第八届飞思卡尔智能车竞赛摄像头组浙工大银江逐梦队技术报告

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：浙江工业大学 队伍名称：浙工大银江逐梦队 参赛队员：孟泽民

章志诚 徐晋鸿

带队教师：陈朋、朱威

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第八届\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： 孟泽民 章志诚 徐晋鸿 带队教师签名： 陈朋 朱威 日 期： 2013.8.15

摘 要

本文设计的智能车系统以MK60N512ZVLQ10微控制器为核心控制单元，通过Ov7620数字摄像头检测赛道信息，使用K60的DMA模块采集图像，采用动态阈值算法对图像进行二值化，提取黑色引导线，用于赛道识别；通过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并让其更稳定，我们使用自主编写的Labview上位机、SD卡模块、无线模块等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。实验结果表明，该系统设计方案可行。

关键词：MK60N512VMD100，Ov7620，DMA，PID，Labview，SD卡

I

Abstract

In this paper we will design a smart car system based on MK60N512ZVLQ10 as the micro-controller unit. We use a Ov7620 digital image camera to obtain lane image information. The MCU gets the image by its DMA module. Then convert the original image into the binary image by using dynamic threshold algorithm in order to extract black guide line for track identification. An inferred sensor is used to measure the car`s moving speed. We use PID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor， to achieve the closed-loop control for the speed and direction. To increase the speed of the car and make it more reliable， a great number of the hardware and software tests are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are compared by using the Labview simulation platform designed by ourselves， the SD card module and the wireless module. The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible.

Keywords: MK60N512VMD100，DMA，Ov7620，PID，Labview，SD card

II

目 录

摘 要 ..................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 引 言 .................................................................................................................................... 1 第一章 系统总体设计 ............................................................................................................ 2

1.1系统概述 ........................................................................................................................................... 2 1.2整车布局 ........................................................................................................................................... 2

第二章 机械系统设计及实现 ................................................................................................ 4

2.1车体机械建模 ................................................................................................................................... 4 2.2车模转向轮的定位与调整 ............................................................................................................... 5 2.3底盘高度及其调整 ........................................................................................................................... 6 2.4编码器的安装 ................................................................................................................................... 7 2.5舵机安装位置及结构调整 ............................................................................................................... 7 2.6舵机转角分析 ................................................................................................................................... 8 2.7摄像头的安装 ................................................................................................................................... 8

第三章 硬件系统设计及实现 .............................................................................................. 10

3.1硬件设计方案 ................................................................................................................................. 10 3.2电路设计方案 ................................................................................................................................. 10

3.2.1单片机最小系统板 .............................................................................................................. 10 3.2.2电源稳压电路及检测电路 .................................................................................................. 11 3.2.3图像处理电路 ...................................................................................................................... 12 3.2.4电机驱动电路 ...................................................................................................................... 13 3.2.5舵机接口电路 ...................................................................................................................... 14 3.2.6拨码开关电路 ...................................................................................................................... 14

第四章 软件系统设计及实现 .............................................................................................. 16

4.1赛道双边线提取及优化处理 ......................................................................................................... 16

III

4.1.1原始图像的特点 .................................................................................................................. 16 4.1.2普通赛道提线 ...................................................................................................................... 17 4.1.3特殊赛道提线 ...................................................................................................................... 19 4.1.4偏差量的计算 ...................................................................................................................... 21 4.1.5路径选择 .............................................................................................................................. 21 4.2 PID 控制算法介绍 ........................................................................................................................ 22

4.2.1位置式PID .......................................................................................................................... 23 4.2.2增量式PID .......................................................................................................................... 23 4.2.3各种改进型PID................................................................................................................... 24 4.2.4PID参数整定 ....................................................................................................................... 25 4.3转向舵机的PID控制算法............................................................................................................. 25 4.4驱动电机的PID控制算法............................................................................................................. 26 4.5速度决策算法 ................................................................................................................................. 26 4.6路径识别算法 ................................................................................................................................. 28

第五章 系统开发及调试 ...................................................................................................... 29

5.1开发工具 ......................................................................................................................................... 29 5.2上位机图像显示 ............................................................................................................................. 29

5.2.1Labview 上位机 ................................................................................................................... 29 5.3 SD卡模块 ....................................................................................................................................... 30

5.3.1SD卡介绍 ............................................................................................................................. 30 5.3.2SPI总线介绍 ........................................................................................................................ 31 5.3.3硬件电路实现 ...................................................................................................................... 31

第六章 模型的主要技术参数 .............................................................................................. 32 结 论 ...................................................................................................................................... 33 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 34 附录：程序源代码 .................................................................................................................. 35

IV

引 言

引 言

“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是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。其最早始于韩国，在国内，全国大学生\飞思卡尔\杯智能汽车竞赛从2006年开始举办，至今得到了各级领导及各高校师生的高度评价。并且有越来越多的队伍加入其中。

大赛包括光电组、摄像头组和电磁组，为保持创新性，在本届比赛中各组别的规则有所改变，其中摄像头组继第七届的寻双线外，改用B型车模，前轮驱动，难度大大提升。

本技术报告主要包括小车的机械设计、硬件系统设计、软件算法设计等，详尽地阐述了我们的设计方案，具体表现在机械结构的多种尝试，硬件电路的创新设计以及人工智能控制算法的应用。

在一年的备赛过程中，我们参看了大量控制方面的书籍，如：《先进PID控制及其MATLAB仿真》、《新型PID控制及其应用》等，智能车制作放面的书籍，如：《学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯》、《“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛设计与实践-基于S12XS和Kinetis K10》等，及大量K60芯片方面的资料与书籍。不仅如此，在这一年漫长的做车过程培养了我们电路设计、软件编程、系统调试等方面的能力，锻炼了我们心理素质、实践动手的能力、团队合作能力，对今后的学习工作都有着重大的实际意义。

1

第一章 系统总体设计

第一章 系统总体设计

1.1系统概述

全国大学生智能汽车竞赛中，小车的基本结构大致可分为电源模块、传感器模块和控制模块。本智能车系统的总体结构为：Ov7620数字摄像头拍摄赛道图像，输出PCLK、FOOD、HREF信号和8路数字图像信号，输入到MK60N512ZVLQ10微控制器，由K60的DMA模块进行图像采集，通过动态阈值算法对图像二值化，进行进一步处理获得主要的赛道信息，为舵机和电机的控制提供决策；转向舵机采用PD控制；驱动电机采用 PID控制，通过PWM控制经优化的MOS管驱动电路来调整电机的功率；通过编码器来检测车速，并采用MK60N512ZVLQ10的输入捕捉功能进行脉冲计算获得转速，并对应到相应的速度，与速度PID形成闭环；而车速的目标值由优化后的决策层给出，具体的控制策略将在下文中详细介绍。

根据竞赛的规则和智能车系统的基本要求，我们设计了系统结构图，如图1-1所示。在满足比赛要求和小车正常运行的情况下，力求系统简单高效，因而在设计过程中尽量简化硬件结构，减少因硬件而出现的问题。

图1-1 系统结构图

电机驱动两路PWM3.3V7.2V电源外围模块5VMK60N512ZVLQ10PCLKHREFFOOD信号Ov7620S-D5编码器SCISDHC稳压模块5.5V5VPW转M速读取SD、无线、上位机等调试模块1.2整车布局

车体整体布局的基本要求可简单归纳为一下几点：

（1）车模底盘降低，简化主板使其贴近底盘，以降低重心； （2）改变电池位置，避免重心集中在车体前端；

（3）电机与车身连接尽量保持原状，不采用硬固定，保持车体灵活；

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第一章 系统总体设计

（4）注意编码器和舵机摆放位置，要方便控制又保持重心低； （5）用轻便坚固的碳卷管作为摄像头杆的材料；

（4）注意摄像头固定位置，保证该区域振动小，重心分布要和盲区与前瞻匹配。 经过充分考虑与实际方案比较，我们车的整体布局如图1-2所示

图1-2 整车布局图

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第二章 机械系统设计及实现

第二章 机械系统设计及实现

根据组委会的相关规定，今年摄像头组比赛车模更换为B型车模，而且将驱动轮作为前轮。针对这一新的改动，对B型车本身就陌生的我们在机械上花了很长时间。在组建整个小车系统之前，我们就对该车模进行了详细的系统分析。B型车模相对于去年的A型车而言：轮子大、底盘高、电机响应迟钝，虽然在去年的基础上加了防滑胶套，但整个模型的摩擦力不及A型车模，因此在规则允许范围内尽量改造车模，提高车模整体性能是很必要的。本章将主要介绍我们对B型车模的机械结构认识及调整方案。

2.1车体机械建模

此次竞赛的赛车车模选用由北京科宇通博科技有限公式提供的B型车模。车模示意图如图2-1所示。

图2-1 B型车模示意图

车模具体参数：长28.75cm，宽16.6cm，高7.0cm，轴距20cm，前轮距（主动轮）14cm，后轮距13.8cm，轮胎直径6.4cm，前轮宽2.7cm，后轮宽3.7cm，底盘采用2.5mm厚的黑色玻纤板， 具有较强的弹性和刚性。前轮调整方式简单，全车滚珠轴承，主减传动比36/105。前后轮轴高度可调(离地间隙0.75cm/1.65cm），双滚珠差速。电机采用DC7.2V RS540马达，转速20000r/min，内装散热风扇。舵机采用S-D5数码伺服器，工作电压4.5-5.5V，带堵转保护电路，力矩5.0kg，动作速度≤0.14±0.02sec/60。

4

第四章 软件系统设计及实现

图4-7 原始边沿提取算法流程图

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第四章 软件系统设计及实现

十字校正和小S校正后的效果如图4-8和4-9所示。

图4-8 十字校正后的效果

图4-9小S校正后的效果

4.1.4偏差量的计算

使用前方一定距离的偏差量来控制小车具有较强的鲁棒性。其思想很简单。 有的队伍加上了斜率，我们测试发现远处斜率较为不稳定，最后还是放弃了斜率算法，使用较为稳定的偏差算法。

在获得偏差前要先标定赛道边沿，我们将车放在直道上，标定出标准的左右边线。之后通过取到的左线和左标准边线作差，取到的右边线和右标准线作差得出前方一定距离处的偏差量，用作后期控制等算法。

在选用多少距离范围的数据用作偏差量也很重要。在直道上由于速度较快，要选取远处的偏差，防止来不及转向，当在弯道内，由于视野有限，应该尽量使用能采集到的最远处的数据段，这样能在连续弯的切换上较为流畅，在回环弯道上较为稳定。 4.1.5路径选择

根据往届比赛的经验，赛车能否以最短的时间完成比赛，与赛车的速度和路径都有着密切的关系，因此，如何使赛车以一个最合理、最高效的路径完成比赛是提高平均速度的关键。

对于赛车路径的优化，不能仅在匀速下调节转弯系数，应该将变速考虑进去。 我们调节路径的方法是在慢速匀速情况下调出一套较为切弯的PD系数，慢慢的提

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第四章 软件系统设计及实现

高匀速的速度。由于在弯道内前瞻量有限，在提速的过程中不可避免的会出现反应迟钝，此时就停止调节转向参数。此时获得了这套转向参数的可用速度范围，在此基础上添加变速程序，以起到稳定并且高速的效果。

4.2 PID 控制算法介绍

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器，原理框图如图4-10所示。

图4-10 PID控制器原理框图

在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，控制规律为：

e(k)?r(k)?c(k) (1)

TDTku(k)?KP{e(k)?e(j)?[e(k)?e(k?1)]} (2) ?TIj?0T式中

k--采样序号，k = 0，1，2?； r(k)--第k次给定值； c(k)--第k次实际输出值； u(k)-- 第k次输出控制量； e(k)-- 第k次偏差； e(k-1)-- 第k-1次偏差； KP--比例系数； TI--积分时间常数； TD--微分时间常数； T--采样周期。 简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：

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第四章 软件系统设计及实现

比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。

微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在该偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 4.2.1位置式PID

位置式PID中，由于计算机输出的u (k) 直接去控制执行机构(如阀门)，u(k)的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的，所以通常称公式(2)为位置式PID控制算法。

位置式PID控制算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对过去e(k)进行累加，计算机工作量大；而且因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成严重的生产事故。因而产生了增量式PID 控制的控制算法，所谓增量式PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量△u(k)。 4.2.2增量式PID

当执行机构需要的是控制量的增量(例如：驱动步进电机)时，可由公式(2)推导出提供增量的PID控制算式。由公式(2)可以推出公式(3)，公式(2)减去公式(3)可得公式(4)。

Tk?1TDu(k?1)?KP{e(k?1)?e(j)?[e(k?1)?e(k?2)]} (3) ?TIj?0T

TDT?u(k)?KP{[e(k)?e(k?1)]?e(k)?[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]}TIT?KP?e(k)?KIe(k)?KD[?e(k)??e(k?1)]}

(4)

式中?e(k)?e(k)?e(k?1) ；KI?KPTTD ；KD?KP TIT公式(4)称为增量式PID控制算法，可以看出由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP、TI、TD，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由公式(4)求出控制增量。

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第四章 软件系统设计及实现

增量式PID具有以下优点：

(1) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法关掉。 (2) 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能保持原值。

(3) 算式中不需要累加。控制增量△u(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

但增量式PID也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。使用时，常选择带死区、积分分离等改进PID控制算法。 4.2.3各种改进型PID

(1) 不完全微分PID

将微分环节引入智能车的方向和速度控制，明显地改善了系统的动态性能，但对于误差干扰突变也特别敏感，对系统的稳定性有一定的不良影响。为了克服上述缺点，本文在PID算法中加入了一阶惯性环节。

将一阶惯性环节直接加到微分环节上，可得到系统的传递函数为：

U(s)?(Kp?KiKd?s?)?Up(s)?Ui(s)?Ud(s) (5) s1?Tf?s将(5)式的微分项推导并整理，得到方程如下：

(6)

式中，由系统的时间常数和一阶惯性环节时间常数决定的一个常数。为了编程方便，可以将公式(6)写成如下形式：

ud(k)?Kd(1??)e(k)??ud(k?1)?Kd(1??)e(k?1)

?Kd(1??)e(k)?H(k?1) (7)

式中，H(k?1)??ud(k?1)?Kd(1??)e(k?1) 。

分析公式(7)可知，引入不完全微分以后，微分输出在第一个采样周期内被减少了，此后又按照一定比例衰减。实验表明，不完全微分有效克服了智能车的偏差干扰给速度控制带来的不良影响，具有较好的控制效果。

(2) 微分先行PID

由于智能车在跑道上行驶时，经常会遇到转弯的情况，所以智能车的速度设定值和方向设定值都会发生频繁的变化，从而造成系统的振荡。为了解决设定值的频繁变化给

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