【正文】 第二章 系統(tǒng)總體方案第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校： 西北工業(yè)大學(xué)隊(duì)伍名稱(chēng)： 西北工業(yè)大學(xué)一隊(duì)參賽隊(duì)員： 楊雋楠 樊兆賓 梁化勇帶隊(duì)教師： 曲仕茹8/10/2006IIIIII 關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)邀請(qǐng)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(huì)和飛思卡爾半導(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)報(bào)告以及參賽模型車(chē)的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名： 楊雋楠 樊兆賓 梁化勇 帶隊(duì)教師簽名： 曲仕茹 日 期： 2006810 目 錄第一章 引言 1 制作完成狀況 1 報(bào)告的主要內(nèi)容 1第二章 系統(tǒng)總體方案 2 圖像檢測(cè)部分 2 數(shù)據(jù)處理部分 3 行駛控制部分 3 直流電動(dòng)機(jī)控制 4 舵機(jī)控制 4第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能框圖 7 模塊設(shè)計(jì) 7 LM1881模塊電路原理及功能 8 二值化模塊電路原理及功能 8 MC33886模塊原理及功能 9 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 10 LM1117降壓電路 10 升壓模塊設(shè)計(jì) 10 電路板設(shè)計(jì)與布線 11 電源布線 12 信號(hào)線布線 13第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 14 系統(tǒng)初始化 15 視頻圖像信號(hào)采集算法 16 控制算法設(shè)計(jì) 16 黑線中心檢測(cè)算法 16 電機(jī)及舵機(jī)控制算法 19第五章 模型車(chē)機(jī)械部分設(shè)計(jì)及主要參數(shù)說(shuō)明 21 車(chē)模安裝 21 CCD的安裝 21 電路板布局與安裝 21 模型車(chē)主要技術(shù)指標(biāo)說(shuō)明 22第六章 系統(tǒng)調(diào)試部分 23 圖像采集模塊調(diào)試 23 舵機(jī)安裝及調(diào)試 23 驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)試 23參考文獻(xiàn) I附錄 IIXI第一章 引言 制作完成狀況我隊(duì)按照組委會(huì)的要求以MC9S12DG128B單片機(jī)作為控制核心，采集視頻圖像信號(hào)，并通過(guò)對(duì)采集獲得的圖像進(jìn)行分析，獲得路況信息，據(jù)此控制小車(chē)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小車(chē)在白底跑道上沿黑色標(biāo)線行駛的功能。設(shè)計(jì)制作與調(diào)試工作已全部完成。 報(bào)告的主要內(nèi)容本文以MC9S12DG128單片機(jī)作為核心處理器，結(jié)合LM1881視頻同步信號(hào)分離芯片，MC33886直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，構(gòu)建了一個(gè)集視頻圖像采集與舵機(jī)、電機(jī)控制一體的智能小車(chē)系統(tǒng)。論文的主要內(nèi)容如下：第一章，引言。第二章，介紹了系統(tǒng)的總體方案及設(shè)計(jì)思路。第三章，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。第四章，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。第五章，模型車(chē)機(jī)械部分設(shè)計(jì)及主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明。第六章，系統(tǒng)調(diào)試部分。 第二章 系統(tǒng)總體方案第二章 系統(tǒng)總體方案本文按照功能將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分為三大部分：圖像檢測(cè)部分、數(shù)據(jù)處理部分和數(shù)據(jù)輸出控制部分。系統(tǒng)框圖如圖21所示：圖21 系統(tǒng)框圖 圖像檢測(cè)部分小車(chē)行駛的路面是由黑白兩色構(gòu)成，其中白色為底色，具有一定寬度的黑線則標(biāo)示出小車(chē)應(yīng)當(dāng)行駛的路徑。本系統(tǒng)采用固體成像器件檢測(cè)方法把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)—視頻信號(hào)，將視頻信號(hào)二值化后送入微處理器進(jìn)行處理就可以清楚的“看到”行駛中賽車(chē)較近前方的路面情況。其前瞻距離較之光電管要遠(yuǎn)的多，獲得的路徑參數(shù)多，如中心位置、方向、曲率等。據(jù)此可以對(duì)小車(chē)的行駛路線做出優(yōu)化。也正因?yàn)楂@得的前方路面信息多，使用這種方法需處理的數(shù)據(jù)量較大，這就要求處理數(shù)據(jù)的速度能夠跟上賽車(chē)的較快行駛速度，而本方案選用的微控制器可以勝任。在眾多的成像器件中，CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件[1]不但具有體積小、重量輕、功耗小、長(zhǎng)壽命、工作電壓低和抗沖擊的特點(diǎn)，而且在分辨力、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸和電子自掃描等方面優(yōu)越性明顯。加之無(wú)圖像扭折、易于信息處理，是其它成像器件無(wú)法比擬的。另外，跑道表面為白色，而待識(shí)別的路徑是由黑線標(biāo)明，車(chē)模只需要分辨黑白兩種顏色，故本方案選擇使用黑白面陣CCD。 數(shù)據(jù)處理部分對(duì)于CCD輸出的模擬視頻信號(hào)，單片機(jī)要進(jìn)行后續(xù)處理，需要對(duì)黑白圖像進(jìn)行二值化。然而，在整個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)控制處理器的前提下，靠單片機(jī)實(shí)現(xiàn)二值化顯然需要浪費(fèi)大量的時(shí)間，不利于車(chē)模控制的快速性。實(shí)際上，對(duì)于小車(chē)的控制并不要求高分辨率的路面圖像。相反，降低圖像的分辨率，不僅能減少圖像存儲(chǔ)所占用的空間、加快圖像處理速度，而且仍能獲得足夠的有用信息來(lái)控制小車(chē)的行駛。本方案設(shè)計(jì)在微控制器用前端硬件實(shí)現(xiàn)二值化，單片機(jī)讀取的直接是二值化后的圖像數(shù)據(jù)。此方法電路簡(jiǎn)單，易調(diào)節(jié)，圖像采集速度快，且獲得的圖像精度基本符合要求。在算法設(shè)計(jì)上，本方案的圖像分辨率選擇為6432像素（如圖22所示）。大量試驗(yàn)證明，方案設(shè)計(jì)完全滿足賽道識(shí)別需要，快速性、精度也滿足要求。圖22 二值化圖像示意圖 行駛控制部分行駛控制需要完成兩部分的工作：舵機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。完成這個(gè)電機(jī)的恰當(dāng)控制，很多問(wèn)題值得探討。首先，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)沒(méi)有測(cè)速反饋，屬于開(kāi)環(huán)控制。這樣在車(chē)速未知的情況下控制車(chē)模適應(yīng)各種曲率的彎道顯然問(wèn)題很多，因?yàn)閺澋揽刂菩枰D(zhuǎn)向控制和速度控制較好的配合。其次，由于存在舵機(jī)自身特性偏差和車(chē)模機(jī)械安裝本身的差異，舵機(jī)控制脈沖和車(chē)模實(shí)際的輸出轉(zhuǎn)彎角度并非線性關(guān)系。下面就分兩部分闡述本方案的解決途徑和設(shè)計(jì)思路。 直流電動(dòng)機(jī)控制對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制主要包括以下三個(gè)方面：起動(dòng)，制動(dòng)，與調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法主要有直接啟動(dòng)，電樞回路船電阻起動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)等方法。本系統(tǒng)采用直接啟動(dòng)方法。對(duì)于制動(dòng)，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能中可以不對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)控制，因此不在此分析電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)控制。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制關(guān)鍵在于速度控制。脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)[4]，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率為1~4kHz的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上，通過(guò)對(duì)方波脈寬即占空比的控制，改變電樞的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。此方法速度控制的快速性好、效率高，因此本方案直接選用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制?？刂撇呗陨喜捎肞ID控制[2]，根據(jù)電機(jī)開(kāi)環(huán)特性調(diào)節(jié)比例、積分和微分系數(shù)，使各種情況下車(chē)模的轉(zhuǎn)速與舵機(jī)轉(zhuǎn)角相配合，滿足各種曲率賽道的要求。 舵機(jī)控制舵機(jī)有三根線：地線，電源線，以及控制信號(hào)線。而舵機(jī)的舵盤(pán)轉(zhuǎn)角是與輸入控制信號(hào)線的脈寬有關(guān)的。如圖23(a)及圖23(b)所示。 第二章 系統(tǒng)總體方案因此要控制舵盤(pán)轉(zhuǎn)角，只要調(diào)節(jié)輸入控制信號(hào)線的脈寬即可。輸入脈沖的寬度范圍，不僅受限于舵機(jī)的極限位置，而且受限于車(chē)模轉(zhuǎn)向的極限。在實(shí)際控制中要注意。 舵機(jī)轉(zhuǎn)角根據(jù)圖像的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算得出。首先，在采集的6432像素圖像上建立直角坐標(biāo)系，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得前方路徑的斜率k，以及小車(chē)所在位置x。然后，根據(jù)路徑斜率k及小車(chē)位置x的值，來(lái)確定小車(chē)應(yīng)有的轉(zhuǎn)彎角度和行駛速度，從而控制舵機(jī)與電機(jī)。圖像中路徑斜率與舵機(jī)轉(zhuǎn)角按照分 第二章 系統(tǒng)總體方案段線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)。如圖24所示。1ms≤脈寬≤2ms1ms脈沖右轉(zhuǎn)極限位置2ms脈沖左轉(zhuǎn)極限位置18ms≤F＜20ms圖23(a) 舵機(jī)控制信號(hào)轉(zhuǎn)角/176。脈寬/usec脈寬——轉(zhuǎn)角（+為順時(shí)針?lè)较颍?4545110015001900圖23(b) 舵機(jī)控制曲線經(jīng)試驗(yàn)，車(chē)模在較高速度時(shí)，按照此規(guī)律設(shè)計(jì)的控制率，對(duì)應(yīng)于不同曲率下的車(chē)速控制，車(chē)模在各種曲率的賽道上運(yùn)行穩(wěn)定。圖24 舵機(jī)控制曲線 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括：圖像傳感器、二值化電路、S12單片機(jī)開(kāi)發(fā)板以及