工业大学举行。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。

在本次比赛中，参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，其中光电组采用A车模，电磁组采用B车模，摄像头组采用C车模。运用飞思卡尔16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制硬件系统。各参赛队完成智能车工程制作及调试后，于指定日期与地点参加比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。目前，此项赛事己经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。

1.2本文结构

本报告是对参赛的智能汽车制作技术方案、设计思路、制作调试过程以及相关技术研究内容形成的总结性报告。报告采用总－分－总的结构，先对总体方案进行阐述，再分别阐述系统各个模块的实现，最后结合我们实际测试结果对整个智能车系统进行了总结。

全文共分七章。第一章为引言，介绍了比赛背景、研究意义和全文的安排。

第二章论述了系统的总体方案，对智能车设计原理，思想进行了总的概括。第三章论述了对车模机械结构的一些探索性调整和优化。第四章主要阐述各个系统硬件模块的设计和实现。第五章主要阐述了系统的软件设计，包括设计中用到的单片机的各种资源和各种控制算法。第六章主要阐述了系统的调试和相关的各种调试工具。第七章进行了总结，包括我们在制作和调试中得出的一些结论和存在的一些问题及进一步改进的方向。

全文穿插了我们制作模型车过程中的一些探索和体会，总结了我们在制作和探索过程中所得出的一些结论。

第二章 智能汽车整体设计

2.1总体策略

仔细研究比赛规则和竞赛要求，我们对赛车系统设计的基本策略作出以下分析：

第一，智能车竞赛是基于同一开发平台上设计的赛车进行竞速比赛，因而赛车的速度和稳定性是决定比赛成绩的关键。在保证赛车稳定行驶的前提下，车速越高，比赛成绩就越好。因此，在赛车的设计中应该遵循稳中求快的基本原则。

第二，单独采用摄像头进行路径检测。在调试之初，我们发现红外传感器的电路和软件设计简单，使用红外传感器对路径的检测受光线的干扰较少而且采集的信息可靠，还可以获得很高的检测频率，弥补了摄像头检测频率不高、易受干扰的缺点，在检测路径和起跑线时可以得到比较可靠的信息。但是对黑线的检测精度有限而且红外传感器的作用距离有限，其前瞻距离不可能很远，同时红外传感器的功耗大，电路的重量也不小，严重影响了赛车的启停能力和速度。 通过理论论证和现场测试，我们发现只要我们在起跑线对算法进行优化，完全可以解决起跑线的问题，在其他地方我们只要在算法里进行去干扰处理，可以解决干扰问题，没有必要再用到红外传感器。

第三，竞赛车模本身是一个机械系统，赛车的机械性能对于赛车的行驶表现具有很大的影响。因此，在大赛规则允许的范围内，结合汽车构造和汽车系统动力学的相关理论对赛车运动模型进行分析并对其机械结构和运行参数进行优化和调整。

第四，由于速度是比赛的关键，那么在赛车的设计中应尽可能的减轻系统负载。在硬件电路的设计过程中，在避免相邻电磁干扰的情况下应尽量考虑将各种芯片放在一起，减少飞线，提高电路稳定性。

2.2系统设计方案

智能车系统主要包括以下模块：飞思卡尔MCU 模块、电源模块、转向舵机模块、转速反馈（编码器）、电机驱动和控制模块和CCD 视频采集模块共六个。整体结构框图如图2.2所示。

图2.2智能系统功能模块图

2.2.1系统硬件设计方案

系统硬件设计可以说是整个智能车设计的基础和重中之重。正确的硬件设计方向与思路，是系统稳定可靠的基础，功能强大的硬件系统，更为软件系统的发挥提供了强大的保障。硬件是基础，因此设计的好坏很容就影响到车模的稳定性和灵活的转向性能。通过总结前面几届的硬件设计后，本车模的硬件设计的框图如下：

图2.2.1硬件模块汇总

2.2.2系统软件设计方案

硬件系统以及机械都是在底层的，是整个系统的基础，而软件系统则是根据机械性能制定的。此模块对于整个系统来说是至关重要的，高效稳定的软件程序是车模平稳快速寻线的基础。而图像采集和处理是这一模块的核心，详细信息请查看第五章。以下是软件设计模块的基本流程：

图2.2.2软件设计的基本流程

第三章 机械结构的调整与优化

车体结构是硬件中一个很重要的方面，从控制的角度来说，这部分既是系统的执行机构又是被控对象。车模底盘参数优化和前轮参数优化等调整可以保证车体在机械结构方面具有良好的性能，使其拥有较强的执行能力，其重要性丝毫不亚于良好的控制策略，保证被控对象的轻便与灵活，同样有利于提高控制效果。

为了让智能车能在直道和弯道上均能高速而且稳定的行驶，并且转弯比较灵巧、快速，除了有相应的软件和硬件电路的设计之外，模型车的机械结构对其也有重要的影响。因此，应该根据汽车构造的基本原理，通过反复试验，确定出智能车车模主销后倾角、前束、主销内倾角等的最佳参数，增加智能车稳定性，使其能够在智能控制系统的作用下快速稳定的行驶。

3.1 C型车模整体结构

本次比赛采用了大赛组委会提供的仿真车模，其主要尺寸参数如下：

表3.1

车模型号 电机

N286

RN260-CN 38-18130

FUTABA3010 280mm 160mm 200mm 140mm 140mm

伺服器 车长 车宽 轴距 前轮距 后轮距

模型赛车的底盘结构图如下：

3.1 C车车模

如图所示，赛车机械系统可分为两大块：转向机构和驱动装置。转向机构主要由舵机、转向拉杆、梯形臂和前轮组成。这四个部分相互连接，形成一个梯形结构。转向机构的工作原理是：舵机根据接收到的转向控制信号正向或反向旋转，带动转向拉杆横向移动，转向拉杆通过梯形臂牵动前轮使其绕前轮主销发生旋转，从而实现赛车的转向。本次比赛车模采用后轮驱动，驱动装置包括直流电机，减速齿轮和后轮，后轮转速由直流电机通过减速齿轮来进行调节和控制。本届比赛C车配备了2个260电机，在驱动方面不及前几届的车模，并且还需通过程序控制实现电子差速。

3.2底盘结构调整

3.2.1底盘调整

车身高度指的是当车身满载的时候，底盘离地面的高度。车身高度直接影响模型车重心的高度，也会影响模型车过坡道、转弯性能和直线行驶稳定性。赛车的重心越高，车体转弯时在离心力的作用下就越容易发生侧倾，严重时会导致赛车发生侧滑甚至侧翻。因此，应尽可能的降低底盘离地间隙，降低赛车重心。车模提供了1mm 和2mm 两种垫片以及后轮卡圈来调节底盘离地间隙（如图3.2.1）。经过测试，在底盘离地间隙调整为最低的9mm 时，赛车仍能提供

足够的接近角和离去角，可以顺利通过

15°的坡道。

图3.2.1 底盘离地高度图

3.2.2底盘的加固

在调试过程中，发现这款模型车的底盘质地比较软，当模型车运行过程中就会出现晃动的情况，在高速运行时尤其明显。严重时晃动会影响摄像头的循迹，大大降低了小车在高速下的整体性能。所以，我们对赛车的底盘经行了加

固处理，并且利用覆铜板加强了小车整体的防静电性能。

图3.2.2底盘加固

3.3舵机安装位置调整

舵机是赛车控制系统的一个滞后环节，响应速度偏慢，有很大的时间延迟。舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过

改变舵机的安装位置从而增加传动比，并且缩短舵机输出轴上连杆的长度，从

而增加输出力矩。

图3.3 舵机安装调整

3.4摄像头的安装

在安装摄像头时，我们考虑了4个自由度的安装方案，可以更加灵活的对

摄像头的角度进行调整。

图3.4摄像头支架

3.5车体重心位置调整

赛车在行驶过程中，重心位置也会对其行驶性能产生重大影响。根据汽车

理论，车身重心前移，会增加车轮的转向不足趋势，有利于提高转向稳定性；但是由于前轮负载的增加和后轴负载的减少，前轮转向灵敏度会降低，后轮抓地力也同时减少；而重心后移，会减少转向，但增大了转向灵敏度，后轮驱动力增加。

综合上述分析，重心靠近后轴有利于提升小车动力性，重心靠近前轴对小车制动性和操稳性有益。在组装小车的过程中，考虑到小车电机本身动力性不足，将CCD 摄像头、电池、驱动电路的安装位置进行合理的调配，一方面使其结构紧凑，拆装方便；另一方面使小车的重心略微靠近后轴，确保行驶的动力性。并且我们在保证方便拆装的前提下，尽量压低车身的重心，将电池架向后移动。（如图

3.5）

图3.5整体车身重心压低偏后

3.6其他部分优化

为了防止扭腰在转弯时带来的振动，使摄像头采集图像的动态性降低。我们通过实验发现扭腰在行驶的过程中作用不是很突出，所以我们将扭腰部分（如图3.6）固定，大大降低了车在过弯时摄像头的振动，从而提高了小车高速下的稳定性。

图3.6 扭腰改动

第四章 硬件系统的设计与实现

4.1电路板设计与制作

为了使得电路更加紧凑、外部引线更少，我们设计了核心控制电路板，尺寸为150mm*76mm。电路板上包括了 S12单片机工作所必需的稳压模块、时钟模块和复位模块，同时还包括了电机驱动电路、 SD调试模块以及其他一些电路的接口等。PCB

图如下所示：

图4.1 核心电路板PCB图

4.2电源模块

电源管理是智能小车设计中的重要环节，它为系统各个模块供电。可靠的电源设计是整个硬件电路稳定运行的基础。赛车系统的供电电源采用了大赛组委会提供的可充电式Ni-Cd电池。其供电电压为7.2V，容量为1800mA/h，由于智能车系统各个模块所需电压不同，因此需要进行电压调节。赛车系统中电源分配如下：

单片机系统和测速电路均需5V 电压； 视频采集系统采用12 的电压；

驱动电机可以由电池直接供电；

舵机工作电压为4.8-6V，试验证明，提高舵机的工作电压可以提高舵机的响应速度。大赛规则不允许采用升压电路为舵机提供电源，但是结合以往比赛经验和实际测试，组委会提供的舵机可以直接工作在7.2 V 电压下。于是，通过串联一个二极管直接利用电池电压来驱动舵机。

电源管理的结构框图如下：

图4.2 电源管理模块简图

4.3图像采集模块

4.3.1摄像头简介

图像传感器根据感光原理可以分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器。根据信号输出形式又可以分为模拟信号输出与数字信号输出。下面分别就图像传感器的这几种类型进行简单的讨论。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/96ij.html