于技術(shù)報告使用授權(quán)的說明本人完全了解第三屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名：帶隊教師簽名：日期：目錄第1章緒論.11.1前言.11.2競賽背景.11.3論文概述.2第2章智能車設(shè)計方案概述.32.1車模硬件系統(tǒng)設(shè)計.32.2車模軟件系統(tǒng)設(shè)計.42.3車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)定.42.3.1前輪懸掛的調(diào)節(jié).52.3.2舵機(jī)的安裝.62.3.3差速器的調(diào)節(jié).62.3.4電路板的安裝和重心分配.62.4車模技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計.8第3章車模硬件系統(tǒng)設(shè)計.93.1圖像采集硬件的設(shè)計.93.1.1OV7620面陣數(shù)字式CMOS傳感器.93.1.2先入先出FIFO緩沖器SN74V293.103.2MC9S12DG128單片機(jī)最小系統(tǒng).123.3大電流直流電機(jī)驅(qū)動器.133.4速度傳感器.13第4章車模軟件系統(tǒng)設(shè)計.154.1圖像處理算法.154.1.2圖像的二值化.164.1.3跑道黑線的提取.17IV4.1.4圖像透視變形的矯正.184.1.5跑道特征計算.194.2模糊控制器的設(shè)計.204.2.1模糊控制器的特點(diǎn).204.2.2模糊控制器自適應(yīng)性的實現(xiàn).204.2.3雙輸入雙輸出模糊控制器在智能車上的應(yīng)用.214.3車速PID控制的實現(xiàn).22第5章智能車調(diào)試和開發(fā)平臺.235.1HCS12開發(fā)工具.235.2智能車在線監(jiān)控調(diào)試系統(tǒng).245.3智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.25第6章總結(jié)與展望.27插圖索引.I參考文獻(xiàn).III附錄A單擊此處鍵入標(biāo)題.V第1章緒論1.1前言在半導(dǎo)體技術(shù)日漸發(fā)展的今天，電子技術(shù)在汽車中的應(yīng)用越來廣泛，汽車電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命，汽車電子化的程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，是用來開發(fā)新車型，改進(jìn)汽車性能最重要的技術(shù)措施。汽車制造商認(rèn)為增加汽車電子設(shè)備的數(shù)量、促進(jìn)汽車電子化是奪取未來汽車市場的重要的有效手段。汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。車體汽車電子控制裝置，包括發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)（車身電子ECU）。汽車電子最顯著特征是向控制系統(tǒng)化推進(jìn)，用傳感器、微處理器MPU、執(zhí)行器、數(shù)十甚至上百個電子元器件及其零部件組成的電控系統(tǒng)，正獲得極其廣泛的市場。作為全球最大的汽車電子半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，飛思卡爾一直致力于汽車電子半導(dǎo)體器件的開發(fā)與推廣。飛思卡爾在不同的半導(dǎo)體器件市場擁有領(lǐng)先的地位。其中8位和32位微控制器市場占有率第一，傳感器市場占第三位，其豐富的半導(dǎo)體器件可用于所有汽車電子控制單元中。9S12微控制器是基于16位HCS12CPU及0.25微米、高速、高性能5.0VFLASH存儲器技術(shù)的中檔芯片，其較高的性能價格比使其非常適合應(yīng)用于中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。1.2競賽背景“飛思卡爾杯”全國大學(xué)生智能汽車競賽是由教育部批準(zhǔn)并委托自動化分教指委主辦，飛思卡爾公司協(xié)辦，面向全國大學(xué)生的重要賽事。它是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。根據(jù)比賽章程，全第三屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告2國大學(xué)生智能汽車競賽是在統(tǒng)一汽車模型平臺上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、設(shè)計電機(jī)驅(qū)動電路、編寫相應(yīng)軟件以及裝配模型車，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車。改裝后的模型汽車按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時間最短者為優(yōu)勝。競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運(yùn)用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能,倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。競賽集科學(xué)性、趣味性和觀賞性于一體，吸引了大批同學(xué)參與其中，受到了廣泛的歡迎。1.3論文概述本文將以飛思卡爾MC9S12DG128單片機(jī)作為核心控制器，以面陣CMOS傳感器OV7620作為圖像傳感器，獲取跑道圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像的分割和賽道特征的提取，最后通過自適應(yīng)模糊控制器控制模型車轉(zhuǎn)向，使車模能按照比賽規(guī)定的跑道和規(guī)則最快地完成任務(wù)。智能車系統(tǒng)包括圖像采集硬件、跑道圖像預(yù)處理和跑道特征提取算法、自適應(yīng)模糊控制器、大功率電機(jī)驅(qū)動器和智能車調(diào)試監(jiān)控幾個子系統(tǒng)組成。第2章智能車設(shè)計方案概述車模按照在上兩屆比賽中常見的攝像頭設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)分為圖像采集硬件、圖像處理算法、轉(zhuǎn)向模糊控制器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電機(jī)PID轉(zhuǎn)速控制、車速采集和大功率電機(jī)驅(qū)動七個部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：圖像采集硬件系統(tǒng)圖像處理模糊控制器PID速度控制器光電編碼器驅(qū)動電機(jī)伺服電機(jī)路況轉(zhuǎn)向給定速度給定運(yùn)行速度軟件系統(tǒng)圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1車模硬件系統(tǒng)設(shè)計車模的硬件電路主要由MC9S12DG128核心模塊、圖像采集與緩存模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊和輔助調(diào)試模塊構(gòu)成。其中MC9S12DG128核心模塊以單片機(jī)最小系統(tǒng)板的形式安裝在電路主板上，以便于安裝和更換。S12單片機(jī)負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)接收、處理里、信息提取，最后形成合適的控制信號驅(qū)動伺服電機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動器。圖像采集模塊由面陣CMOS圖像傳感器OV7620、FIFO數(shù)據(jù)緩沖器和與之配合的分頻電路構(gòu)成。鑒于單片MC33886有限的驅(qū)動能力和多片MC33886并聯(lián)導(dǎo)致的電路體積龐大和多個芯片之間難于同步和配合的缺點(diǎn)，我們另行設(shè)計了大功率的直流電機(jī)驅(qū)動器。第三屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告4我們在車模上設(shè)置了多個開關(guān)和指示燈，便于參數(shù)切換，同時預(yù)留了TFT液晶模塊接口和無線收發(fā)模塊的接口，便于車模運(yùn)行信息的紀(jì)錄和算法優(yōu)化。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：MC9S12DG128微控制器OV7620CMOS面陣圖像傳感器FIFO緩沖器邏輯分頻電路電機(jī)驅(qū)動器舵機(jī)TFT顯示器圖2.2智能車硬件結(jié)構(gòu)圖2.2車模軟件系統(tǒng)設(shè)計對于同一組別的車模來說，硬件設(shè)計總體上都大同小異，而車?？刂栖浖脑O(shè)計是決定比賽成績的重中之重。智能車控制軟件主要由圖像采集和與處理、賽道特征提取、轉(zhuǎn)向控制和車速控制程序四部分。車模要在比賽中取得好成績，離不開快速的控制相應(yīng)、良好的行車路線規(guī)劃和準(zhǔn)確的速度控制這三個關(guān)鍵點(diǎn)。要完成上述目標(biāo)，就必須有效地融合智能車的硬件和軟件，進(jìn)行充分的測試、標(biāo)定和實驗，不斷改進(jìn)控制算法。軟件部分將在下文詳細(xì)敘述。2.3車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)定在汽車維修中，汽車的四輪定位和懸掛的設(shè)定對行使性能和駕駛舒適性有著巨大的影響。在賽車比賽中，機(jī)械工程師會根據(jù)每場比賽跑道的特征和第2章智能車設(shè)計方案概述5駕駛員的駕駛習(xí)慣對賽車的輪胎定位和懸掛進(jìn)行針對性的調(diào)整。飛思卡爾杯智能車大賽采用競賽組委會統(tǒng)一提供的1/10的Matiz仿真車模，控制結(jié)構(gòu)采用前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動方案。由于該車模結(jié)構(gòu)比較簡單，車體可調(diào)的參數(shù)很少，故我們只對前輪定位、舵機(jī)安裝和懸掛戶彈簧進(jìn)行更改。同時我們在車模改裝時發(fā)現(xiàn)，車模的塑料質(zhì)量較差，東莞廠家仿造的車模的精度和耐久度比第一屆的原裝進(jìn)口的差了幾個檔次，同一批車模有一部分前輪有的可調(diào)的螺桿塑料部分由于質(zhì)量問題已經(jīng)被廠家用膠水封死。2.3.1前輪懸掛的調(diào)節(jié)該車模前輪可調(diào)的參數(shù)包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前束四個參數(shù)。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好，但過大的主銷后傾角會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。前輪外傾角（Camber）對賽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱“外八字”，如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這個角度約在1左右。所謂前束（Toe-out）是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會減少。最終我們通過減小主銷后傾角，加大主銷內(nèi)傾角，減小前輪外傾角，加大前束，測試后發(fā)現(xiàn)車模轉(zhuǎn)向有了一點(diǎn)提高。但由于車模質(zhì)量和精度比較差，前輪支架有不對稱得現(xiàn)象，且前輪固定精度比較低，松松垮垮的，導(dǎo)致調(diào)整效果有較大的折扣。第三屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告62.3.2舵機(jī)的安裝為了保護(hù)舵機(jī)不在卡舵的時候損壞舵機(jī)齒輪組，原配的舵機(jī)和轉(zhuǎn)向連桿之間的連接器上設(shè)有緩沖裝置。但緩沖裝置有彈性會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向遲鈍，故我們利用覆銅板自行制作了舵機(jī)的力臂，用于舵機(jī)盤和轉(zhuǎn)向連桿之間的連接。同時，由于在一定的工作電壓下舵機(jī)的轉(zhuǎn)動速度是一定的，增長舵機(jī)力臂可提高舵機(jī)的擺動速度；同時，由于舵機(jī)輸出的扭力一定，力臂太長會影響轉(zhuǎn)向的力度，使舵機(jī)“變軟”，我們制作了長度適中的舵機(jī)力臂，并把舵機(jī)安裝在車頭正中的位置，使左右轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ。2.3.3差速器的調(diào)節(jié)比賽使用的模型車設(shè)置有后輪差速機(jī)構(gòu)，其作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動，并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機(jī)。本模型車后輪軸上配備的是簡易的差速器，且比賽規(guī)則規(guī)定不能更換，所以在調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，從而大大影響