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第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学校：湖北汽车工业学院科技学院队伍名称：独眼龙4.0参赛队员：陈慧超于健博高青鹏带队教师：周恒柯瀚I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七届“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：第七届全国大学生智能汽车竞赛技术报告II目录目录................................................................II第一章引言..........................................................1第二章模型车整车结构设计与调校......................................22.1车体的整体参数................................................22.2主电路板安装...................................................22.3前轮定位参数的设定.............................................32.4舵机的安装.....................................................52.5测速模块安装...................................................62.6差速机构的调整.................................................6第三章系统电路设计..................................................83.1单片机功能概述................................................83.2PCB电路板....................................................83.3稳压电源......................................................93.4电池的合理使用...............................................103.5驱动电路.....................................................103.6最小系统模块.................................................13第四章视频采集和图像处理...........................................144.1视频采集.....................................................144.1.1摄像头工作原理.........................................144.1.2摄像头的选择...........................................154.1.3信号分离电路...........................................154.2图像处理.....................................................174.2.1目标指引线的提取.......................................17第五章开发与调试...................................................195.1软件开发平台CodeWarriorIDE.................................195.2串口调试软件.................................................20第二章模型车整车结构设计与调校III第六章模型车的主要技术参数说明.....................................226.1改造后的车模基本参数.........................................226.2电路功耗，所有电容总容量.....................................226.3传感器种类以及个数...........................................226.4除了车模原有的驱动电机、舵机之外伺服电机个数.................226.5赛道信息检测精度、频率.......................................22第七章结论与展望...................................................237.1结论与总结...................................................23致谢...............................................................24参考文献..............................................................I附录A：程序源代码....................................................II1第一章引言本智能小车以飞思卡尔16位微控制MC9S12G128作为唯一的核心控制单元，采摄像头作为传感器，感应由赛道两边黑色引导线检测道路信息，通过单片机处理优化，把控制信号发送给电机和舵机。同时通过自制的转速传感器获取小车速度，进行速度反馈处理，最后利用PID控制方式作为电机驱动。本文对摄像头的彩像及对跑道位置的的检测进行了简要的分析，对小车的硬件与软件设计进行了介绍。技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等，共分为七章。其中，第一章为引言部分。第二章主要介绍了小车的总体方案的选取。第三章介绍了硬件设计，主要介绍了电路的设计；检测模块的设计。第四章对小车的视频采集和图像处理进行了详细的介绍。第五章描述了小车的软件调试过程。第六章主要介绍小车详细参数。第七章总结智能车经验和不足。2第二章模型车整车结构设计与调校2.1车体的整体参数比赛选用的模型车采用1/10的仿真车模，如图2.1所示，小车整体机构包括车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。A车模已经延续七届，对此我们对A车模的调教已经有很多经验。图2.1车模全貌2.2主电路板安装为保证整车的紧凑性和整体质量的集中，在设计电路板时将其形状设计成大致与底盘相同的形状，利用底盘上原有的定位孔将其平铺在底盘上，固定好，这样做也是为了主板的拆装的方便快捷，也有利于主板的维修。因为考虑到A型车模，车模空间有限，又考虑到车体本身的重心高度，所以这次设计的主电路板的装配位置在底板上，故将电路板设计的大小比较窄。由于电路板背面有一些裸露的铜线，所以为防止短路，特用胶枪固定防止短路。第二章模型车整车结构设计与调校32.3前轮定位参数的设定关于前轮定位参数的设定，我们可以通过改变转向横拉杆，前悬架横杆来改变前轮Castr角度。大度数的Caster可以增加车辆入弯时的转向，但是会江都车辆出弯时的转向，同时可以增加在颠坡的路面上行走的稳定性。适应比较小的Caster可以减少入弯时的转向，但会增加在弯道中间的转向，和出弯时候的转向。前轮束角（Toe）Toe角度是当从模型车的正上方俯视底板，车轮的前端和车辆纵线的家教。前轮Toe-in即前轮前端向内倾（内八字）；前轮Toe-out即前轮向外倾（外八字），称为Toe-out.通过改变转向拉杆的长度，可以改变车轮前束，如下图所示调试中我们发现，在赛车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束4个参数决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。第七届全国大学生智能汽车竞赛技术报告4示意图主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1°左右。所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。第二章模型车整车结构设计与调校5经过与赛道的磨合，我们智能车前轮角度调整为前轮外倾角为-2°，其他皆为0°。2.4舵机的安装舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，模型中使用的型号是：T170A。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。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，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。分析舵机控制转向轮转向的原理，可以发现在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机的一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这相当于增大力臂长度，提高线速度。针对上述特性，改变了原有的舵机的安装方法，对舵机如图2.2所示的安装。这样安装的优点是：①改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；②舵机安装在正中央，使舵机左右转向时受力比较均匀，使小车能灵活的转向。第七届全国大学生智能汽车竞赛技术报告6图2.4舵机安装图2.5测速模块安装我们采用的是旋转编码器测速，编码器旋转一周回产生100个脉冲，已经充分满足的赛车的检测精度，从而提高了赛车高速时速度控制的稳定性，大大小了检测误差。图2.5编码器的安装2.6差速机构的调整差速机构的作用是在赛车转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。差速器有差速作用和限滑作用：差速作用使两轮可以相对转动，并使两轮转动速度的平均值等于整驱动轴的转动速度；限