【正文】 第三屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技 術(shù) 報(bào) 告 學(xué) 校： 電子科技大學(xué) 隊(duì)伍名稱： 成電掠影隊(duì)參賽隊(duì)員： 趙裔 陳國貞 周立文帶隊(duì)教師： 石玉關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(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(bào)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(jì)方案、技術(shù)報(bào)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(duì)員簽名： 帶隊(duì)教師簽名： 日 期： 目錄第三屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽 I第一章 引言 1 1 1 2 S12單片機(jī)開發(fā)資料 2 機(jī)械調(diào)整與改裝 2 尋線控制方式 2 駕車技術(shù) 2 往屆論文 2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及方案論證 5 5 6 6 10 11 11 11： 12 13第三章 智能車機(jī)械設(shè)計(jì)方案 15： 15 16 17 18 18： 19： 19： 19 19： 19 19 20： 20： 21第四章 控制電路設(shè)計(jì)說明 23 23 24 24 25 25 26 27第五章 控制軟件設(shè)計(jì)說明 29： 29： 32： 34： 34： 37: 37第六章 開發(fā)工具及調(diào)試工具 39第七章 總結(jié) 417．1 主要技術(shù)參數(shù)說明 41 41鳴謝 43參考文獻(xiàn)： 43附錄A 源程序代碼 I37第一章 引言第一章 引言全國大學(xué)生智能汽車競賽是教育部為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)而設(shè)立的。該競賽與己舉辦的全國數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等4大專業(yè)競賽不同，是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。在本次比賽中，本組使用大賽組委會統(tǒng)一提供的競賽車模，采用飛思卡爾16 位微控制器MC9S12DG128作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號采集處理、控制算法及執(zhí)行、動力電機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制等，最終實(shí)現(xiàn)一套能夠自主識別路線，并且可以實(shí)時(shí)輸出車體狀態(tài)的智能車控制硬件系統(tǒng)。本文主要對車模整體設(shè)計(jì)思路，硬件與軟件設(shè)計(jì)及車模的裝配調(diào)試過程作簡要的說明。由于全國大學(xué)生飛思卡爾智能車大賽已舉辦過兩屆，所以前兩屆的比賽模式成為了本次智能車競賽的主要參考對象。車模競賽的賽道是一個(gè)具有特定幾何尺寸約束、磨擦系數(shù)及光學(xué)特性的白底面板，其中心貼有對可見光及不可見光均有較強(qiáng)吸收特性的黑色條帶。智能車通過實(shí)時(shí)對自身運(yùn)動速度及方向等進(jìn)行調(diào)整來“沿”賽道運(yùn)動。運(yùn)動策略的制定主要是依靠對傳感器得到的道路及行駛信息進(jìn)行采集、分析、決策、執(zhí)行四個(gè)步驟來進(jìn)行的。本文采用先總后分的結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的各部分進(jìn)行了介紹，突出強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件程序的統(tǒng)一。全文共由7 個(gè)章節(jié)組成，第一章為引言，二至六章為主體部分，第七章為總結(jié)。首先，基于比賽規(guī)則和控制器性能，在第二章里引出了我們的總體方案，確定了系統(tǒng)的硬件框架。然后，第三章是我們對機(jī)械性能的一些探索和改進(jìn)，同時(shí)對電路板與傳感器的安裝進(jìn)行了描述。第四章介紹了車模各模塊的硬件電路實(shí)現(xiàn)。第五章里詳細(xì)描述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的各控制算法、黑線提取算法和車體控制算法。第六章介紹我們在設(shè)計(jì)過程中軟硬件開發(fā)調(diào)試工具。最后，第七章對系統(tǒng)綜合性能進(jìn)行了評價(jià)，指出了創(chuàng)新點(diǎn)與不足之處。由于該項(xiàng)比賽是多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，涉及的知識面較廣，因此僅憑我們自己專業(yè)方面所學(xué)的知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要很好地完成該智能車設(shè)計(jì)制作，還必須廣泛查閱各方面的參考文獻(xiàn)。以下就對我們在實(shí)際設(shè)計(jì)制作過程中所閱讀的文獻(xiàn)進(jìn)行一下分類總結(jié)。 S12單片機(jī)開發(fā)資料對于freescale公司的單片機(jī)MC9SDG128我們以往從沒有接觸過，因此對于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部資源都不是十分了解，通過仔細(xì)閱讀freescale官方提供的S12單片機(jī)的開發(fā)資料，對這款運(yùn)用于現(xiàn)代汽車電子的處理芯片有了全面的認(rèn)識。 機(jī)械調(diào)整與改裝對于模型車，機(jī)械設(shè)計(jì)的好壞直接影響其速度與穩(wěn)定性，經(jīng)過前兩屆的經(jīng)驗(yàn)，凡是在最后比賽中取得較好成績的隊(duì)伍，都在機(jī)械改裝上下了大功夫。我們大量借鑒了F1賽車的一些設(shè)計(jì)思路和玩具車模網(wǎng)站，對模型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改良。 尋線控制方式第三屆freescale智能車大賽分為攝像頭組與光電組，本隊(duì)是光電組，對于光電組，不能使用透鏡成像原理的傳感器，于是就限制了我們不能使用攝像頭。要想在比賽中取得較好的成績，好的尋線方式是極為重要的，為此我們參閱了國內(nèi)外自主機(jī)器人的尋線方式，同時(shí)閱讀了許多傳感器相關(guān)的書籍。 駕車技術(shù)模型車是實(shí)際汽車的1：10等比例縮小模型，我們平時(shí)的駕車技術(shù)對于模型車的行駛具有很好地指導(dǎo)作用，通過網(wǎng)絡(luò)，我們了解了一些駕車的基本技術(shù)，還根據(jù)平時(shí)玩極品飛車的經(jīng)驗(yàn)，對于模型車的控制算法具有一定的幫助。 往屆論文他山之石，可以攻玉。對于以往參賽隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)，我們是可以直接借鑒的。我們認(rèn)真閱讀了第一屆和第二屆的各參賽隊(duì)論文，尤其是《學(xué)做智能車》這本書，受益匪淺。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及方案論證 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及方案論證本次比賽要求各參賽隊(duì)伍利用競賽秘書處統(tǒng)一提供的單片機(jī)MC9S12DG128開發(fā)板（也可以采用MC9SDG128自制控制電路板）、開發(fā)軟件Code Warrior和在線調(diào)試工具，在統(tǒng)一的車模平臺基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作一個(gè)能夠自主識別路線的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動識別道路行駛。 小車按照黑線尋跡，決賽區(qū)比賽最終成績由時(shí)間成績和報(bào)告分?jǐn)?shù)決定，成績計(jì)算由下面公式給出： 比賽最終成績(秒) = Ts * () 式中Ts為賽車最快單圈時(shí)間（秒）；R為技術(shù)報(bào)告評分（分值范圍010）。智能競賽車模的規(guī)定： 、輪距、輪徑及輪胎； ； ； ，但可以更改舵機(jī)輸出軸上連接件； ，車模主要前進(jìn)動力來源于車模本身直流電機(jī)及電池； 、傳感器等，允許在底盤上打孔或安裝輔助支架等。電路器件及控制驅(qū)動電路限制： ，也可以采用MC9SDG128自制控制電路板,除了DG128MCU之外不得使用輔助處理器以及其它可編程器件； 3個(gè)； （紅外傳感器的每對發(fā)射與接受單元計(jì)為1個(gè)傳感器，CCD傳感器記為1個(gè)傳感器）； ；； ；電容最高充電電壓不得超過25伏。 系統(tǒng)由道路識別模塊、速度傳感器模塊、主控模塊、舵機(jī)驅(qū)動模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、無線模塊組成。： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖各模塊之間只有很好地融合，才能使模型車穩(wěn)定而快速地跑完全程。好的尋線方式是保證模型車穩(wěn)定快速運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是本次比賽中我們花費(fèi)時(shí)間和精力最多的一部分。由于本隊(duì)參加的是光電組，限制了使用透鏡成像原理的攝像頭，攝像頭最大的優(yōu)勢在于前瞻距離遠(yuǎn)而廣，經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，當(dāng)前瞻距離增大時(shí)對于模型車的控制具有決定性地作用，直道時(shí)可以將車速提得更高，彎道時(shí)由于“看到”的是前方，能夠很好地解決本次比賽使用的舵機(jī)具有很大遲滯的缺陷，甚至由于彎道時(shí)的前瞻距離超過了舵機(jī)的遲滯缺陷，會使模型車在彎道時(shí)出現(xiàn)“抄內(nèi)道”的效果，減少了實(shí)際行駛距離。當(dāng)模型車行駛在“S型彎道”時(shí)，由于前瞻距離遠(yuǎn)，使直接由直線通過成為可能?？偠灾?，提高前瞻距離是提高模型車成績最有效的手段。實(shí)際中我們還發(fā)現(xiàn)：只是單純地提高前瞻距離是沒有用的，本隊(duì)做了如下實(shí)驗(yàn)：當(dāng)前瞻距離在20cm時(shí)，我們在一跑道上跑完全程，接著馬上將傳感器抬高抬遠(yuǎn)，前瞻達(dá)到30cm。用相同的算法，在相同的跑道上再跑一遍，結(jié)果出人意料，時(shí)間驚人的相同，沒有一點(diǎn)改善。究其原因，我們覺得提高前瞻距離的同時(shí)還必須提高前瞻范圍，攝像頭并不是比我們“看得遠(yuǎn)”而是“看得廣”，這樣的前瞻才有效果。本隊(duì)對市場上的光電傳感器行進(jìn)了大量地測試，從中總結(jié)出各傳感器的優(yōu)勢以及不足。紅外一體化接收管他是一種集接收，放大，整形于一體的集成電路，不需要任何外圍元件，就能完成從紅外接收到輸出與TTL信號相兼容的所有工作。紅外一體化接收頭抗干擾能力強(qiáng)，很適合本次比賽不斷變化的環(huán)境。我們讓經(jīng)過38K調(diào)制過的紅外信號不斷發(fā)射，當(dāng)紅外一體化接收頭接收到載波時(shí)，輸出引腳會輸出一個(gè)低脈沖，由此我們判斷一體化接收頭是否處于黑線上，但由于一體化接收管接收到的是數(shù)字信號，會遺漏大量跑道上的信息，當(dāng)智能車處于高速運(yùn)行時(shí)會因?yàn)闄z測精度不足而造成誤判。經(jīng)過我們大量地測試，一體化接收管還有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，，對于本次比賽，假設(shè)速度是3m/s,，智能車已前進(jìn)30cm,這樣的響應(yīng)時(shí)間對智能車來說是致命的，可能早已跑出賽道。普通接收管普通接收管由自己設(shè)計(jì)外圍電路，不會存在延遲問題，而且接收到的紅外強(qiáng)度與輸出電壓成正比，根據(jù)不同的電壓值就可得到接收管相對于黑線的位置，從每個(gè)接收管相對黑線的位置我們就可以精確地判斷出智能車相對黑線的位置，但同時(shí)帶來的問題是，模擬信號的采集，會因?yàn)榄h(huán)境變化帶來極大的誤差，自適應(yīng)性太差。但為每個(gè)接收管都加上了一塊窄帶濾光片，只能讓特定波長的紅外光通過，實(shí)踐證明：無論在白天還是晚上，對各場地的自適應(yīng)能力有所增加。經(jīng)調(diào)制的紅外光經(jīng)過調(diào)制的紅外光大大提高了智能車的自適應(yīng)能力，但經(jīng)鎖相環(huán)解調(diào)出來之后是數(shù)字信號，會遺漏大量的賽道信息，對于力求穩(wěn)定的隊(duì)伍這是一個(gè)很好的選擇。但我們覺得提高智能車的自適應(yīng)能力完全可以由算法優(yōu)化，不必要犧牲精度。非調(diào)制的紅外光非調(diào)制的紅外光的特點(diǎn)顯而易見，可以采用模擬接收，增加了對黑色引導(dǎo)線的識別精度。但抗干擾能力無法和調(diào)制的紅外媲美。同時(shí)采用脈沖發(fā)射的方式，我們對大功率紅外發(fā)射管加大了發(fā)射功率，成功地將智能車的前瞻距離提高到30cm。而且我們對每個(gè)傳感器加上了紅外窄帶濾光片以及一個(gè)“黑色小帽”。配合一定的算法（具體參考模型車軟件算法一章），只要日光不足以使傳感器飽和且光照均勻，即使日光直接照射，我們的傳感器也不會受環(huán)境的影響，很好地解決了模擬接收抗干擾能力下降的問題。條形碼掃描儀方案條形碼掃描器的基本工作原理為：由光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到條碼符號上面，被反射回來的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射在光電轉(zhuǎn)換器上，使之產(chǎn)生電信號，信號經(jīng)過電路放大后產(chǎn)生一模擬電壓，它與照射到條碼符號上被反射回來的光成正比，再經(jīng)過濾波、整形，形成與模擬信號對應(yīng)的方波信號，經(jīng)譯碼器解釋為計(jì)算機(jī)可以直接接受的數(shù)字信號。 普通的條碼閱讀器通常采用以下三種技術(shù)：光筆、CCD、激光，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一種閱讀器能夠在所有方面都具有優(yōu)勢，光筆型由于探測距離很近，我們對他沒有太多的了解。CCD采用了透鏡成像原理，違背了本次比賽的規(guī)則，所以也不能采用。我們主要研究了激光型條形碼掃描器。激光手持式掃描器是利用激光二極管作為光源的單線式掃描器，它主要有轉(zhuǎn)鏡式和顫鏡式兩種。轉(zhuǎn)鏡式是采用高速馬達(dá)帶動一個(gè)棱鏡組旋轉(zhuǎn)，使二極管發(fā)出的單點(diǎn)激光變成一線。顫鏡式的制作成本低于轉(zhuǎn)鏡式，但這種原理的激光槍不易提高掃描速度，一般為33次／秒。商業(yè)企業(yè)在選擇激光掃描器時(shí)，最重要的是注意掃描速度和分辨率，而景深并不是關(guān)鍵因素。因?yàn)楫?dāng)景深加大時(shí)，分辨率會大大降低。優(yōu)秀的手持激光掃描器應(yīng)當(dāng)是高掃描速度，固定景深范圍內(nèi)很高的分辨率。對于本次比賽，使用激光型條形碼掃描器所能達(dá)到的前瞻距離完全可以和攝像頭媲美，解決了上屆比賽攝像頭“一統(tǒng)天下”的尷尬局勢。為此，我們專門購買了條形碼掃描儀SE950，他具有小巧，精度高，掃描線數(shù)高，操作簡單等特點(diǎn)。他的組成原理如下：有單個(gè)激光發(fā)射器發(fā)射點(diǎn)激光源，經(jīng)過顫鏡將點(diǎn)光源射向不同的點(diǎn)區(qū)域，由于顫鏡工作頻率比較高，從視覺上看就使點(diǎn)光源變成了線光源，顫鏡的抖動頻率是有電場產(chǎn)生磁場控制的，本激光掃描儀的掃描頻率為55HZ，在接收端，只使用一個(gè)光電傳感器，由于激光發(fā)射的照射點(diǎn)可以由顫鏡精確控制，所以利用這一特性就知道此時(shí)激光具體掃描到哪一點(diǎn)了。為了使激光掃描儀探測距離遠(yuǎn)，接收端必須采用鎖相環(huán)進(jìn)行解碼，最后進(jìn)行信號處理，得到我們所要的條碼信息。我們“解剖”了SE950這款激光掃描儀，深入的了解了掃描儀的原理。我們使用SE950來檢測引導(dǎo)線，但發(fā)現(xiàn)：SE950掃描精度太高（用于條形碼掃描），即使在全黑的引導(dǎo)線上，如果經(jīng)過一段時(shí)間沒有發(fā)現(xiàn)黑與白的對比，也會自動從黑到白發(fā)生跳變，這點(diǎn)運(yùn)用于條碼掃描不會出問題，因?yàn)闂l碼很細(xì)，能提高精度。而采用在本次比賽中，就帶來了很大的誤識別，所以必須濾除這個(gè)“干擾信號”，經(jīng)過長時(shí)間軟件濾波算法的探索，效果都不太理想，特別是我們的車速達(dá)到接近3m/s,要求處理的任務(wù)量大大增加，浪費(fèi)在濾波算法上太多時(shí)間使我們模型車的穩(wěn)定度大大下降。探其原因，條形碼掃描儀的信號調(diào)理電路限制了他在本次比賽中的巨大優(yōu)勢。經(jīng)過討論，既然我們已經(jīng)如此了解此款掃描儀的結(jié)構(gòu)，何不自己動手做一個(gè)呢？： 條形碼掃描儀實(shí)物圖本次嘗試是一次大膽的嘗試，由點(diǎn)激光器發(fā)射點(diǎn)光源經(jīng)電機(jī)帶動的鏡片發(fā)散成線光源，由鎖相環(huán)接收處理，送入處理芯片。基本功能我們能夠?qū)崿F(xiàn)，但還有一些問題難以克服：1）電機(jī)的傳動頻率難以精確控制，造成線光源抖動厲害，如果采用閉環(huán)控制可以解決這個(gè)問題，但工作量巨大。（本隊(duì)參加機(jī)器人大賽時(shí)開發(fā)的伺服電機(jī)驅(qū)動就花了整整一禮拜，而且體積比較大，在此模塊中使用閉環(huán)控制很不現(xiàn)實(shí)。）2）各模塊之間的相對位置很重要，稍有偏差都會有致命的誤檢測，模型車高速運(yùn)行時(shí)的抖動會帶來誤判。最后我們不得不放棄了條形碼掃描儀的方案，但對于這次探索的過程我們受益匪淺，相信下次比賽時(shí)一定能把此項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用起來。大多數(shù)隊(duì)伍對于