1.項(xiàng)目背景與目標(biāo)1.1競(jìng)賽背景全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽作為工程實(shí)踐類標(biāo)桿賽事，聚焦自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器視覺等多學(xué)科融合，要求參賽隊(duì)伍自主設(shè)計(jì)智能車，在特定賽道完成循跡、速度優(yōu)化等任務(wù)。賽事通過“理論-設(shè)計(jì)-調(diào)試-競(jìng)賽”全流程，錘煉學(xué)生工程思維與實(shí)踐能力，推動(dòng)智能駕駛技術(shù)的校園級(jí)探索。1.2參賽目標(biāo)本團(tuán)隊(duì)以“視覺-電磁融合型智能車”為參賽方向，核心目標(biāo)為：硬件層面：基于TITMS320F____DSP搭建“感知-決策-執(zhí)行”系統(tǒng)，融合OV7725攝像頭（視覺）與電磁傳感器（輔助）；算法層面：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)賽道識(shí)別、自適應(yīng)PID控制、能量?jī)?yōu)化策略，使車輛在“彎道-坡道-十字交叉”復(fù)合賽道中穩(wěn)定運(yùn)行；工程層面：驗(yàn)證多傳感器融合的魯棒性，探索嵌入式系統(tǒng)“輕量化-高性能”設(shè)計(jì)路徑。2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)智能車采用“三層架構(gòu)+模塊化設(shè)計(jì)”：感知層：攝像頭采集賽道圖像，電磁傳感器（3路電感）檢測(cè)賽道中心線，編碼器反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速；決策層：DSP解析傳感器數(shù)據(jù)，通過“賽道識(shí)別-路徑規(guī)劃-控制決策”生成指令；執(zhí)行層：舵機(jī)（MG996R）執(zhí)行轉(zhuǎn)向，無刷電機(jī)（MaxonRE25）驅(qū)動(dòng)車輛，電源模塊（2S鋰電池+LM2596）保障供電。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1（文字描述：感知層→決策層→執(zhí)行層，數(shù)據(jù)與控制流雙向交互）。3.硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1核心控制器選用TITMS320F____DSP，其150MHz主頻、12位ADC（8路同步采樣）、ePWM模塊（6路獨(dú)立輸出），滿足“圖像采集-算法運(yùn)算-控制輸出”的實(shí)時(shí)性需求。3.2傳感器模塊3.2.1視覺傳感器（OV7725）硬件：DVP接口直連DSP，分辨率320×240（降低運(yùn)算量），幀率30fps；鏡頭焦距8mm，安裝高度15cm、傾角30°，覆蓋1.5m前方賽道；電源：3.3V穩(wěn)壓（AMS____.3）+0.1μF/10μF濾波，消除電源噪聲。3.2.2電磁傳感器（電感陣列）電路：3路電感（L=1mH）+運(yùn)放（LMV324）組成差分放大電路，輸出信號(hào)經(jīng)RC濾波（R=1kΩ,C=0.1μF）后輸入ADC；布局：電感間距5cm，安裝于車底距賽道2cm，提高信號(hào)信噪比。3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)3.3.1舵機(jī)控制數(shù)字舵機(jī)（MG996R）通過ePWM輸出50HzPWM（占空比10%~20%）控制轉(zhuǎn)向；機(jī)械結(jié)構(gòu)：球鉸連桿連接舵機(jī)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)向死區(qū)（響應(yīng)時(shí)間<50ms）。3.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)（MaxonRE25）+IR2130半橋驅(qū)動(dòng)+6路IRF3205MOS管，組成三相全橋；電流反饋：0.1Ω采樣電阻+INA219差分運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)（閾值2A）。3.4電源管理主電源：2S鋰電池（7.4V），經(jīng)LM2596輸出5V（DSP/攝像頭）、3.3V（傳感器）；抗干擾：星型拓?fù)涔╇姡P(guān)鍵電路（ADC參考）采用LP2985低噪聲LDO，紋波<50mV。4.軟件算法設(shè)計(jì)4.1架構(gòu)與流程采用前后臺(tái)架構(gòu)：前臺(tái)主循環(huán)處理“圖像采集-賽道識(shí)別-控制決策”，后臺(tái)中斷（1ms）處理“編碼器計(jì)數(shù)-PWM更新-故障檢測(cè)”。4.2圖像處理（視覺組核心）4.2.1預(yù)處理灰度化：`Gray=0.299R+0.587G+0.114B`，減少運(yùn)算量；二值化：Otsu自適應(yīng)閾值，適應(yīng)逆光/陰影（閾值范圍50~150）；濾波：3×3中值濾波，消除賽道毛刺噪聲。4.2.2賽道識(shí)別邊緣提?。篠obel算子（水平梯度）提取賽道上下邊緣，得到點(diǎn)集`(x,y)`；中線擬合：直道用最小二乘直線擬合（`y=kx+b`），彎道用二次多項(xiàng)式擬合（`y=ax2+bx+c`）；特征識(shí)別：通過邊緣點(diǎn)連續(xù)性，識(shí)別十字交叉線（邊緣點(diǎn)數(shù)量突變）、坡道（灰度梯度變化）。4.3控制算法4.3.1舵機(jī)轉(zhuǎn)向（串級(jí)PID）外環(huán)（位置環(huán)）：目標(biāo)角度（由賽道曲率`k`計(jì)算：`θ=k×L`，`L`為前瞻距離）與實(shí)際角度（電位器反饋）誤差，輸出角速度指令；內(nèi)環(huán)（速度環(huán)）：角速度指令與編碼器反饋誤差，輸出PWM占空比；參數(shù)：`P=0.8,I=0.1,D=0.2`（階躍響應(yīng)超調(diào)<5%，響應(yīng)時(shí)間<50ms）。4.3.2電機(jī)速度（PI控制）目標(biāo)速度：直道1.5m/s，彎道0.8m/s（由賽道曲率決策）；反饋：編碼器計(jì)數(shù)（每10ms更新速度）；前饋補(bǔ)償：坡道場(chǎng)景下，根據(jù)圖像灰度梯度（坡度估計(jì)）提前增加占空比（補(bǔ)償重力）。5.系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化5.1硬件調(diào)試電源：示波器監(jiān)測(cè)電壓，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)鋰電池跌落<0.5V（增加2200μF電容解決）；傳感器：攝像頭標(biāo)定（張氏法）消除畸變，電磁傳感器信號(hào)信噪比提升（增加屏蔽罩）。5.2軟件調(diào)試圖像處理：串口輸出中間圖像（二值化/邊緣提取結(jié)果），驗(yàn)證識(shí)別準(zhǔn)確性；逆光場(chǎng)景下，直方圖均衡化使識(shí)別率提升30%；PID優(yōu)化：Matlab仿真（傳遞函數(shù)模型）+實(shí)車測(cè)試，最終舵機(jī)`P=0.6,I=0.05,D=0.3`，電機(jī)`P=0.5,I=0.2`。5.3系統(tǒng)優(yōu)化代碼：浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)運(yùn)算（速度提升40%），DMA傳輸圖像（CPU占用率從80%→30%）；機(jī)械：攝像頭傾角調(diào)至35°（覆蓋范圍+20%），舵機(jī)連桿縮短5mm（靈敏度+15%）。6.競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)6.1問題與解決電磁干擾：電機(jī)驅(qū)動(dòng)噪聲導(dǎo)致圖像失真，驅(qū)動(dòng)板加共模電感（10mH）+屏蔽罩，信噪比提升20dB；賽道適應(yīng)：反光賽道（白色PVC）閾值漂移，動(dòng)態(tài)Otsu閾值（每幀更新）解決；硬件可靠：電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒MOS管，INA219檢測(cè)電流（>2A關(guān)斷PWM）避免故障。6.2收獲與展望通過競(jìng)賽，團(tuán)隊(duì)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)（硬件選型、PCBLayout）、算法優(yōu)化（視覺處理、控制理論）、工程協(xié)作（分工調(diào)試）方面積累經(jīng)驗(yàn)。未來將探索多傳感器融合（視覺+激光雷達(dá)）、模型預(yù)測(cè)