辽宁工程技术大学机械一队智能汽车竞赛技术报告.docx
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辽宁工程技术大学机械一队智能汽车竞赛技术报告
摘要
本文介绍了机械一队为第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛而设计的智能车系统。
文中介绍了该智能车系统的软、硬件结构及其开发流程。
该智能车系统以MC9S12DG128B作为整个系统信息处理和控制命令的核心,基于COMS摄像头采集的赛道信息,提取黑线中心位置并求得小车偏离黑线的程度,采用模糊算法区分道路形状,在此信息上进一步处理以控制舵机的转向,通过速度传感器获得实时速度信息,通过实时比较控制算法实现闭环反馈控制,测试表明,该智能车能够很好的跟随黑色引导线,可以实现对应于不同形状的道路予以相应的控制策略,可快速稳定的完成整个赛道的行程。
关键字:
单片机;摄像头;视频采样;模糊;闭环反馈控制;速度控制
摘要
第一章引言1
1.1智能车的发展历史[1]1
1.2赛车研究意义和主要研究内容1
第二章赛车系统总体设计3
2.1赛车系统硬件电路结构3
2.2赛车系统软件总体设计4
第三章赛车车体机械结构设计5
3.1车体机械参数调整5
3.1.1车体基本尺寸参数[3]5
3.1.2前轮参数调整5
3.1.3舵机的安装9
3.1.4后轮距与后轮差速机构调整9
3.1.5传感器的安装10
3.1.6主电路板的固定与连接11
3.1.7车体重心调整11
第四章赛车硬件系统设计13
4.1核心控制模块13
4.2电源管理模块设计13
4.2.1各部分电源的实现[5]14
4.3调速键盘设计16
4.4图像采集模块[6]16
4.4.1摄像头工作原理16
4.4.3摄像头的选取18
4.4.4视频信号采样[7]19
4.4.5采样电路模块20
4.5速度获取方案21
4.5.1传感器的选择[8]21
4.5.2速度信号的获取22
4.5.3脉冲计数检测速度22
4.6电机驱动电路[9]23
4.7舵机驱动设计[5]24
4.8主电路板设计与制作25
第五章软件模块设计27
5.1图像采集程序设计27
5.2图像处理28
5.2.1滤波处理28
5.2.2梯形失真校正29
5.3黑色引道线的提取29
5.3.1边沿检测法29
5.3.2连续法提取黑线30
5.4路径识别31
5.5控制策略35
5.5.1舵机控制35
5.5.2电机控制36
5.6单片机各模块初始化38
5.6.1时钟模块初始化38
5.6.2PWM模块初始化38
5.6.3ECT模块初始化39
5.6.4串行通信初始化39
5.6.5模计数器初始化40
5.6.6AD转化初始化40
第六章程序开发和调试41
6.1软件开发环境41
6.1.1CodeWarriorIDE41
6.1.2调试器42
6.1.3串口调试软件43
6.1.4拨码开关44
第七章总结45
7.1主要技术参数45
7.2经验总结45
参考文献47
致谢48
附录A程序源代码49
第一章引言
1.1智能车的发展历史[1]
智能车的研究始于20世纪50年代初美国BarrettElectric公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统(AutomatedGuidedVehicleSystem,AGVS)。
1974年,瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与Schiinder-Digitron公司合作,研制出一种可装载轿车车体的AGVS,并由多台该种AGVS组成了汽车装配线,从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。
20世纪80年代,伴随着与机器人技术密集相关的计算机、电子通信技术的飞速发展,国外掀起智能机器人研究热潮,其中各种具有广泛应用前景和军用价值的移动式机器人受到西方各国的普遍关注。
全国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上,使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、设计电机驱动电路、编写相应软件以及装配模型车,制作一个能够自主识别道路的模型汽车,按照规定路线行进,以完成时间最短者为优胜。
该竞赛涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的大学生课外科技创意性比赛。
1.2赛车研究意义和主要研究内容
全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了三届,比赛规模不断扩大、比赛成绩不断提高。
该竞赛涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的大学生课外科技创意性比赛。
通过比赛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。
赛车采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元,由学生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,完成智能车工程制作及调试。
为完成本系统,主要做得内容分为以下几部分:
(1).对车模机械部分进行详细的分析和调整;
(2).分析控制电路各模块的要求,计算出各模块器件的参数,设计完成硬件控制电路;
(3).分析COMS摄像头时序,完成图像采集;
(4).对数据进行分析,设计控制算法并编写控制程序。
第二章赛车系统总体设计
赛车的性能主要由机械结构,硬件和软件三部分决定。
机械结构是赛车能够行驶的根本,赛车有了一定的机械结构,再加上相应的硬件和软件,就构成了一个完整的系统。
2.1赛车系统硬件电路结构
赛车定位系统用摄像头拍摄车辆前方的赛道,通过MC9S12DG128采样视频信号,获得图像数据,结合一定的算法,提取目标指引线,然后根据目标导引线的位置信息,对舵机和电机以合适的控制。
本智能车辆定位系统的结构图如图2.1所示。
图2.1智能车辆硬件总体电路
系统先对摄像头获得的模拟图像信号,速度传感器测得的速度值,加速度传感器检测到的坡度信息,以及调速键盘输入的脉冲值等送入单片机最小系统进行分析处理,发出命令驱动舵机,并使用两片全桥电机驱动芯片MC33886并联驱动电机,输出PWM波形实现对于电机的控制,使用lm2575等稳压芯片对各模块提供电源。
我们参照各个功能模块的硬件功能需求,选定了各模块对应元器件的类型和数量如下表2.1所示。
表2.1主要芯片及其数量
序号
芯片型号
数量
作用
1
LM1881
1
视频信号分离
2
LM2575-5.0
2
提供5V稳压
3
MAX632
1
提供12V稳压
4
LM1117-ADJ
1
提供6V稳压
5
MC33886
2
电机驱动芯片
2.2赛车系统软件总体设计
硬件电路结构是系统的基础,软件设计由硬件和控制需求制定。
本软件系统基本流程为:
首先初始化硬件各功能模块和控制参数,然后通过图像采集模块采集图像数据,采用边沿检测和根生长法提取出黑色引导线,对图像数据进行处理之后采用模糊控制判断道形,设置速度脉冲预期值和控制舵机转向,最后采集速度信息,根据模糊出的道形信息和预期的速度脉冲值对智能车的速度进行不断调整,使赛车在符合竞赛规则下,快速循迹行驶。
系统的基本软件流程如图2.2所示:
图2.2系统软件流程图
第三章赛车车体机械结构设计
机械结构是控制算法和软件程序的执行机构,对机械结构性能的了解和改造有利于对控制算法和软件程序的实现。
因此对车体机械结构的调整是非常必要的。
3.1车体机械参数调整
3.1.1车体基本尺寸参数[3]
比赛所用车模为1/10的仿真车模。
前轮转向,后轮驱动且带有差速器。
其基本尺寸参数见表3.1:
表3.1车体基本尺寸参数
基本参数
尺寸
轴距
196cm
前轮距
136cm
后轮距
136cm/146cm
车轮直径
50cm
车长
317cm
车宽
173cm
传动比
18/76
车体主要可调整参数有:
用于前轮定位的主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角、前轮前束;后悬挂弹簧刚度;后轮距;底盘离地间隙。
3.1.2前轮参数调整
前轮参数的调整包括前轮主销后倾角,主销内倾角,前轮外倾角,前轮前束。
这几个参数对车体直线行驶的平稳性和转弯的灵活性有很重要的影响。
主销后倾角
主销后倾角定义:
球头中心线(即转向时,车轮围绕其进行转向运动的转向轴)向前或向后倾斜的角度。
向前倾为负主销后倾角,向后倾为正主销后倾角。
如图3.1所示:
Fy
前进方向
图3.1主销后倾角示意图
主销有一定的后倾角,使主销延长线与地面的交点a向前偏移了一段距离l,转向后地面作用在车轮上的侧向力FY对主销形成一个转矩,该转矩具有使前轮回正的作用,即如果车轮向右转,后倾角产生一个向左的回正力,使车轮回正较快,但后倾角不宜过大,过大会使转向沉重,一般不超过2°~3°。
本车模的前轮后倾角可以通过车模上横臂上的小黄垫片来调整,可以设置0、2°~3°、4°~6°。
一共有四个垫片,前二后二时为0°,前一后三时为2°~3°,全装后面为4°~6°。
由于主销后倾角太大会使转向沉重,又因为转向控制的舵机特性偏软,所以不宜采用4°~6°的主销后倾角,2°~3°已经够用,即垫片采用前一后三进行安装,如图3.2所示:
图3.2主销后倾垫片安装图
②主销内倾角
主销内倾角定义:
当赛车水平停放时,在赛车的横向垂面内,主销轴线与地面垂线的夹角β定义为主销内倾角。
如图3.3所示:
主销轴线
图3.3主销内倾角与前轮外倾角示意图
主销内倾的作用是使前轮自动回正,转向轻便,并减小车模行驶时路面通过车轮传给转向机构的冲击力。
内倾角太大会使转向时车轮与地面产生较大的滑动,加剧轮胎的磨损。
主销内倾角可以通过改变上横臂螺杆的长度来调整,调整范围为0°~10°,通过调试,我们调到约为1°的内倾角。
③前轮外倾角
转向轮安装在车桥上,其旋转平面上方略向外倾斜,这种现象称为前轮外倾。
前轮旋转平面与纵向垂直平面之间的夹角α叫做前轮外倾角。
如上图3-3所示;如果两个轮子呈显“V”字型则称正倾角,如果两个轮子呈现“八”字型则称负倾角。
前轮外倾的作用在于提高了前轮工作的安全性和转向操纵轻便性。
前轮设置外倾角后,地面对前轮的反作用力沿前轮旋转轴线的分力将前轮压向转向节内侧,可防止汽车行驶中前轮向外脱出,同时地面反力的作用线更接近于转向节轴的根部,可以减小转向力,使转向操纵轻便灵活。
较小的外倾角有助于操纵和转向,符合技术规范的外倾角对轮胎的磨损几乎没什么影响,但是过大的外倾角则会造成轮胎的磨损明显增加,从而缩短轮胎的寿命。
我们的车模采用大赛提供的1°外倾角的配件。
④前轮前束
前轮前束的定义:
从车辆的前方看,于两轮轴高度相同处测量左、右轮胎中心线之间的距离,车辆前段距离与后段距离差值称为前束角,前端距离大于后端距离为负前束,反之为正前束,距离相等为零前束,如图3.4所示:
图3.4前轮前束示意图
由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动,从而导致两侧车轮向外滚开但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开,车轮会出现边滚变向内划的现象,从而增加了轮胎的磨损。
前轮外八字与前轮外倾搭配,一方面可以抵消前轮外倾的负作用,另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜,外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。
外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大,则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小,有利与转向。
我们将前轮调节到有一个很小的前束。
图3.5调整过后的前轮结构:
图3.5实际调整的前轮前束图
3.1.3舵机的安装
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机构的方法可以提高舵机的响应速度。
分析舵机控制转向的理论可以发现,在相同的舵机转向条件下,转向连杆在舵机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,改变了原装车模的安装方式,将舵机安装在相对的一对称面上。
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,使左右的转向基本一致;
3)重心相对来说靠后,减轻舵机的负载。
安装示意图如图3.6所示:
图3.6舵机的安装图
3.1.4后轮距与后轮差速机构调整
后轮距的调整:
赛车高速行驶时突然转弯时容易翻倒,为了增加整车的平衡能力,可将车模原配的后轮调节件改为大轮距的调节件,使后轮距在原来基础上增加了4mm,如图3.7所示,进一步减小了侧滑。
图3.7大轮距调节件图
后轮差速机构的调整:
赛车在拐弯时由于弯道内侧轮比外侧轮的拐弯半径小,而引起内侧轮比外侧轮的速度小,这就使两轮之间有一定的速度差,称为差速。
赛车的差速机构安装在后轮轴上。
差速对赛车转弯性能有很大的影响,如果差速过紧,即两轮胎的速度很接近时,转弯的时候内侧轮很容易打滑,从而产生侧滑,使赛车滑出赛道。
而当差速过松时,会使直道的时候两轮打滑,大大的减小了赛车的驱动能力。
所以适当调整差速结构,可使赛车在直道上有较强的驱动能力,且转弯时又比较灵巧。
调节时可转动一个车轮,同时另一手捏住齿轮不放,另一个轮将向反方向转动。
若发现齿轮之间撞击的声音很响,则说明齿轮耦合较松或两齿轮之间不平行时,应调节到没有撞击的声音且轮胎能灵活转动。
另一种方法是把赛车放在赛道上捏住一个轮胎不动让另一个轮胎能在赛道上半滑动时即可。
3.1.5传感器的安装
传感器的安装主要是摄像头和脉冲编码器。
摄像头的固定可分为两部分:
摄像头支架和摄像头的固定。
摄像头支架要求材料要轻,所占空间小,且有较好的刚度。
我们最后选择的是铝合金材料支架,此材料有足够的刚度和硬度,而且加工容易,因为摄像头安装的高度和俯角对车体的前瞻量有很大的影响,高度太高,俯角小,会导致远处图像失真严重,甚至分辨不清;俯角大,前瞻量不够,影响车速的提高;经过调试最后摄像头安装高度为35cm,俯角大约45°,效果较好。
摄像头安装如图3.8所示:
图3.8摄像头安装示意图
脉冲编码器必须保证其与赛车后轴同轴,才能较好工作。
由于脉冲编码器与齿轮啮合,根据齿轮啮合必须模数相同我们采用电机上自带的齿轮作为赛车差速器的齿轮,这样就不用再自制齿轮,最后将其用自制的支架固定于赛车尾部。
其实物图如图3.9所示:
图3.9脉冲编码器的安装实物图
3.1.6主电路板的固定与连接
主电路板是赛车系统的硬件核心,因此它的固定是不容忽视的。
我们在PCB板上打了几个Φ3mm的过孔,用于主电路板的固定,其他模块通过电缆和电路板连接。
主电路板的固定如图3.10所示:
图3.10主电路板固定示意图
3.1.7车体重心调整
车体重心调整包括竖直方向重心(重心高度)的调整和重心前后位置的调整。
为保证智能车高速入弯时不发生翻车事故,重心越低越好。
所以,选择摄像头时选择比较轻的,摄像头支架材料及规格也要加以考虑,电路板的摆放也尽可能低。
关于重心前后位置的调整,根据汽车理论,车体重心前移,会增加转向,降低了转向的灵敏度,同时降低后轮的抓地力,有时导致甩尾现象;重心后移,会减少转向,但增大转向灵敏度,后轮抓地力也会增加,但太靠后会在转弯的时候导致前轮侧滑现象。
通过大量实验,我们发现:
将车体重心调整到中间偏后的位置,智能车的各项性能均较好。
具体调整方法:
重心高度调整可合理设计摄像头支架,同时通过增加垫片来降低底盘高度;前后重心受电池安装位置影响最大,通过整体安排调整摄像头支架安装位置、舵机位置、电路板位置、电池位置及编码器安装位置,甚至可以适当配重来达到目的。
最后调整如图3.11所示:
图3.11赛车整体安装图片
第四章赛车硬件系统设计
4.1核心控制模块
S12系列单片机MC9S12DG128是硬件系统的核心部分,用于赛车的整体控制。
它通过图像采集模块采集赛道信息,作为转向控制信号,构成转向控制系统;同时通过速度传感器模块采集赛车速度,作为速度控制及反馈信号,构成速度闭环系统。
MC9S12DG128片内资源如图4.1所示:
图4.1MC9S12DG128片内资源分配图
4.2电源管理模块设计
电源是整个系统运转的能源中心,只有保证了电源的合理供给,系统各个部件才能正常的工作,因此,电源管理是十分重要的,那么我们需要对配发的标准车模用蓄电池进行电压调节。
单片机系统、摄像头、车速传感器电路,LED显示电路等各个电路的工作电压不同,我们需要设计方案来使得电压满足各自的要求。
本设计中总体电源管理如下图4.2所示。
图4.2总体电源分配图
4.2.1各部分电源的实现[5]
我们使用各种稳压芯片来满足对各模块不同电压的需求。
5V电压是单片机的工作电压,此电压对稳定性要求较高,不稳定的5V电源往往会导致车模运行过程电压不稳突然复位,在这里稳压芯片的选择考虑7805稳压块和LM2575系列两种方法。
但是7805的一个明显缺点是当输入电压大于12伏时,发热会很厉害,最大的输入电压也只能到15伏左右。
原因在于7805属于线性稳压,即如果输入12V,就有7V电压是完全的发热浪费掉。
经过分析比较,最后决定采用LM2575稳压芯片稳定5V电压。
其将电池输出电压稳压到5V对单片机、LED,速度传感器供电,如图4.3所示:
图4.35V输出电压模块电路图
摄像头的工作电压为12V,这里使用MAX632将5V电压升到12V后,对摄像头供电;如图4.4所示:
图4.4摄像头供电模块电路图
舵机工作电压为6V,电源由电池(7.2V)通过一个二极管和一个稳压管来使舵机电压稳定在6.5V左右,如图4.5所示:
图4.5舵机电源模块电路图
速度传感器电源直接接5V,通过并联一个电阻即可使速度传感器正常工作,如图4.6所示:
图4.6速度传感器电路图
4.3调速键盘设计
拨码键盘速度调档安装8个按键的拨码,分为8档速度,分别对应着不同的占空比,从低至高,依次递增,其中8个键分别对应8档速度,有了此调速模块,可以在不改变软件程序的情况下,简单的通过拨码按键就能实现速度的切换,这时,便可以根据不同的跑道和环境,使车模以其适宜的速度行驶,如图4.7所示:
图4.7调速拨码键盘电路
4.4图像采集模块[6]
道路图像采集模块主要是通过CMOS摄像头采集赛道信息,并对信息进行处理,区分出不同的赛道形状,判断出赛车相对于黑线的位置。
4.4.1摄像头工作原理
除镜头外摄像头还有一块感光处理芯片,时钟发生电路及一些外围电路。
感光处理芯片由方阵排列的感光元组成,当外部图像经镜头折射,聚焦到感光芯片上时,灰度信息转化为电压信息存储在这些感光元中,在时钟脉冲的作用下这些电压信息顺序输出到信号线上。
为了实现序列图像的同步顺序传输,在扫描过程中加入了场同步和行同步信号。
现在国内通用的视频信号是PAL制信号,摄像头传送的信号的也都是PAL制。
下面对PAL制信号的时序作详细的说明,如图4.8所示。
图4.8PAL制信号时序图
现在通用的视频信号是625线,即一幅图像竖着分为625行。
这625行又按奇偶分为奇偶场,即每场图像只有312行。
摄像头每秒扫描25幅图像,每幅又分奇、偶两场,先奇场后偶场,故每秒扫描50场图像。
奇场时只扫描图像中的奇数行,偶场时则只扫描偶数行。
当一场结束后,扫描点会从这场的右下角扫到下场图像的左上角,这段时间场消隐区间,如图4-4所示。
场消隐区间又分为6个前均衡脉冲,6个场同步脉冲,6个后均衡脉冲以及12个脉冲置顶脉冲。
场同步脉冲标志着下一场的到来。
图片置顶脉冲是灰度值转化为电压值的时间。
图片置顶脉冲之后进入行信号输出时间。
图片置顶脉冲结束后开始此场的第一个行同步脉冲。
如图4.9所示:
图4.9PAL信号的一行信号脉冲图
同步脉冲前后都有6.2us的前肩后肩,后肩后边的信号就是图像灰度信号转化成的电压信号。
52.2us后此行结束,扫描点隔一行再进行扫描。
如此循环,经过312行后此场结束,开始下一场的场消隐。
4.4.3摄像头的选取
目前,市场上主要有CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两类图像传感器,因此,我们有以下两种选择方案:
1)采用CCD摄像头
CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。
优点:
成像质量好,灵敏度、分辨率高、噪声影响弱。
缺点:
要求的供电电源高,功耗很大。
表4.1CMOS与CCD图像传感器的性能比较
CMOS成像器件
CCD
噪声电子数
<=20
<=50
工艺难度
小
大
像敏单元放大器
有
无
信号输出
行、列开关控制,可随机采样
CCD为逐个像敏单元输出,只能按规定的程序输出
ADC
在同一芯片中可设置ADC
只能在器件外部设置ADC
逻辑电路
芯片内可设置若干逻辑电路
只能在器件外部设置
接口电路
芯片内可以设有接口电路
只能在器件外设置
驱动电路
同一芯片内设有驱动电路
只能在器件外设置,很复杂
2)采用CMOS摄像头
在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。
优点:
要求的供电电源低,功耗很小,低成本,高整合度。
缺点:
成像质量不及CCD摄像头好。
CMOS与CCD图像传感器的性能比较如表4.1所示:
上表说明:
CMOS成像器件的功能多,工艺方法简单,成像质量也与CCD接近,而在我们实际的应用过程中,由于S12芯片的处理能力不足以达到PC的运算能力,而且CMOS的功能已足够满足性能要求,故我们最后决定使用只有PAL制式分辨率352*288-1/4 OV 5116型摄像头,该摄像头具有自动增益控制、内同步、自动背光补偿和低功率消耗等优点。
该摄像头的技术参数如表4.2所示:
表4.2摄像头的技术参数
图像传感器
1/4 OV 5116 CMOS 黑白
水平清晰度
380 TV Lines
感光面积
3.2mm×2.5mm
信号系统
PAL
NTSC
像素
352(水平)×288(垂直)
320(水平)×240(垂直)
扫描频率
水平:
15.625KHz 垂直:
50Hz
水平:
15.7343KHz 垂直:
60Hz
电子快门
1/50-1/6000(秒)
1/60-1/6000(秒)
信噪比
≥46dB(AGC OFF)
灰度
十级
伽马值
0.45
暗电平
0.06 Vp-p
最低照度
0.5 Lux / F1.2(IR ON为 0 Lux)
视频复合信号
1.0Vp-p 75Ω
标配镜头
3.6 mm
红外距离
5m(6颗 940NM φ5)
规格
PCB:
38mm×55mm
功耗
DC12V±10% 50mA±10%
工作温度
-20℃~50℃ RH95% Max
由其技术参数可知该摄像头能满足检测黑色引导线的要求,所以选用该摄像头。
4.4.4视频信号采样[7]
COMS信号采样的关键地方就是能检测出场同步信号和行同步信号,否则单片机将无法识别哪部分是同步信号,哪部分是图像信息信号。
采用视频信号分离芯片能够识别出通用的PAL制视频信号中的场同步脉冲,消隐脉冲以及行同步脉冲,并把它们分离出来,同时还能分辨出
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