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第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告附件B基于CCD图像传感器的智能车控制系统的设计学校：哈尔滨工程大学队伍名称：极品飞车2号参赛队员：尹继超裴志谭园华带队教师：管凤旭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二届“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：II目录引言......................................................................1第一章模型车设计制作的主要思路..............................................31.1模型车控制与驱动单元...............................................31.2模型车的循迹方式选择及其原理........................................5第二章模型车机械设计.......................................................72.1模型车技术参数.....................................................72.2技术参数说明.......................................................8第三章外围电路设计.........................................................93.1LM1881视频信号分离电路.............................................93.2二值化比较电路.....................................................93.3电机驱动电路的设计................................................10第四章HCS12控制软件设计...................................................114.1主程序说明........................................................114.2PWM舵机控制说明...................................................11第五章制作调试............................................................155.1用CodeWarrior集成环境进行开发和调试...............................155.2实地调试..........................................................15结论.....................................................................17参考文献...................................................................19附录A程序源代码...........................................................II附录B研究论文...........................................................VIII1引言本报告是为参加“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛而撰写的技术报告，系统的介绍了哈尔滨工程大学“极品飞车2号”智能寻线小车的开发研制过程。采取比较成熟的技术，配合创新的设计方案，通过实际试验表明模型车取得了比较理想的效果。模型车以比赛组委会提供的MC9S12DG128单片机作为主控单元。为了控制模型车的驱动电机、前轮转向舵机，本设计使用了MC9S12DG128单片机的PWM模块。鉴于CCD传感器在采集路面信息的快速性、超前性及与单片机接口的方便性等方面表现出的卓越性能，因而选择它作为模型车的路径识别传感器。本报告的第一章简单介绍了模型车设计制作的主要思路，为后续章节的展开提供了理论框架。第二章叙述了模型车的主要技术参数。第三章具体设计了模型车系统的外围电路，并对其功能进行了详细描述。第四章结合硬件结构阐述了HCS12控制软件工作原理。第五章按照模型车的开发研制过程详细描述了具体的调试过程、在调试过程中遇到的问题及解决问题的方法。3第一章模型车设计制作的主要思路模型车采用飞思卡尔公司提供的16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元，采用CCD摄像头作为图像传感器对地面信息进行检测，配合单片机完成对小车的控制。外围电路分为视频信号的分离、摄像头升压和电动机及舵机驱动等部分。1.1模型车控制与驱动单元模型车的核心控制单元是飞思卡尔公司提供的MC9S12DG128单片机(图1.1)。MC9S12系列单片机是以速度更快的CPU12内核为核心的单片机系列，片内有较大的RAM、Flash空间，一般无需扩展外部RAM和外部的Flash。MC9S12DG128单片机采用5V供电，总线速度25MHz，有丰富的I/O模块和工业控制专用的通信模块。图1.1MC9S12DG128单片机模型车驱动电机和转向舵机都是由大赛组委会统一发放的，分别为深圳市高翔电机有限公司的RS-380SH型直流电机和SRM-102转向舵机。为进行测速，采用光电码盘作为速度传感器。由于CCD摄像头(图1.2)、转向舵机、光电码盘和单片机等共同由一节电池供电，因而采用DC-DC集成升压模块和两种高性能的三端稳压器为其供电：B0512D-2W(5V-12V)-----CCD摄像头LM2940CT（5V）-----单片机、速度传感器LM7806（6V）-----转向舵机第一章模型车设计制作的主要思路4采用电机驱动芯片MC33886来驱动电机，通过改变单片机输入到MC33886中的PWM波的占空比，来改变对电机供电的电压的大小，进而可以控制电机的转速。电机控制采用数字PID算法，通过整定参数，使电机的响应达到最佳的速度和精度。PID控制的基本思想是对误差进行比例积分微分运算，实现对系统的基本控制。离散后的PID用误差积累加和代替积分，用两次误差的差分代替微分。当采样周期很小时，可以近似的认为系统为连续系统。通过整定三种运算的增益来调整电机系统的响应速度和调量大小。在设计过程中，可以通过向IN1和IN2口发出PWM波，进而控制电机的正转和反转。在模型车在直道行驶的时候，可以通过电机正转的使其加速；当模型车行驶到弯道时，利用反转PWM波来控制电机减速。模型车是通过舵机控制前轮的转向来实现转弯的。由单片机的I/O口根据不同CCD传感器传回的信号，经过分析处理后输出一系列不同脉冲宽度的波（PWM波）来控制舵机旋转的角度。舵机的旋转角度与给定信号正脉冲的宽度相对应，1ms—2ms的脉冲对应着舵机的左30度到右30度角度位置，如图1.3所示：图1.3舵机控制信号信号的周期可以根据需要调整，不影响舵机的旋转角度。为了减小舵机响应的延迟时间，提高响应速度，应尽量减小信号周期。本设计采用的是180HZ（周期5.56ms）的信号频率。从舵机引出红、黑、蓝三根线，分别是电源线、地线、信号线。第一章模型车设计制作的主要思路51.2模型车的循迹方式选择及其原理基于反射式红外传感器的光电传感器阵列的路径检测方法具有较高的可靠性与稳定性，信息更新速度快且易于单片机处理。但是它易受环境光线干扰，而且存在着检测距离近的问题，硬件电路复杂。为了获得远方的信息需要将传感器伸得尽可能远，从而增加了车体高速行驶时的转动惯量，限制了智能车的最高速度。基于黑白面阵CCD传感器的路径检测方法具有以上两种方案的所有优点，同时面阵CCD输出的是复合视频信号，采集到的信息将是前方整个一幅图像。利用S12单片机内部的A/D转换器，并配合从视频信号分离出的同步信号，该单片机可以直接将图像信号采集到其内部的RAM中，然后通过软件对图像信息进行处理。这样不仅可以识别道路的中心位置，同时还可以得到赛路的方向、赛道的曲率等信息。这样可以有效地对车模进行运动控制，提高车模路径跟踪速度和运行速度。但是面阵CCD的延迟比较大（20ms），因此对信息的采集和处理有一定的约束。综合以上分析，为了更多的获得路况信息和取得大的前瞻，本设计选择黑白面阵CCD传感器方式，并对其进行了改进。循迹是指模型车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是通过光点传感器探测的方法。本设计采用的是黑白面阵CCD摄像头传感器。实际上对于模型车的控制并不要求分辨率很高的摄像头，相反分辨率低一些的图像更有利于减少存储所用的空间，加快单片机进行图像处理的速度，而且可以获得足够的有用信息来控制小车。CCD摄像头输出信号是标准的视频复合信号，一路信号利用同步信号分离芯片LM1881将其分离，然后输入给单片机的I/O口，另一路信号直接输入到二值化比较器，将模拟视频信号进行二值化后输入单片机的I/O口。通过软件的分析与处理，并采取相应的控制算法，控制单片机输出相应的PWM信号来控制舵机和电机。第一章模型车设计制作的主要思路7第二章模型车机械设计模型车主要是依靠后轮驱动，所使用的电机是组委会统一发放的RS-380型号的直流电机，前轮由舵机驱动完成方向的转变。模型车的全部是由一节7.2V镍镉充电电池提供，电池安置在车身中部。功率信号放大及电机控制部分的电路及开关等位于电池上方的万用电路板上，该电路板通过支架固定在模型车上。MC9S12DG128单片机插在控制电路板上，摄像头位于车身的前部，固定于铝制长杆的顶端，并且高度可调。光电码盘置于模型车后部，与后轮平行。2.1模型车技术参数模型车经过改装后的主要技术指标如表2.1所示，整车模型如图2.1所示。表2.1模型车改装后的主要技术指标表项目参数车模几何尺寸（长、宽、高）（毫米）310×165×360车模轴距/轮距（毫米）200/145车模平均电流（匀速行驶）(毫安)2000电路电容总量（微法）约270传感器种类及个数CCD×1；光电码盘×1新增加伺服电机个数无赛道信息检测空间精度（毫米）13赛道信息检测频率（次/秒）50除MC9S12DG128之外其它主要芯片LM1881；LM393车模重量（带有电池）（千克）1.25图2.1整车模型第一章模型车设计制作的主要思路82.2技术参数说明1、电路功耗电路的实际功耗会因其实际工作情况的不同而不同。如果假设电机的工作电压为5V，舵机的工作电压为6V，CCD摄像头工作电压为12V，单片机工作电压为5V，小车在直道行驶，可以通过实际测量获得电路的总功耗为6.5W（含电机）。由于在电路设计中，没有单独使用电容，因此电容总量是符合规定的。至于LM2940、MC33886等芯片中的电容属于芯片内电容。2、传感器个数以及种类模型车总共使用了两个传感器，一个为CCD摄像头传感器（图2.2），另一个为光电码盘速度传感器（图2.3）。为了避免由于模型车的振动和碰撞引起的传感器位置改变，摄像头的高度和倾角用胶水固定。图2.2CCD摄像头图2.3CCD光电码盘3、电机个数模型车除了车模原有的一个驱动电机和一个舵机之外，设计中没有添加任何其它的伺服电机，总的电机数量为两个，自行增加的电机个数为零个。4、赛道信息检测精度赛道信息检测精度与摄像头的分辨率及单片机的采集速度有关。本车对赛道的检测精度可以达到0.001m。第四章HCS12控制软件设计9第三章外围