【正文】 飛思卡爾杯全國大學生智能汽車競賽 技 術 報 告關于技術報告和研究論文使用授權的說明本人完全了解第八屆飛思卡爾杯全國大學生智能汽車競賽關保留、使用技術報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導體公司可以在相關主頁上收錄并公開參賽作品的設計方案、技術報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名： 孟澤民 章志誠 徐晉鴻 帶隊教師簽名： 陳朋 朱威 日 期： 摘 要本文設計的智能車系統(tǒng)以MK60N512ZVLQ10微控制器為核心控制單元，通過Ov7620數(shù)字攝像頭檢測賽道信息，使用K60的DMA模塊采集圖像，采用動態(tài)閾值算法對圖像進行二值化，提取黑色引導線，用于賽道識別；通過編碼器檢測模型車的實時速度，使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向舵機的角度，實現(xiàn)了對模型車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。為了提高模型車的速度并讓其更穩(wěn)定，我們使用自主編寫的Labview上位機、SD卡模塊、無線模塊等調(diào)試工具，進行了大量硬件與軟件測試。實驗結果表明，該系統(tǒng)設計方案可行。關鍵詞：MK60N512VMD100，Ov7620，DMA，PID，Labview，SD卡 AbstractIn this paper we will design a smart car system based on MK60N512ZVLQ10 as the microcontroller unit. We use a Ov7620 digital image camera to obtain lane image information. The MCU gets the image by its DMA module. Then convert the original image into the binary image by using dynamic threshold algorithm in order to extract black guide line for track identification. An inferred sensor is used to measure the car`s moving speed. We use PID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor， to achieve the closedloop control for the speed and direction. To increase the speed of the car and make it more reliable， a great number of the hardware and software tests are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are pared by using the Labview simulation platform designed by ourselves， the SD card module and the wireless module. The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible.Keywords: MK60N512VMD100，DMA，Ov7620，PID，Labview，SD card 目 錄摘 要 IAbstract II引 言 1第一章 系統(tǒng)總體設計 2 2 2第二章 機械系統(tǒng)設計及實現(xiàn) 4 4 5 6 7 7 8 9第三章 硬件系統(tǒng)設計及實現(xiàn) 10 10 10 10 11 13 13 14 14第四章 軟件系統(tǒng)設計及實現(xiàn) 16 16 16 17 19 21 21 PID 控制算法介紹 22 23 23 24 25 25 26 26 28第五章 系統(tǒng)開發(fā)及調(diào)試 29 29 29 上位機 29 SD卡模塊 30 30 31 31第六章 模型的主要技術參數(shù) 32結 論 33參 考 文 獻 34附錄：程序源代碼 35IV引 言引 言“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是受教育部高等教育司委托，高等學校自動化專業(yè)教學指導委員會負責主辦全國大學生智能車競賽。該項比賽已列入教育部主辦的全國五大競賽之一。其最早始于韓國，在國內(nèi)，全國大學生飛思卡爾杯智能汽車競賽從2006年開始舉辦，至今得到了各級領導及各高校師生的高度評價。并且有越來越多的隊伍加入其中。大賽包括光電組、攝像頭組和電磁組，為保持創(chuàng)新性，在本屆比賽中各組別的規(guī)則有所改變，其中攝像頭組繼第七屆的尋雙線外，改用B型車模，前輪驅(qū)動，難度大大提升。本技術報告主要包括小車的機械設計、硬件系統(tǒng)設計、軟件算法設計等，詳盡地闡述了我們的設計方案，具體表現(xiàn)在機械結構的多種嘗試，硬件電路的創(chuàng)新設計以及人工智能控制算法的應用。在一年的備賽過程中，我們參看了大量控制方面的書籍，如：《先進PID控制及其MATLAB仿真》、《新型PID控制及其應用》等，智能車制作放面的書籍，如：《學做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯》、《“飛思卡爾”杯智能汽車競賽設計與實踐基于S12XS和Kinetis K10》等，及大量K60芯片方面的資料與書籍。不僅如此，在這一年漫長的做車過程培養(yǎng)了我們電路設計、軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試等方面的能力，鍛煉了我們心理素質(zhì)、實踐動手的能力、團隊合作能力，對今后的學習工作都有著重大的實際意義。1第一章 系統(tǒng)總體設計第一章 系統(tǒng)總體設計全國大學生智能汽車競賽中，小車的基本結構大致可分為電源模塊、傳感器模塊和控制模塊。本智能車系統(tǒng)的總體結構為：Ov7620數(shù)字攝像頭拍攝賽道圖像，輸出PCLK、FOOD、HREF信號和8路數(shù)字圖像信號，輸入到MK60N512ZVLQ10微控制器，由K60的DMA模塊進行圖像采集，通過動態(tài)閾值算法對圖像二值化，進行進一步處理獲得主要的賽道信息，為舵機和電機的控制提供決策；轉(zhuǎn)向舵機采用PD控制；驅(qū)動電機采用 PID控制，通過PWM控制經(jīng)優(yōu)化的MOS管驅(qū)動電路來調(diào)整電機的功率；通過編碼器來檢測車速，并采用MK60N512ZVLQ10的輸入捕捉功能進行脈沖計算獲得轉(zhuǎn)速，并對應到相應的速度，與速度PID形成閉環(huán)；而車速的目標值由優(yōu)化后的決策層給出，具體的控制策略將在下文中詳細介紹。根據(jù)競賽的規(guī)則和智能車系統(tǒng)的基本要求，我們設計了系統(tǒng)結構圖，如圖11所示。在滿足比賽要求和小車正常運行的情況下，力求系統(tǒng)簡單高效，因而在設計過程中盡量簡化硬件結構，減少因硬件而出現(xiàn)的問題。圖11 系統(tǒng)結構圖車體整體布局的基本要求可簡單歸納為一下幾點：（1）車模底盤降低，簡化主板使其貼近底盤，以降低重心； （2）改變電池位置，避免重心集中在車體前端；（3）電機與車身連接盡量保持原狀，不采用硬固定，保持車體靈活；（4）注意編碼器和舵機擺放位置，要方便控制又保持重心低；（5）用輕便堅固的碳卷管作為攝像頭桿的材料；（4）注意攝像頭固定位置，保證該區(qū)域振動小，重心分布要和盲區(qū)與前瞻匹配。經(jīng)過充分考慮與實際方案比較，我們車的整體布局如圖12所示圖12 整車布局圖34第二章 機械系統(tǒng)設計及實現(xiàn)第二章 機械系統(tǒng)設計及實現(xiàn)根據(jù)組委會的相關規(guī)定，今年攝像頭組比賽車模更換為B型車模，而且將驅(qū)動輪作為前輪。針對這一新的改動，對B型車本身就陌生的我們在機械上花了很長時間。在組建整個小車系統(tǒng)之前，我們就對該車模進行了詳細的系統(tǒng)分析。B型車模相對于去年的A型車而言：輪子大、底盤高、電機響應遲鈍，雖然在去年的基礎上加了防滑膠套，但整個模型的摩擦力不及A型車模，因此在規(guī)則允許范圍內(nèi)盡量改造車模，提高車模整體性能是很必要的。本章將主要介紹我們對B型車模的機械結構認識及調(diào)整方案。此次競賽的賽車車模選用由北京科宇通博科技有限公式提供的B型車模。車模示意圖如圖21所示。 圖21 B型車模示意圖車模具體參數(shù)：，，軸距20cm，前輪距（主動輪）14cm，，， 具有較強的彈性和剛性。前輪調(diào)整方式簡單，全車滾珠軸承，主減傳動比36/105。前后輪軸高度可調(diào)(），雙滾珠差速。 RS540馬達，轉(zhuǎn)速20000r/min，內(nèi)裝散熱風扇。舵機采用SD5數(shù)碼伺服器，帶堵轉(zhuǎn)保護電路，動作速度≤177。 本屆比賽要求B型車模通過四條輪胎與地面接觸，主動輪作為前輪，轉(zhuǎn)向輪作為后輪。兩個前輪同軸受到限位，無法調(diào)整，與模型車的前進方向保持平行，因此要改變模型車與地面的接觸方式，調(diào)試出利于模型車轉(zhuǎn)向、直線的四輪定位，只能通過調(diào)整轉(zhuǎn)向輪來實現(xiàn)。為滿足參賽隊員對各種機械結構的嘗試，組委會同意可以將轉(zhuǎn)向輪的左右輪進行位置調(diào)換。因此在對轉(zhuǎn)向輪的定位與調(diào)整過程中，不僅需要理論支持，同時需要大量的測試來驗證方案的可行性。理論上，B型模型車可以調(diào)整的轉(zhuǎn)向輪參數(shù)有主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角、車輪束角四個。主銷后傾角：能在汽車車輪偏轉(zhuǎn)后產(chǎn)生一回正力矩，糾正車輪的偏轉(zhuǎn)。[1]主銷后傾示意圖如圖22（a）所示。經(jīng)分析，通常后傾角值應設定在1。~3。B型車無法直接調(diào)節(jié)，只能通過增加墊片實現(xiàn)。 圖22（a）主銷后傾示意圖 圖22（b）主銷內(nèi)傾示意圖 圖22（c）車輪外傾示意圖 圖22（d）車輪束角主銷內(nèi)傾角：有使車輪自動回正的作用，有利于出彎回正，其示意圖如圖22（b）所示，內(nèi)傾角不宜過大，過大會增加輪胎與賽道的摩擦阻力，降低車速，降低防滑膠套壽命。車輪外傾角：能減小因機械造成的滑動摩擦，減小轉(zhuǎn)向阻力，減小轉(zhuǎn)向輪機械結構負載，保持轉(zhuǎn)珠靈活。車輪外傾示意圖如圖22（c）所示。車輪束角：分為前束和后束。前束能使車輪向內(nèi)側滑移，增大車輪摩擦力；當轉(zhuǎn)向輪在后面后，前束的實質(zhì)其實是之前的后束，因為這樣可以實現(xiàn)過彎時，外輪打角會比內(nèi)輪小，四個輪子的轉(zhuǎn)彎半徑將在一個圓心上，使轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)達到最佳。車輪束角示意圖如圖22（d）。關于后輪轉(zhuǎn)向束角的示意圖如圖23所示。當然最佳束角大小應以實際測試為準。圖23 后輪轉(zhuǎn)向束角示意圖根據(jù)上述理論和實際的測試，我們將車模的轉(zhuǎn)向輪最終調(diào)整為如下圖24所示。圖 24 最終的轉(zhuǎn)向輪機械在保證順利通過坡道的前提下，底盤離地間隙應盡可能小，從整體上降低模型車的重心，以提高行駛穩(wěn)定性并減小側滑。因為本次B型車是前輪驅(qū)動，B型車的電機可達到的轉(zhuǎn)速比較高，所以在車模高速跑出賽道時，連接車身和電機的軸很容易被撞斷，經(jīng)組委會討論，同意在底盤固定PCB板材質(zhì)的板材固定車身和電機，這樣整個車身變成了硬固定。經(jīng)實際測試，這樣會降低