摄像头组 上海交通大学 摄像头组 技术报告 - 图文

第七届\飞思卡尔\杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告

第七届\飞思卡尔\杯 全国大学生智能汽车竞赛

技 术 报 告

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY

学 校: 上海交通大学 队伍名称: Cyber#

参赛队员: 朱皇儒 陈明亮 袁进强 带队教师: 杨明 王春香

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关于技术报告和研究论文使用授权的说明

第七届\飞思卡尔\杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告

本人完全了解第七届“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： 带队教师签名：

日 期：

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摘要

本文以第七届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了智能赛车控制系统的软硬件结构和开发流程。该比赛采用大赛组委会统一指定的A型车模，以Freescale半导体公司生产的32位单片机K60核心控制器,要求赛车在未知道路上沿着黑线以最快的速度完成比赛。整个系统涉及车模机械结构调整、传感器电路设计及信号处理、控制算法和策略优化等多个方面。赛车采用模拟摄像头对赛道进行检测，通过边缘提取获得赛道位置，用PD方式对舵机进行控制。同时通过编码器获取当前速度，采用PID控制实现速度闭环。 关键词：Freescale，智能车，摄像头，PID

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ABSTRACT

In the background of the 7th National Intelligent Car Contest for College Students, this article introduces the software and hardware structures and the development flow of the vehicle control system. This contest adopting A-type car model prescribed by the contest organization committee, using the 32-bit MCU K60 produced by Freescale Semiconductor Company as the core controller, requires the car finish the race in the fastest speed. The whole system includes the aspects of the mechanism structure adjustment, the sensor circuit design and signal process, control algorithm and strategy optimization etc. It captures the road information through a camera, then abstracts the road position by edge-detection method. After that, PD feedback control is used on the steering. At the same time, the system obtains the current speed using a speed sensor, so that it can realize the feedback control of the speed by PID method.

Key words: Freescale，intelligent vehicle, camera, PID

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目 录

目 录 ............................................................................................................................................. 5 第一章 引言 ................................................................................................................................... 7

1.1 智能车研究背景 .............................................................................................................. 7

1.1.1发展历史 ................................................................................................................ 7 1.1.2 智能车的应用前景 ............................................................................................. 7 1.2 飞思卡尔智能汽车大赛介绍 .......................................................................................... 8 第二章 模型车设计制作思路及实现的技术方案概要说明 .................................................... 10

2.1智能车整体框架 ............................................................................................................. 10 2.2 赛道信息识别 ................................................................................................................ 10 2.3 车体控制 ...................................................................................................................... 10 第三章 模型车机械设计说明 ................................................................................................... 12

3.1车模参数 ......................................................................................................................... 12 3.2车模转向机构调整 ......................................................................................................... 12 3.3前轮调整 ......................................................................................................................... 14 3.4编码器安装 ..................................................................................................................... 16 3.5 本章小结 ........................................................................................................................ 16 第四章 控制电路设计说明 ................................................................................................... 17

4.1核心板 ............................................................................................................................. 17 4.2接口板 ............................................................................................................................. 17 4.3驱动板 ............................................................................................................................. 18

4.3.1驱动芯片介绍 ...................................................................................................... 18 4.3.2驱动电路设计 ...................................................................................................... 18 4.4摄像头 ............................................................................................................................. 18

4.4.1摄像头的选取 ...................................................................................................... 19 4.4.2摄像头模块的外围电路....................................................................................... 19 4.5光电编码器 ..................................................................................................................... 19 4.7舵机(伺服马达) ............................................................................................................... 20 4.8本章小结 ......................................................................................................................... 21 第五章 控制软件设计说明 ....................................................................................................... 22

5.1视频采集和黑线提取 ..................................................................................................... 22 5.2车辆行驶控制 ................................................................................................................. 23

5.2.1速度控制介绍 ...................................................................................................... 23 5.2.2 简单沿线行驶策略 ............................................................................................. 23 5.2.3 特殊情况的处理策略.......................................................................................... 23

第六章 开发工具、制作调试过程说明...................................................................................... 24

6.1 软件开发平台 ................................................................................................................ 24

6.1.1 Keil C功能介绍 ................................................................................................... 24 6.2 上位机调试 .................................................................................................................... 25

6.2.1Cyber#上位机简介 ................................................................................................ 25

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6.3计时器 ............................................................................................................................. 26 第七章 模型车主要技术参数说明.......................................................................................... 27

7.1改造后的车模总体重量，长宽尺寸 .............................................................................. 27 7.2车模近景图 ..................................................................................................................... 27 参考文献 ....................................................................................................................................... 28 致谢 ............................................................................................................................................... 29

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第一章 引言

1.1 智能车研究背景

1.1.1发展历史

智能小车系统是迷你版的智能汽车，二者在信息提取，信息处理，控制策略及系统搭建上有很多相似之处，可以说智能小车系统将为智能汽车提供很好的试验和技术平台，推动智能汽车的发展。摄像头作为很多智能汽车的信息输入的传感器具有其他很多传感器所不具有的优势，如对物体的特征提取，视野宽广等，因此基于摄像头的智能小车系统的研究将推动智能汽车的发展。

智能汽车是未来汽车的发展方向，将在减少交通事故、发展自动化技术、提高舒适性等许多方面发挥很重要的作用；同时智能汽车是一个集通信技术，计算机技术，自动控制，信息融合技术，传感器技术等于一身的行业，它的发展势必促进其他行业的发展，在一定程度上代表了一个国家在自动化智能方面的水平[1]。汽车在走过的100多年的历史中，从没停止过智能化的步伐，进入20世纪90年代以来，随着汽车市场竞争激烈程度的日益加剧和智能运输系统（ITS）地兴起，国际上对于智能汽车及其相关技术的研究成为热门，一大批有实力有远见的大公司、大学和研究机构开展了这方面的研究。很多美国、日本和欧洲等国家都十分重视并积极发展智能车系统，并进行了相关实验，取得了很多成就。我国的相关研究也已经开展，清华大学成立了国内最早的研究智能汽车和智能交通的汽车研究所，在汽车导航、主动避撞、车载微机等方面进行了广泛而深入的研究，2000年上海智能交通系统进入实质性实施阶段，国防科大研制出第四代无人驾驶汽车，西北工业大学、吉林交通大学、重庆大学等也展开了相关研究[2]。这一新兴学科正在吸引越来越多的研究机构和学者投入其中。 1.1.2 智能车的应用前景

智能车系统有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，

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激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。

1.2 飞思卡尔智能汽车大赛介绍

飞思卡尔公司开发嵌入式解决方案的历史可追溯到50多年前，现在，已

发展成为在20多个国家设有业务机构，拥有 20,000多名员工的实力强大的独立企业。

飞思卡尔公司专门为汽车、消费电子、工业品、网络和无线应用提供“大脑”。他们无比丰富的电源管理解决方案、微处理器、微控制器、传感器、射频半导体、模块与混合信号电路及软件技术已嵌入在全球使用的各种产品中。并拥有雄厚的知识产权，其中包括6,200 多项专利。

为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201号文，附件1)，由教育部高等自动化专业教学指导分委员会（以下简称自动化分教指委）主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，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， 为优秀人才的脱颖而出创造条件。

该竞赛由竞赛秘书处为各参赛队提供/购置规定范围内的标准硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制 作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。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。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，保证竞赛向健康、普及，持续的方向发展。

该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一（教高函[2007]30号文）。 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

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像头组、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。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。 全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的10月份公布次年竞赛的题目和组织方式，并开始接受报名，次年的3月份进行相关技术培训，7月份进行分赛区竞赛，8月份进行全国总决赛。

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第二章 模型车设计制作思路及实现的技术方案概要说明

2.1智能车整体框架

智能车是在车模结构的框架上，搭上硬件结构，通过K60单片机的处理能力，

将传感器采集到的信息处理分析后得出运算结果，指挥电机和舵机做出适应赛道及战术策略的响应的一套系统。其硬件结构框架如图1-1：

模拟摄像头 K60微控制器 舵机 信号采集辅助电路 电机驱动 电机 速度采集器

图1-1智能车硬件框图

2.2 赛道信息识别

赛道信息的识别是车辆控制的基础，为了提高行驶稳定性和优化行车线路，很多设计都把重点放在了使传感器感知更远的距离上、获取更多的信息。通过对采集到的道路信息进行处理，就能得到前方的路况，进而对舵机转向和电机转速进行控制。

2.3 车体控制

智能车应根据前方道路类型和当前车体位置误差及速度，对舵机转角和驱动电机PWM波的占空比进行及时调整。关于这方面的控制方案有PID控制、Bang-Bang 控制和模糊控制等。前四年我校参赛队的技术报告中均对舵机 PID 控制进行了深入研究，文中列出了不同P、D参数下赛车的平均速度和调整程度，并指出当 P 参数适中、D 参数较小时，性能最佳。舵机控制采用PD或者P控制。电机速度闭环控制是实现速度合理分配的基本前提，调速方案使用PID控制，并考虑结合棒棒控制，增加其由低速到高速或由高速到低速的加速度，即增加速度控制性能。

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NtpRightLineHistory=IMG_USED_BEGIN; NtpLeftLineCounter=NtpRightLineCounter=0; NtpMaxLeftLine=NtpMaxRightLine=0; NtpMaxWhiteLine=0;

NtpMaybeRightStartLine=NtpMaybeLeftStartLine=0;

NtpWhiteLineEnd=NtpLeftLineEnd=NtpRightLineEnd=FALSE; for(u8i=0;u8i

NtpLeftLinePointsIndex=NtpRightLinePointsIndex=0; for(u8i=0;u8i<100;u8i++){ }

NtpLostLeftLine=NtpLostRightLine=0; for(u8i=0;u8i

NtpImgEdgeHorizon[u8var1]=SysImgBuffer[u8i][u8var1-1]-SysImgBuffer[u8i][u8var1+1];/

while(SysCurrentRow!=u8i+1){SysCpuIdleCounter++;}//BLOCKING,Caution NtpLeftLineCaptured=NtpRightLineCaptured=FALSE; NtpGivenArea=u8i/6;//查询范围给定

for(u8j=0;u8j

u8var1=NtpLineMiddleHistory-u8j; NtpLeftLinePoints[u8i].XPos=IMG_USED_END; NtpLeftLinePoints[u8i].YPos=0;

NtpRightLinePoints[u8i].XPos=IMG_USED_BEGIN; NtpRightLinePoints[u8i].YPos=0; SysImgRLineCaptured[u8i]=FALSE; SysImgLLineCaptured[u8i]=FALSE;

/Edge

u8var2=NtpLineMiddleHistory+u8j;

NtpImgEdgeHorizon[u8var2]=SysImgBuffer[u8i][u8var2-1]-SysImgBuffer[u8i][u8var2+1];/

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/Edge

if(!NtpRightLineCaptured&&(NtpImgEdgeHorizon[u8var1]<-EDGE_THRESHOLD)&&u8

if((u8var2>IMG_COL-2)||(u8var1<3)){break;}

var1>IMG_USED_BEGIN){

if(NtpRightLineCounter==0){

if(u8var1<(IMG_USED_BEGIN+30)){ }

SysImgLineMark[u8i][u8var1]=TRUE; SysImgRLinePosition[u8i]=u8var1; NtpRightLineCaptured=TRUE;

}else{

if(SysImgRLineCaptured[u8i-1]){

if(u8var1<(SysImgRLinePosition[u8i-1]+NtpGivenArea+3)&&u8var1>(SysImgRLinePositi

on[u8i-1]-NtpGivenArea-1)){ Compare

SysImgLineMark[u8i][u8var1]=TRUE; SysImgRLinePosition[u8i]=u8var1; NtpRightLineCaptured=TRUE;

} else{

if(u8i>1&&SysImgRLineCaptured[u8i-2]){//Previous

if(u8var1<(SysImgRLinePosition[u8i-2]+NtpGivenArea+3)&&u8var1>(SysImgRLinePositi

on[u8i-2]-NtpGivenArea-1)){

SysImgLineMark[u8i][u8var1]=TRUE; SysImgRLinePosition[u8i]=u8var1; NtpRightLineCaptured=TRUE;

SysImgLineMark[u8i-1][SysImgRLinePosition[u8i-1]]=FALSE;

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}

}

SysImgLineMark[u8i-1][u8var1]=TRUE;//Repaire SysImgRLinePosition[u8i-1]=u8var1;

}else{//None Marking }

}else{

if(u8i>1&&SysImgRLineCaptured[u8i-2]){//Previous Compare

if(u8var1<(SysImgRLinePosition[u8i-2]+NtpGivenArea+3)&&u8var1>(SysImgRLinePositi

on[u8i-2]-NtpGivenArea-1)){

if(!NtpLeftLineCaptured&&(NtpImgEdgeHorizon[u8var2]>EDGE_THRESHOLD)&&u8var

}

}

}

}

/*SysImgLineMark[u8i][u8var1]=TRUE; SysImgRLinePosition[u8i]=u8var1; NtpRightLineCaptured=TRUE;*/

SysImgLineMark[u8i][u8var1]=TRUE; SysImgRLinePosition[u8i]=u8var1; NtpRightLineCaptured=TRUE;

SysImgLineMark[u8i-1][u8var1]=TRUE;//Repaire SysImgRLinePosition[u8i-1]=u8var1; NtpRightLineCounter++;

}else{ }

2

if(NtpLeftLineCounter==0){

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if(u8var2>IMG_USED_END-30){ }

SysImgLineMark[u8i][u8var2]=TRUE; SysImgLLinePosition[u8i]=u8var2; NtpLeftLineCaptured=TRUE;

}else{

if(SysImgLLineCaptured[u8i-1]){

if(u8var2<(SysImgLLinePosition[u8i-1]+NtpGivenArea+1)&&u8var2>(SysImgLLinePositio

n[u8i-1]-NtpGivenArea-3)){

SysImgLineMark[u8i][u8var2]=TRUE; SysImgLLinePosition[u8i]=u8var2; NtpLeftLineCaptured=TRUE;

}else{

if(u8i>1&&SysImgLLineCaptured[u8i-2]){

if(u8var2<(SysImgLLinePosition[u8i-1]+NtpGivenArea+1)&&u8var2>(SysImgLLinePositio

n[u8i-1]-NtpGivenArea-3)){

SysImgLineMark[u8i][u8var2]=TRUE; SysImgLLinePosition[u8i]=u8var2; NtpLeftLineCaptured=TRUE;

SysImgLineMark[u8i-1][SysImgLLinePosition[u8i-1]]=FALSE;

}

}

SysImgLineMark[u8i-1][u8var2]=TRUE;//Repaire SysImgLLinePosition[u8i-1]=u8var2;

}else{ }

}else{

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if(u8i>1&&SysImgLLineCaptured[u8i-2]){

if(u8var2<(SysImgLLinePosition[u8i-1]+NtpGivenArea+1)&&u8var2>(SysImgLLinePositio

n[u8i-1]-NtpGivenArea-3)){

NtpLineMiddleHistory=(SysImgRLinePosition[u8i]+SysImgLLinePosition[u8i])/4+NtpLine

}

}

}

}

/*SysImgLineMark[u8i][u8var2]=TRUE; SysImgLLinePosition[u8i]=u8var2; NtpLeftLineCaptured=TRUE;*/

SysImgLineMark[u8i][u8var2]=TRUE; SysImgLLinePosition[u8i]=u8var2; NtpLeftLineCaptured=TRUE;

SysImgLineMark[u8i-1][u8var2]=TRUE;//Repaire SysImgLLinePosition[u8i-1]=u8var2; NtpLeftLineCounter++;

}else{ }

if(NtpLeftLineCaptured&&NtpRightLineCaptured){break;} }

if(NtpLeftLineCaptured&&NtpRightLineCaptured){

SysImgRLineCaptured[u8i]=TRUE;SysImgLLineCaptured[u8i]=TRUE;

MiddleHistory/2;

NtpLeftLineCounter++;NtpRightLineCounter++;

}else if(NtpLeftLineCaptured){

SysImgRLineCaptured[u8i]=FALSE;SysImgLLineCaptured[u8i]=TRUE; SysImgRLinePosition[u8i]=IMG_USED_BEGIN;

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