【正文】 的環(huán)境中自主駕駛，但車速不高。1995年，一輛由美國卡耐基梅隆大學研制的無人駕駛汽車Navlab—V，完成了橫穿美國東西部的無人駕駛試驗。2005年，美國國防部“大挑戰(zhàn)”比賽上，最終由美國斯坦福大學工程師們改裝的一輛大眾途銳多功能車經(jīng)過7個半小時的長途跋涉完成了全程障礙賽，第一個到達了終點。在無人駕駛技術研究方面位于世界前列的德國漢堡Ibeo公司，最近推出了其研制的無人駕駛汽車。我國國防科技大學從20世紀80年代開始進行無人駕駛汽車技術研究。2000年6月，國防科技大學研制的第4代無人駕駛汽車試驗成功，最高時速達76 km，創(chuàng)下國內(nèi)最高紀錄。以上轉(zhuǎn)述只是冰山一角，智能車的技術正在不斷發(fā)展中。目前，智能車領域的研究已經(jīng)能夠在具有一定標記的道路上為司機提供輔助駕駛系統(tǒng)甚至實現(xiàn)無人駕駛。這些智能車的設計通常依靠特定道路標記完成識別，通過推理判斷模仿人工駕駛進行操作。通常，智能車接受輔助定位系統(tǒng)提供的信息完成路徑規(guī)劃，如由GPS等提供的地圖，交通擁堵狀況，道路條件等信息。本文內(nèi)容的安排如下所示： 第一章 引言 本章主要介紹了 Freescale 車模競賽的基本情況，智能車的發(fā)展狀況。 第二章 系統(tǒng)整體框架 本章對系統(tǒng)硬件模塊方案和軟件控制方法進行了選擇與論證。 第三章 機械設計 本章對機械結構的安裝與改進，各個模塊的安裝技巧作了詳細的介紹。 第四章 硬件電路設計 本章主要介紹了自行設計的基于飛思卡爾單片機的最小系統(tǒng)板的設計，電源模塊、驅(qū)動模塊、攝像頭模塊和速度傳感器模塊的設計與實現(xiàn)。 第五章 軟件系統(tǒng)設計 本章軟件系統(tǒng)各模塊的設計思路作了詳細的介紹。特別介紹了圖像處理中的各種技巧、PID 控制策略的應用和起跑線識別算法的設計等問題 第六章 開發(fā)工具及其調(diào)試 本章對開發(fā)工具與調(diào)試方法作了簡單介紹。 結論 對整個參賽過程中的經(jīng)驗與教訓作了總結。第二章：系統(tǒng)整體框架智能汽車系統(tǒng)分為兩個部分：硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括了電路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)；而軟件系統(tǒng)則可以分為底層代碼和實現(xiàn)算法，后者主要包括用于實現(xiàn)路徑識別的算法、電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)、舵機角度控制和導引策略等。本文分層次展開硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。圖 智能汽車系統(tǒng)結構圖根據(jù)需求分析，經(jīng)過仔細研究，決定采用模塊化設計。智能汽車的硬件系統(tǒng)由核心控制模塊(MCU)、傳感器模塊、電源管理模塊、存儲器模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、人機接口模塊、無線通訊模塊和放電器模塊組成。 智能汽車控制系統(tǒng)總體設計框圖： 系統(tǒng)流程圖智能汽車系統(tǒng)的工作原理是預瞄理論和閉環(huán)控制理論的典型體現(xiàn)。 智能車系統(tǒng)工作原理示意圖在本屆比賽中，組委會提供了多種單片機可供選擇，分為16位和32位兩種類型。我們選擇了總線頻率較高的16位MC9S12XS128作為主控芯片，并且自己制作了最小系統(tǒng)板。圖像采集單元，考慮到動態(tài)性、功耗性以及復雜性，我們經(jīng)過對比最終選擇了CMOS的OV7620作為圖像采集傳感器。將圖像采集來后，為了減小干擾，首先我們對整幅進行了二值化，然后利用跟蹤邊緣算法對黑線進行提取，為了使提取的黑線更加準確我們對提取的黑線進行了中值濾波和限幅濾波。最終使黑線的變化更加平穩(wěn)。提取出黑線后，我們采用了PD策略對舵機進行控制，增量式PID對電機進行控制；并結合最優(yōu)曲率算法和中心偏移量識別賽道類型，讓小S直接沖過去，大S盡量內(nèi)切，最大難度的發(fā)卡彎沿線通過。然后，小車的速度根據(jù)前方的路況自動調(diào)整。 在硬件方面，我們?yōu)榱耸闺娐犯雍喕?，自己制作了最小系統(tǒng)板，使得單片機，電源，電機驅(qū)動等模塊集中到了一塊最小系統(tǒng)板上，合理分布，最大限度的優(yōu)化小車硬件與機械結構。第三章：機械設計任何的控制算法和軟件程序都是需要一定的機械結構來執(zhí)行和實現(xiàn)的，因此在設計整個軟件架構和算法之前一定要對整個車模的機械結構有一個感性的認識，然后建立相應的數(shù)學模型。從而再針對具體的設計方案來調(diào)整賽車的機械結構。本章的將主要介紹賽車車模的機械特點和調(diào)整方案。汽車是現(xiàn)代社會的主要交通工具，在對汽車研究過程中，形成了一大批研究成果。我們在查閱了一大堆資料的前提下，形成了自己對汽車原理的首先建立汽車行駛的數(shù)學模型（） 汽車行駛數(shù)學模型圖中：AP，BN為連接桿與主銷之間的桿長L桿AB，CD為前輪軸長L前，后輪軸長L后KL為前軸與后軸的軸距L軸距根據(jù)汽車理論， 假設輪胎不打滑，并忽略輪胎所受的重力作用產(chǎn)生的形變以及左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的形變，即可得到理想的汽車轉(zhuǎn)向模型：，即左右兩輪的軸線與后輪的主軸，三點交于車身中心所處道路位置的曲率中心。不失一般性， 這里只討論右轉(zhuǎn)的情形。，設左輪轉(zhuǎn)向為，右輪角分別為，對于以上模型，顯然有如下關系：于是得到在理想狀態(tài)下，汽車的過彎時的轉(zhuǎn)角方程：公式（1）同樣也可以得到右轉(zhuǎn)時公式（2）采用第七屆“飛思卡爾”智能車大賽組委會提供的韓國Matiz系列1：10模型車的參數(shù)對公式（1），公式（2）進行仿真。得到車模行駛時理論轉(zhuǎn)彎半徑與車輪轉(zhuǎn)角的關系（）和右輪也左輪的轉(zhuǎn)角關系（） 彎半徑與車輪轉(zhuǎn)角關系 右、左輪的轉(zhuǎn)角關系在模型車結構參數(shù)一定的情況，小車左右兩輪的轉(zhuǎn)角存在一定的函數(shù)關系，當向右過彎時，右輪轉(zhuǎn)向比左輪轉(zhuǎn)向大，同理向左轉(zhuǎn)彎時，左輪轉(zhuǎn)向較右輪轉(zhuǎn)向大，同時，隨著道路曲率半徑的越大，車輪所需的轉(zhuǎn)角越小。在實際調(diào)試過程中，要以理論為基礎，配合以上理論計算公式，尋找小車的輪速參數(shù)。在整個智能車系統(tǒng)中，優(yōu)良的系統(tǒng)構架是一個優(yōu)秀車模不可或缺的重要基礎，而車模的整體布局又是參與此類競速比賽的車模的基礎中的基礎。車模的整理布局在很多方面決定了車模潛力的挖掘和技術水平的發(fā)揮，甚至在某些情況下影響著軟件設計和控制算法。下面將分模塊予以分析。在此屆比賽中，攝像頭組使用的車模是由廣東東莞市博思電子數(shù)碼科技有限公司提供的G768車模平臺（圖 ），配置 FUTABA3010 型號伺服器（圖 ）和 RN260 電機 （圖 ）。 模型車車體 該車模結構合理，重心位置控制較好，重心較低，前后輪距合理。特別是傳動系統(tǒng)性能優(yōu)良，相比較與上屆的B型車模，該車模的動態(tài)傳動系統(tǒng)要好很多。并且車模的本身結構也有利于參賽選手根據(jù)自身情況進行適當?shù)母难b，滿足自身控制的需求。但是該車模也有一個缺陷，及其配置的驅(qū)動電機帶載能力比較差，電機本身在帶載情況下的加速性能比較差，這就給調(diào)速帶來了很大的麻煩，這些將在調(diào)試中具體探討。 車模布局思想為了使車模在競賽中發(fā)揮出最好的水平，我們最車模的布局有以下幾個想法： 第一 車模的整體布局應該盡量簡潔。這對于車模的整體質(zhì)量影響很大，以至于影響速度的發(fā)揮。而且，在很多方面關系著車模的整理穩(wěn)定性。因此，盡可能的去除車模上的冗余結構很有必要。 第二 車模的整體布局應該做到穩(wěn)定。車模的穩(wěn)定不只是機械結構上的穩(wěn)定，同樣也對電路的穩(wěn)定性有這很大的要求。車模的電路設計方面應該努力屏蔽噪聲干擾對整個電路帶來的影響。 第三 車模的整體布局應該做到高效。 此次智能車競賽必竟是競速比賽，毫秒之間可以決定勝負。因此，車模能否做到高效是關系速度的一個重要指標。從以上角度出發(fā)，最終我們設計出自己的車模模型。 實體車型在調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，模型車過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負載，我們對前輪定位進行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便。前輪定位參數(shù)主要包括：主銷后傾角（）、主銷內(nèi)傾角（）、前輪外傾角和前輪前束。我們將前輪外傾角和前輪前束分別設為0 度、0mm，主銷稍微內(nèi)傾和后傾。后輪采用窄輪距，可有效避免切彎過度時有一個后輪跑出去。 除了以上部分的調(diào)整外，還對主懸架彈簧松緊、底盤高度和齒輪傳動機構進行了適當調(diào)整。通過增加避震彈簧的剛性、降低底盤高度、調(diào)整齒輪間隙，改善了賽車的行駛表現(xiàn)。 攝像頭安裝主要考慮的問題有： 固定攝像頭的材料，攝像頭的安裝位置和攝像頭的安裝高度。為了降低整車重心，需要嚴格控制CMOS攝像頭的安裝位置和重量，我們自行設計了輕巧的鋁合金夾持組件并采用了碳纖維管作為安裝CMOS的主桅，這樣可以獲得最大的剛度質(zhì)量比，整套裝置具有很高的定位精度和剛度，使攝像頭便于拆卸和維修，具有賽場快速保障能力。 舵機轉(zhuǎn)向是整個車模系統(tǒng)中延遲最大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改變舵機的安裝位置，加長力臂可以提高舵機的響應速度。鑒于往屆經(jīng)驗以及本屆車模舵機性能，我們進行多套方案的試驗，諸如將舵機豎直、水平以及其它不同方向的擺放方法?？紤]到舵機響應時間、穩(wěn)定性以及虛位的諸多因素，我們最終選擇倒臥式安裝舵機，延長舵機臂桿至 33mm，并自行設計了舵機安裝支架，達到了很好的效果。對光電編碼器的安裝，可以將光柵盤安裝在電機軸上，通過先計算電機轉(zhuǎn)速再來計算模型車后驅(qū)動軸得知車速。但是，這種方法太麻煩，并且在電機軸上裝光柵盤會影響電機的性能。所以，我們將光柵盤安裝在模型車后驅(qū)動軸上，根據(jù)光電編碼器的輸出脈沖計算不同時刻模