1、第一屆“飛思”杯大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技術(shù)參賽選手張振宇 吳耀 范哲 指導(dǎo)教師徐鵬飛 2006 年 8 月關(guān)于技術(shù)和研究使用的說(shuō)明本人完全了解第一屆“飛思”杯大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽關(guān)保留、使用技術(shù)會(huì)和飛思和研究的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開(kāi)參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)以及參賽模型車(chē)的集中。、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在參賽隊(duì)員簽名： 張振宇 參賽隊(duì)員簽名： 吳耀 參賽隊(duì)員簽名： 范哲 帶隊(duì)教師簽名： 徐鵬飛 期：2006 年 8 月日摘 要51 緒論31.11.21.3項(xiàng)目背景及目的3本文研究重點(diǎn)及方法3. 42系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)52.12.2設(shè)

2、計(jì)思路簡(jiǎn)明5尋線(xiàn)傳感器方案設(shè)計(jì)52.2.12.2.2光電傳感器5排布方案選擇及原理說(shuō)明62.3CCD 在系統(tǒng)中的應(yīng)用63系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)83.1總體方案設(shè)計(jì)83.1.13.1.2硬件選型8硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖83.2各功能模塊電路設(shè)計(jì)93.2.13.2.23.2.33.2.4控制單元9供電單元10信號(hào)單元11電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元123.3舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元13系統(tǒng)設(shè)計(jì)144.1系統(tǒng)控制算法結(jié)構(gòu)14系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)154.2. 1544.2.14.2.24.2.34.2.4CCD 傳感器圖像處理15算法15光電傳感器信號(hào)處理及小車(chē)狀態(tài)檢測(cè)校正算法16設(shè)計(jì)流程175總結(jié)195.15.25.35.45.5說(shuō)明19系統(tǒng)

3、實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)介19試驗(yàn)所得參數(shù)20智能汽車(chē)技術(shù)指標(biāo)20目前在的與改進(jìn)方向20附錄 A 智能車(chē)程序（程序部分）21摘要該項(xiàng)目以第一屆“飛思”杯大學(xué)生智能車(chē)為依托，主要目的是以提供智能車(chē)競(jìng)模、單片機(jī) HCS12 開(kāi)發(fā)板、開(kāi)發(fā)Code Warrior識(shí)別路線(xiàn)和調(diào)試工具等材料為基礎(chǔ)，在車(chē)?；A(chǔ)上，制作一個(gè)能夠的智能車(chē)，在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的跑道上進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別道路行駛。以 MC9S12DG128 為控制器，以反射式光電開(kāi)關(guān)管、面陣 CCD 等組合作為循線(xiàn)傳感器使用。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)則采用提供的 H 橋型驅(qū)動(dòng)mc33886，并以編作為小車(chē)速度檢測(cè)傳感器，結(jié)合鎖相環(huán)技術(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)。方面采用循查的方式對(duì)光電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)

4、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)小車(chē)行駛狀態(tài)在一定程度上進(jìn)行，以使得小車(chē)能更好的進(jìn)行循線(xiàn)運(yùn)行。本文主要介紹該平面道路循線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，循線(xiàn)傳感器使用及布局方法及原理，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，智能車(chē)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程。最后本文還對(duì)小組前、后期的工作做了一個(gè)階段性的總結(jié)。第一章 緒論1.1 項(xiàng)目背景及目的“飛思”杯大學(xué)生智能車(chē)邀請(qǐng)賽是在飛思半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS12 單片機(jī)為的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。使用大賽提16 位微控供的競(jìng)模、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、直流電機(jī)和可充電式電池，采用飛思制器 MC9S12DB128B 作為控制單元，構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號(hào)處理、控制算法及執(zhí)行、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等，完成智能車(chē)工程制作

5、及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加場(chǎng)地比賽。比賽成績(jī)主要由現(xiàn)場(chǎng)成功行駛完賽道的時(shí)間為主。在比賽要求控制器必須采用 MC9S12DB128B 作為系統(tǒng)唯一控制處理器。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具及選擇調(diào)試工具可以自選（可選擇使用 CodeWarrior 3.1 作為開(kāi)發(fā)，制作的 BDM 調(diào)試工具進(jìn)行調(diào)試）。車(chē)?？梢愿难b，但改裝部位，及改裝后其長(zhǎng)寬尺寸都有限制。這就要求在有限材料和有限時(shí)間的條件下學(xué)習(xí)掌握 S12 單片機(jī)的整套開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的使用方法，并能根據(jù)自身所學(xué)的有關(guān)力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)模電和檢測(cè)技術(shù)等知識(shí)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套完整的自助循線(xiàn)行駛系統(tǒng)。這是對(duì)的將所學(xué)各學(xué)科知識(shí)綜合運(yùn)用和動(dòng)手實(shí)踐能力的很好的培養(yǎng)。對(duì) 是一次

6、很好的機(jī)會(huì)。這樣在大學(xué)四年里很少有機(jī)會(huì)參加科技實(shí)踐的學(xué)生來(lái)說(shuō)在國(guó)外，相關(guān)賽事在韓國(guó)從 2000 年開(kāi)始已經(jīng)舉辦了近六屆，每年韓國(guó)大約有 100 余支大學(xué)生隊(duì)伍報(bào)名并參賽，該項(xiàng)賽事在韓國(guó)取得了很好的成功。深受高校及大學(xué)生的歡迎，并得到了企業(yè)界的極大關(guān)注。參考韓國(guó)相關(guān)比賽中成功的案例，以及的介紹，看到他們的方案五花八門(mén)，各有亮點(diǎn)，都有值得學(xué)習(xí)的地方。在關(guān)于路徑識(shí)別上，大都選用光電傳感器作為自己的方案，但傳感器在檢測(cè)及處理信號(hào)方面和對(duì)其排布方面都有所不同。他們?cè)趥鞲衅鞯臄?shù)量、排布方面，通常是將地面信息用數(shù)字量或是模擬量來(lái)完成，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有些想法是比較新穎的，這些問(wèn)題都值得 借鑒和進(jìn)一步

7、研究。同時(shí)在韓國(guó)的方案里面，也有些是采用 CCD，或者是將 CCD 和光電傳感器結(jié)合使用來(lái)完成車(chē)模循跡的，在這些方案里面也有很多成功的案例。其他方面如車(chē)模的改裝、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向控制，以及控制算法方面等，韓國(guó)選手的方案也都有各自的創(chuàng)新，和值得學(xué)習(xí)和進(jìn)一步研究的地方。1.2 本文研究重點(diǎn)及方法從以上簡(jiǎn)要的介紹中可以了解到，該智能車(chē)競(jìng)賽項(xiàng)目在國(guó)外已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?，不同方案在?chē)模改進(jìn)和計(jì)算機(jī)控制等關(guān)鍵模塊和很多細(xì)節(jié)上都有創(chuàng)新點(diǎn)存在。為了能夠?qū)崿F(xiàn)的參賽目的，爭(zhēng)取好成績(jī)，也在參考其他方案的同就傳感器選型，布局，時(shí)，提出自己的創(chuàng)新想法。如在該項(xiàng)目的制作中，信號(hào)檢測(cè)方案，速度閉環(huán)控制方案等作為重點(diǎn)工作方向，同時(shí)

8、兼顧小車(chē)機(jī)械拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電源合理使用等方面來(lái)開(kāi)展工作。 在一定速度要求下滿(mǎn)足基本功能之后，來(lái)解決系統(tǒng)的可靠性和整體性能的優(yōu)化，以使得小車(chē)循線(xiàn)行駛速度達(dá)到最優(yōu)。1.3本共分為五章，以及附錄部分：第一章是緒論部分，簡(jiǎn)單介紹項(xiàng)目的背景和意義；第二章是系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，包括了傳感器的選型以及布局，機(jī)械部分的安裝等；第三章介紹了小車(chē)中硬件電路的設(shè)計(jì)；第四章介紹了系統(tǒng)主要第五章為系統(tǒng)測(cè)試和總結(jié)。設(shè)計(jì)；附錄部分給出了代碼。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)明作為一個(gè)完整的機(jī)電控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上需要考慮如系統(tǒng)機(jī)械性能，電氣性能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)，甚至還需考慮外型設(shè)計(jì)、安裝等諸多方面的設(shè)計(jì)問(wèn)題。要讓它

9、能夠很好的運(yùn)行并達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，首先就應(yīng)該盡快將其模型用最簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)建立起來(lái)，在不斷發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，提出新目標(biāo)的同時(shí)，再進(jìn)一步逐漸對(duì)在功能上、速度上，以及可靠性方面進(jìn)行擴(kuò)展和完善。所以最初的目標(biāo)是在熟悉 S12 這款單片機(jī)的同時(shí)用最簡(jiǎn)化段將循線(xiàn)小車(chē)的功能實(shí)現(xiàn)。因此前期的工作主要是在于將光電開(kāi)關(guān)管作為循線(xiàn)傳感檢測(cè)，用速度開(kāi)環(huán)控制方式完成小車(chē)的制作。中期進(jìn)行一些理論性的工作，確立光電傳感器的循線(xiàn)算法，學(xué)習(xí)使用稍復(fù)雜的控制來(lái)完善對(duì)小車(chē)的控制，期間對(duì)車(chē)模的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。后期便是將前期的版本進(jìn)行升級(jí)，同時(shí)把中期的理論工作付諸實(shí)踐，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上完善傳感器布置和整個(gè)小車(chē)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以期保證得到信號(hào)和機(jī)

10、械性能的優(yōu)化，提高系統(tǒng)可靠性；并嘗試使用不同的檢測(cè)對(duì)道路信息進(jìn)行檢測(cè)。如為保證對(duì)道路的提前校正，采用了面陣 CCD；在速度檢測(cè)方面加上了的碼盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了速度閉環(huán)，盡量使小車(chē)的運(yùn)行速度達(dá)到最優(yōu)，小車(chē)的可靠性也能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。2.2 循線(xiàn)傳感器方案設(shè)計(jì)2.2.1 光電傳感器光電傳感器由發(fā)光二級(jí)管和接收二極管組成，可以選擇將接收二極管接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）或模擬量的方式進(jìn)行信號(hào)。采用數(shù)字量進(jìn)行時(shí)，其電路相對(duì)簡(jiǎn)單，并且占用控制器 CPU 的資源少，對(duì)到的開(kāi)關(guān)信號(hào)處理起來(lái)也相對(duì)容易，處理速度也較快。采用模擬方案，在處理時(shí)需要將采集到的模擬信號(hào)通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，電路相對(duì)復(fù)雜，處理起來(lái)

11、速度較數(shù)字方案慢，但其精度較高，且對(duì)路面信息提取較前者準(zhǔn)確?？偟膩?lái)說(shuō)，兩種方式是各有優(yōu)點(diǎn)的。通過(guò)對(duì)上述二者進(jìn)行分析之后決定采用將接收二極管接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）方案，即傳感器陣列采用反射式集成光電開(kāi)關(guān)管。其原理為紅外發(fā)光二極管上電后發(fā)出紅外光，當(dāng)外界將光反射回來(lái)，被光敏二極管接收到時(shí)，光電開(kāi)關(guān)管發(fā)出低電平信號(hào)；當(dāng)光線(xiàn)被外界吸收后（在此即指?jìng)鞲衅飨聣鹤〉穆访鏋楹诰€(xiàn)），光敏元件沒(méi)有接收到光信號(hào)，此時(shí)傳感器發(fā)出信號(hào)為高電平。由此即可識(shí)別道的黑色引導(dǎo)線(xiàn)。其原理圖圖 2.1 所示。圖 2.12.2.2 傳感器排布方案選擇及原理說(shuō)明傳感器布局方案是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，目前所采用的排布方式及如圖 2

12、.2 所示,。由于道路引導(dǎo)黑線(xiàn)具有一定的寬度（25mm），所以小車(chē)行駛狀態(tài)的檢測(cè)根據(jù) 0 號(hào)與 2 號(hào)傳感器的檢測(cè)信號(hào)決定是否偏離黑線(xiàn)，當(dāng)發(fā)生偏離后其左右兩端的傳感器 3 號(hào)，4 號(hào)若檢測(cè)到偏離信號(hào)，回傳給控制器，控制器便可以根據(jù) 5 個(gè)傳感器當(dāng)前信號(hào)狀態(tài)的組合來(lái)判斷出校正指令，使得小車(chē)始終沿著黑線(xiàn)方向前進(jìn)。目前所處的位置，并發(fā)01234圖 2.2根據(jù)圖 2.2，可以看到，檢測(cè)傳感器的排布為扇形狀態(tài)，這種布局可以獲取的路面信息比較豐富，以便利用有限的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)道路的識(shí)別。2.2.3 CCD 在系統(tǒng)中的應(yīng)用CCD（Charge Coupled Devi）是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的圖像傳感器。

13、根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理，它將圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這樣便實(shí)現(xiàn)了對(duì)非電量進(jìn)行電測(cè)量。CCD 傳感器的工作速度快、測(cè)量精度高，并且具有體積小、重量輕、噪聲低、長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此應(yīng)用非常廣泛，在精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中，發(fā)揮著重要的作用。由于在車(chē)模系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，單獨(dú)采用光電傳感器作為循線(xiàn)信號(hào)檢測(cè)時(shí)，循線(xiàn)的精度偏低，可以識(shí)別的道路信息量也比較少，并且大量使用光電傳感器要占用過(guò)多的CPU 的I/O 端口資源；另一方面，若要對(duì)小車(chē)在行駛過(guò)程時(shí)實(shí)現(xiàn)提前校正，只用光電傳感器無(wú)論是在控制精度上，還是在安裝定位上都。而 CCD圖像傳感器的分辨率遠(yuǎn)高過(guò)前者大約都在 300到的是圖像信息，通

14、過(guò)它還可以得到道路的前方路存在很大的線(xiàn)以上，并且由于 CCD況及曲率等幾何信息?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)到的圖像信號(hào)進(jìn)行處理，得到準(zhǔn)確的路面信息，達(dá)到有效的控制。但它也有著其不可忽視的弱點(diǎn)，即它在圖像處理時(shí)要占用大量的RAM 資源，另外 CCD 在信號(hào)檢測(cè)時(shí)速率有限，并且檢測(cè)有延時(shí)，這對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制上，在只用一片微控制器的情況下，既要對(duì)小車(chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，又要對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理并實(shí)時(shí)的得到校驗(yàn)信息的情況下存在資源協(xié)調(diào)問(wèn)題。但 在查閱相關(guān)資料，分析之后認(rèn)為只要合理地利用 CPU 資源，在保證速度前提下采取使用CCD 的方案，還是可行的。在信號(hào)率的主要和處理方面，關(guān)于速率問(wèn)題，看到在系統(tǒng)中影響速是CCD 的掃

15、描速度，以及 AD 轉(zhuǎn)換的時(shí)間，而所需要的信息的精度主要是水平精度。所使用的 CCD 傳感器每秒輸出 50 幀，每幀輸出320 行，而 S12 的 AD 最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為 7 微秒，即傳感器的垂度高而水平精度低，不符合使用要求。但將其順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 90 度以后就能夠得到達(dá)到較高的水平精度，這樣就符合了使用要求。另外利用片內(nèi)鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行適當(dāng)超頻后，在損失一定的精度的前提下，將 AD的速度提高到了.5 微秒。在方面，還存在的關(guān)鍵問(wèn)題是圖像信息的同步分離，采用LM1881N 同步信號(hào)分離器，得到了行場(chǎng)信號(hào)，從而有效的控制 AD 工作在數(shù)據(jù)處理方面，首先對(duì)所的數(shù)據(jù)作了一個(gè)簡(jiǎn)單的閾值處理，

16、然后運(yùn)用數(shù)據(jù)擬合法，得到路線(xiàn)的斜率，走勢(shì)等信息以此控制小車(chē)的轉(zhuǎn)角和速度第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 總體方案設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)車(chē)模所要完成的功能分析，的硬件電路設(shè)計(jì)要求是：1、模塊化，這樣做一方面是為了便于安裝和拆卸，對(duì)于一個(gè)微小型的基本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)電路的尺寸和安裝位置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的整體性能是有一定影響的。另一個(gè)最主要的原因是，利用模塊化設(shè)計(jì)，將各功能模塊的電路獨(dú)立制版，有利于和驗(yàn)證。對(duì)所多種方案的進(jìn)行組合2、簡(jiǎn)單化，這里的意思是指盡量使用現(xiàn)成的功能元器件模塊和設(shè)計(jì)方案，以便簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，使得時(shí)間的投入到算法設(shè)計(jì)及軟件編制中。同時(shí)這也是為了使系統(tǒng)可靠其間。但是一些重要的環(huán)節(jié)還是不能省的。3、外

17、形、尺寸同小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)化。4、由于比賽要求給整個(gè)智能車(chē)供電的電源只有一塊 2000mA/h 的 7.2V 的可充電池，電源有限，故設(shè)計(jì)要考慮到將電路的功耗控制到一個(gè)較低水平。的硬件設(shè)計(jì)都是圍繞以上設(shè)計(jì)進(jìn)行的。3.1.1 硬件選型MCU 選型：智能車(chē)所使用的微控制器為大賽提供的 16 位單片機(jī) MC9S12DB128B，其最小系統(tǒng)板同時(shí)由不再贅述。供給所有參賽隊(duì) 。所以在此循線(xiàn)傳感器選型：在第二章有所敘述,選擇光電開(kāi)關(guān)管和面陣 CCD3.1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)，其相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1 所示。電路設(shè)計(jì)主要包括以下各部分：電源系統(tǒng)、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元等 3 方面的內(nèi)容。其

18、中外接電源為大賽 提供的 7.2V 可充電電池，電源電路為防止短路等故障發(fā)生，須在設(shè)計(jì)中考慮短路過(guò)流保護(hù)?？刂茊卧饕?S12 單片機(jī)以及相應(yīng)的邏輯電路，其中對(duì)小車(chē)所進(jìn)行的所有控制均通過(guò)以該單片機(jī)為的控制電路進(jìn)行。另外設(shè)計(jì)了一個(gè)編用于反饋速度信號(hào)，形成速度閉環(huán)控制。電源電壓系統(tǒng) 5V光電開(kāi)關(guān) 5VCCD 12V光電碼盤(pán) 5V舵機(jī) 5V電機(jī)圖 3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖3.2 各功能模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1 控制單元控制單元是以S12 單片機(jī)為，其電路連接在此處不在敘述。而反饋回的，碼盤(pán)光柵為 36 線(xiàn)，將其固定在小車(chē)后軸路中的數(shù)字光電編是上能有效的檢測(cè)小車(chē)行駛速度。其檢測(cè)電路如圖 3.2 所

19、示,圖 3.3 為盤(pán).的光電碼圖 3.2 光電對(duì)管檢測(cè)電路供電電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器舵機(jī)信號(hào)控制光電編碼盤(pán)MCUMC9SDG 128BCCDAD轉(zhuǎn)同步光電傳感器圖 3.3光電碼盤(pán)作為光電對(duì)管，其信號(hào)檢測(cè)原理與前述光電開(kāi)關(guān)管相同。發(fā)射管陰極下拉電阻為 270、接收管的上拉電阻為 510K。由于接收管輸出信號(hào)容易受到環(huán)境觸發(fā)器的非門(mén)電路 74LS14 對(duì)光電對(duì)管輸出光線(xiàn)干擾，故使用帶有信號(hào)進(jìn)行整形處理，使得經(jīng)過(guò)非門(mén)電路的信號(hào)反相延時(shí)后符合單片機(jī)接口對(duì)信號(hào)的輸入要求，以保證單片機(jī)接口能準(zhǔn)確到信號(hào)。當(dāng)小車(chē)電機(jī)帶動(dòng)車(chē)軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí)，固定在車(chē)軸上的碼盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)射管發(fā)出的紅外光透過(guò)光柵鏤空的透光縫，接收管接

20、收到光信號(hào)后整形輸出高電平，再經(jīng) 7414 反相延時(shí)后輸出穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。碼盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈輸出 36 個(gè)脈沖信號(hào)。單片機(jī)對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行處理后就能夠得到小車(chē)當(dāng)前行駛速度。3.2.2 供電單元系統(tǒng)供電部分包括對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)供電，對(duì)舵機(jī)、電機(jī)供電、以及對(duì)傳感器檢測(cè)電路供電等部分。對(duì)于數(shù)字電路而言,其工作電壓為 5 伏.采取用兩片7805 對(duì)蓄電池輸出電壓 7.2V 進(jìn)行降壓,得到穩(wěn)定的兩組 5V 電壓，一組用于對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)及光電傳感器進(jìn)行供電，另一組單獨(dú)對(duì)舵機(jī)供電。對(duì)于 CCD 來(lái)說(shuō)，它的電壓工作電壓為 12V，路。其典型應(yīng)用如圖 3.3 所示：采取斬波升壓電圖 3.3斬波升壓電路通過(guò)計(jì)算，有 Vou

21、t=Vin*1/(1-a);其中 a 為占空比，可以知道若 Vin=5V,那么 a=0.58，輸出電壓為 12V這里的FET 選用的是IRFR2807。3.2.3 信號(hào)單元在對(duì)賽道路面信息的檢測(cè)方面，主要敘述 CCD 的應(yīng)用，在 CCD 的應(yīng)用硬件方面需要考慮這幾方面：驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、同步分離、AD 轉(zhuǎn)換、和 CCD供電部分。CCD 的供電部分在上面已有敘述。由于所選用的這款 CCD 傳感器自帶有處理電路，故不再需考慮外部驅(qū)動(dòng)電路。 同步分離及 AD 轉(zhuǎn)換原理如圖 3.4：圖 3.4 同步分離電路3.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)采用freescare 公司的半橋式驅(qū)動(dòng)M

22、C33886。典型應(yīng)用電路見(jiàn)圖 3.5。該集成了邏輯控制電路，升壓電荷泵，門(mén)極驅(qū)動(dòng)等。正常工作時(shí)其工作電壓范圍為 5-40V，導(dǎo)通電阻 120，輸入信號(hào)為T(mén)TL 或CMOS 信號(hào)。其連續(xù)感性負(fù)載電流可達(dá) 5A，輸出的脈寬調(diào)制波頻率最高可高達(dá) 10kHZ。還具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等。在使用過(guò)程中，為增加其驅(qū)動(dòng)能力，把半橋并聯(lián)?？紤]到在電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，熱片。發(fā)熱量較大在PCB 板的上下兩面都貼了散章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4.1 系統(tǒng)控制算法結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是基于光電傳感器和 CCD 結(jié)合的信號(hào)檢測(cè)方案。光電傳感器操作簡(jiǎn)單，控制周期短，但其賽道分辨率低，識(shí)別到的道路信息量比較少，前瞻性差，且易受環(huán)境光線(xiàn)干

23、擾；而 CCD 則不存在這些問(wèn)題，然而，CCD 卻有著在檢測(cè)和處理時(shí)速度相對(duì)較低的缺點(diǎn)在設(shè)計(jì)中綜合了兩者的特點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)在這兩方面達(dá)到一定的互補(bǔ)效果。程序算法結(jié)構(gòu)包括圖像、圖像處理、光電開(kāi)關(guān)識(shí)別，辨識(shí)并提取信息、控制等模塊。實(shí)際的應(yīng)用中是以 CCD 為主，以光電管為輔的方法通過(guò)光電管來(lái)校正 CCD 的信號(hào)檢測(cè)。其流程圖如下所示：是是否為錯(cuò)誤狀態(tài)否是是否為特殊曲線(xiàn)否圖 4.1總體流程圖一般算法特殊曲線(xiàn)算法光電管檢測(cè)數(shù)據(jù)擬合CCD 圖像檢測(cè)四4.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)4.2.1 CCD 傳感器圖像處理圖像處理的算法是采用動(dòng)態(tài)閾值比較并對(duì)信號(hào)進(jìn)行二值化處理，得到每行中心線(xiàn)的水平信息，然后通過(guò)擬合參數(shù)

24、得到中心線(xiàn)在圖像坐標(biāo)系中的位置、方向及曲率等信息。采用的方法主要有三個(gè)：1、直線(xiàn)的擬合2、圓周的擬合3、“S”曲線(xiàn)的擬合其中，直線(xiàn)的擬合為基礎(chǔ)，方法如下：按照普通方法設(shè)直線(xiàn)方程為說(shuō)明：此狀態(tài)圖與前面提到的光電傳感器的安裝直接相關(guān)4.2.4設(shè)計(jì)流程主程序流程圖：43210NO狀態(tài)與功能000000若轉(zhuǎn)向，保持狀態(tài)；直線(xiàn)則停止000011右偏，中速小角度校正000102直線(xiàn)，高速直線(xiàn)行駛000113微向右偏，中高速001004，右移，中速小角度校正001015 001106微向，中高速001117 010008右偏，低速大角度010019右移或不移動(dòng)，中速0101010右移，中速中角度010111

25、1同上0110012右移，大角度低中速0110113 0111014右移，大角度低中速0111115 1000016右移，大角度低速10001大角度低中速中角度中速01119，中角度中速1010020或不移，中速1010121 1011022或不移，中速1011123 1100024 1100125，大角度低速1101026 1101127 1110028右移，大角度低速1110129 1111030 1111131 各功能子程序：子程序模塊包括算法子程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序，舵機(jī)控制子程序，圖像子程序。其中有的已在相關(guān)功能介紹過(guò)程中作了說(shuō)明,現(xiàn)限于篇幅,不在此一一介紹了.執(zhí)行動(dòng)作辨識(shí)分析進(jìn)行相應(yīng)

26、代碼處理處理并提取參數(shù)任務(wù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)初始化第五章 總結(jié)5.1 說(shuō)明及控制,檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及硬件,前面各章節(jié)主要介紹了設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中.發(fā)現(xiàn)傳感器的排布，定位等都與實(shí)際控制精度有著密切關(guān)系。并且在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中,還發(fā)現(xiàn)有一些問(wèn)題在方案設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分考慮到，比如小車(chē)的重心位置對(duì)超調(diào)的影響等。在使用光電管時(shí)，由于光電管之間的道路信息實(shí)際上是用到的光電管輸出信號(hào)是數(shù)字量信號(hào)，相鄰兩的盲區(qū)，光電管陣列之間的間隔會(huì)影響到信號(hào)分辨率。同時(shí)在循線(xiàn)時(shí)若要對(duì)前方道路信息進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以提前檢驗(yàn)，傳感器陣列的排布形狀也會(huì)對(duì)算法產(chǎn)生一定影響。在試驗(yàn)中調(diào)整光電陣列過(guò)程優(yōu)化，提高精度,使算法的排布的目的主要在于盡

27、量將道路信息更為準(zhǔn)確。而CCD 的安裝定位也很重要，鏡頭的高度和安裝角度主要影響圖像視野。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小車(chē)機(jī)械響應(yīng)慢時(shí)，圖像視野應(yīng)該偏遠(yuǎn)，當(dāng)小車(chē)機(jī)械響應(yīng)快時(shí)，圖像視野則應(yīng)稍近一些。此時(shí)視野對(duì)算法的設(shè)計(jì)有著較大的影響。因此的試驗(yàn)就是基于上述問(wèn)題開(kāi)展的。另外，在設(shè)計(jì)中使用了軟件閉環(huán)，電機(jī)控制算法采用校正算法，于是在調(diào)節(jié)傳感器定位參數(shù)前，我們先將參數(shù)進(jìn)行了調(diào)節(jié)。5.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)介試驗(yàn)步奏：a)b)首先調(diào)節(jié)參數(shù)，使得小車(chē)在實(shí)際行駛時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。單獨(dú)使用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行循線(xiàn)時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)大賽提供的比賽賽道參數(shù)信息，以及調(diào)整光電管陣列之間的間隔，并對(duì)所調(diào)整后小車(chē)的尺寸信息，適當(dāng)在試驗(yàn)

28、前光電傳感器的扇形排布進(jìn)行驗(yàn)證，并不斷對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化,使傳感器的布局日趨合理。在試驗(yàn)的同時(shí)，逐步完善系統(tǒng)狀態(tài)表，使小車(chē)行駛狀態(tài)得到及時(shí)的校正。調(diào)整 CCD 的安裝角度,觀察 CCD 的賽道檢測(cè)視野，已達(dá)到最合理狀態(tài).以便選擇合適的算法進(jìn)行處理。將兩種方案結(jié)合起來(lái)，并以 CCD 為主，進(jìn)一步試驗(yàn)并改進(jìn)算法。使算法達(dá)到優(yōu)化。c)d)e)最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的綜合特性，即電路、機(jī)械兩方面進(jìn)試，對(duì)硬線(xiàn)電路的功耗，慣量等進(jìn)量，以便細(xì)化、改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。5.3 試驗(yàn)所得參數(shù)1、光電開(kāi)關(guān)陣列兩兩之間水平間距大概在 2mm 左右，整體呈扇形狀，最外兩邊角度大約是 120 度。2、光電開(kāi)關(guān)及 CCD 結(jié)合起來(lái)

29、循線(xiàn)，采樣頻率大概為 20 毫秒。光電開(kāi)關(guān)距離地面最遠(yuǎn)距離大約為 1517mm；CCD 采樣精度為單片機(jī) AD 采樣精度，即 10 位。5.4 智能汽車(chē)技術(shù)指標(biāo)目前的智能在學(xué)校制作的賽道（參考韓國(guó)的比賽賽道制作）上可以跑出比較好的成績(jī)，其運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，系統(tǒng)整體性能可靠。但仍需進(jìn)一步測(cè)試以提高成績(jī)。1、車(chē)模改裝后，并安裝電路板后，其長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為：長(zhǎng)度：400mm寬度：180mm高度：150mm重量：495 克2、總電容：1800f3、傳感器種類(lèi)及個(gè)數(shù)：反射式光電開(kāi)關(guān)管：5 對(duì)面陣 CCD：4、系統(tǒng)功耗:14W1 個(gè)5.5 目前在的與改進(jìn)方向通過(guò)前期工作,感到無(wú)論在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),還是在算法

30、方面還有很大的改進(jìn)余地，例如,硬件電增加無(wú)線(xiàn)通訊模塊,可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)的修改,加快實(shí)驗(yàn)周期光電管是否可以采用數(shù)模結(jié)合方式對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行,以提精度等?？傊?通過(guò)本次大賽的車(chē)模制作,系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試.使得我高信號(hào)們?cè)诠こ逃?xùn)練能力上得到了極大的鍛煉與提高,對(duì)于完成的學(xué)業(yè)幫助很大.給提供的這次鍛煉機(jī)會(huì).感謝飛思公司和大賽參考文獻(xiàn)韓國(guó)智能模型車(chē)技術(shù)方案分析基于面陣 CCD 的賽道參數(shù)檢測(cè)方法12345金華民王琎.單片機(jī)電子產(chǎn)品世界電子產(chǎn)品世界2006 3 月2006 3 月，2004.應(yīng)用的開(kāi)發(fā)方法M.：FREESCALE 公司.MC9S12DG128B 單片機(jī)DATASHEETZ，2005.大學(xué)生

31、智能車(chē)大賽.大學(xué)生智能車(chē)大賽章程Z.,2006-6-10.附錄 A 智能車(chē)程序（程序部分）1、算法子程序voidInit (void)ss.vi_Ref = 0 ;.vi_FeedBack = 0 ;/速度設(shè)定值/速度反饋值ss.vi_PreError = 0 ;.vi_PreDerror = 0 ;/前一次，速度誤差,vi_Ref - vi_FeedBack/前一次，速度誤差之差，d_error-PreDerror;s ss.v_Ka = VV_KAVALUE;.v_Kb = VV_KBVALUE;.v_Kc = VV_KCVALUE;s.vl_PreU = 0 ;/電機(jī)控制輸出值/*簡(jiǎn)單算

32、法*/signedv_Calc(*pp )signederror,d_error,dd_error;/為什么定義有符號(hào)數(shù)error = (pp-vi_Ref - pp-vi_FeedBack);/ 偏差計(jì)算d_error = error - pp-vi_PreError;dd_error = d_error - pp-vi_PreDerror;pp-vi_PreError = error;/當(dāng)前偏差pp-vi_PreDerror = d_error;if( ( error 0) ); /設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)else/速度計(jì)算pp-vl_PreU += ()(d_error6) +()( error5)

33、 + ()(dd_errorvl_PreU = VV_MAX )pp-vl_PreU = VV_MAX;/速度，防止調(diào)節(jié)最高溢出else if( pp-vl_PreU vl_PreU = 0;return ( (pp-vl_PreU) 8);，防止調(diào)節(jié)最低溢出/碼盤(pán)，使用的是 RTI 實(shí)時(shí)中斷，周期為 51.2ms。#if REALTIME_EN#pragma CODE_SEG DEFAULT void RealTimeInit(void) RTICTL = 0 x1F;/ RTR6-0:CRG= 0 x80;ICPAR_PA3EN = 1;/start pa3 1:SCMIE/ bit7:R

34、TIE, 4:LOCKIE,/#pragma CODE_SEG NEAR_SEG NON_Berrupt void RTI_ISR(void) EDsicunsigned char flag=0;unsignedspeed;unsigned char temp; flag+; if(flag=50)/time 51.2msflag=0 ;3;speed=temp; SendChar0(temp);3=0;s.vi_FeedBack =speed;speed= v_Calc(&s);Motor_speed_set(speed);/g_nRealTimeCount +;/* clear RTIF

35、bit */CRG= 0 x80;2、 CCD圖像子程序：/=/ADC MODULEvoid ADCInit(void) /VIF_STOP_SLE;g_ucg_ucImageLine = 0 x0;ImagePo= 0 x0;g_ucOddEvenSus = ODD_EVEN_SVIF_RFF = 0 x0;US;/ATD0S ATD0SATD0S0_SCF = 1;0_ETORF= 1;/ Clear the Sequence complete flag/ External Trigger Overrun FLag/ Clear the FIFO Over run flag0_FIFOR=

36、 1;ATD0CTL2_U = 1;/ 1 : Normal ATD functionATD0CTL2_AFFC= 1;#if ADC_ENATD0CTL2_ASCIE#elseATD0CTL2_ASCIE= 1;/ Enable ADCerrupt= 0;/ Disable ADCerrupt#endif / ADC_ENATD0CTL2_ETRIGEATD0CTL2_AWAI= 0;= 1;/ Disable External trigger/ Continue run at wait modeATD0CTL3_S8C ATD0CTL3_S4C ATD0CTL3_S2C ATD0CTL3_

37、S1C ATD0CTL3_FIFOATD0CTL3_FRZ0= 0;= 0;= 0;= 1;/ 0 - 8 : 8,1,2,3.,8/ Result in corresponding buffer= 0;= 0;ATD0CTL3_FRZ1 = 0;/ Continue converwhile debugATD0CTL4_SRES8resolution= 0;/ 1 : 8 bit resolution, 0 : 10bitATD0CTL4_SMP 2,4,8,16ATD0CTL4_PRS/ 2= 1;/ Sle 2nd phase of sle= 0;/ ATDClock = BusClock

38、 / (PRS + 1)/UM ATD Clock = 2MHz,MIN ATCLCOK = 500KHz ATD0CTL5_DJMtimeATD0CTL5_DSGN ATD0CTL5_SCAN ATD0CTL5_MULT ATD0CTL5_Cx= 1;/ 1 : Right justified data, 0 : Left just= 0;= 0;= 0;= 0;/ 0 : Unsigned data, 1 : Signed data/ 0 : Signle conversequence;/ 0 : Sle only one channel/ 0-7 : Sle channelATD0DIE

39、N= 0 x0;/ Disable the ATD Digital input/;/unsignedAle(unsigned char ucChannel) unsignedloop;ATD0CTL5_Cx = ucChannel;for(loop = 0; loop = 0 x0;_LINE_NUMBER +_LINE_OUT) g_ucImagePoATD0CTL2_ASCIE = 0; else ATDCTL5_Cx =/_CHANNEL;/ Start convert/_errupt void IRQ_ISR(void) unsignednData;unsigned char i;/i

40、f(VIF != VIF_STOP)/if(g_ucOddEvenSus != ODD_EVEN_Sg_ucOddEvenSus = ODD_EVEN_S VIF = VIF_WAITSTART;US) US;g_ucImageLine = g_ucImagePo= 0 x0;g_ucLineCount = 0 x0;if(ODD_EVEN_S LED2_ON;else LED2_OFF;VIF_RFF = 0 x02;US)/if(VIF = VIF_WAITSTART) g_ucLineCount +; if(g_ucLineCount =g_ucLineCount = 0 x0;_STA

41、RT_LINE) VIF = VIF_SLELINE;g_ucImageLine = 0 x0;else if(VIF = VIF_SLELINE) g_ucLineCount +; if(g_ucLineCount & 0 x7) = 0 x7)if(g_ucImageLine =_FRAME_NUMBER)VIF_RFF = 0 x1;VIF = VIF_FINISH;elseg_ucImagePo= 0 x0;nData = ATD0DR0; /*(ATDDR_ARR);/ Clear the SCF;ATD0CTL5_Cx =ATD0CTL2_ASCIE = 1;_CHANNEL; / Start convertelse if(g_ucLineCount & 0 x7) = 0 x4)if(g_uc g_ucLineCount 7)ImageLine_FRAME_NUMBER&for(i = 0; i 2;if(nData = 0 xff) nData = 0 xff;g_ucImageg_ucImageLinei = (unsigned char)nData;/圖像的簡(jiǎn)單處理和g_ucImageLine +;if(g_ucImageLine =_FRAME_NUMBER)VIF_RFF = 0 x1;