【正文】 紹 1 賽車整體設(shè)計(jì)思路 1 文章結(jié)構(gòu) 2 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整 3 整體思路 3 底盤調(diào)整 3 后輪定位調(diào)整 3 主銷后傾角 4 主銷內(nèi)傾角 4 車輪外傾角 4 舵機(jī)安裝 5 舵機(jī)延時(shí)分析 5 舵機(jī)的安裝與控制延時(shí)解決辦法 7 攝像頭支架的設(shè)計(jì)安裝 9 電路板安裝 9 第三章 硬件設(shè)計(jì) 11 總體方 案 11 電源模塊 11 傳感器模塊 13 攝像頭的選擇 13 編碼器測(cè)速模塊 13 主控模塊 14 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 14 第四章 軟件設(shè)計(jì) 16 黑線的提取和圖像中心的計(jì)算 16 原始圖像的特點(diǎn)及校正 16 黑線的提取和中心的計(jì)算 17 方向控制方案 19 分類進(jìn)行方向控制算法 20 直道的方向控制算法 20 大彎的方向控制算法 20 急彎的方向控制算法 21 “大 S 型”道的方向控制算法 21 “ 小 S 型”道的方向控制算法 21 起跑線的方向控制算法 22 速度控制方案 22 速度控制的重要性 22 速度控制的算法設(shè)計(jì) 23 棒 棒控制算法 25 棒 棒控制算法簡(jiǎn)介 25 棒 棒控制算法用于該賽車系統(tǒng) 25 棒 棒控制與 PID 控制兩種方法結(jié)合的必要性 25 PID 控制算法 26 PID 控制算法簡(jiǎn)介 26 數(shù)字 PID 控制算法 27 經(jīng)典 PID 算法實(shí)現(xiàn)速度的控制 29 經(jīng)典 PID 算法實(shí)現(xiàn)速度控制的計(jì)算機(jī)仿真 29 經(jīng)典 PID 算法實(shí)現(xiàn)速度控制的具體實(shí)現(xiàn) 30 PID 參數(shù)調(diào)節(jié) 30 控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能分析 31 第五章 仿真與調(diào)試 32 調(diào)試階段 32 攝像頭調(diào)試 32 軟件系統(tǒng)調(diào)試 32 第六章 賽車具體參數(shù) 34 第七章 總結(jié)與展望 35 總結(jié) 35 展望 36 致 謝 37 參考文獻(xiàn) 38 程序附錄 39 引言 背景介紹 全國(guó)大學(xué)生智能汽 車競(jìng)賽是在統(tǒng)一汽車模型平臺(tái)上 ,使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 8 位、 16 位、 32 位微控制器作為核心控制模塊 ,通過(guò)增加傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、編寫相應(yīng)軟件以及裝配模型車 ,制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車 ,按照規(guī)定路線行進(jìn) ,以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。該競(jìng)賽是涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械及車輛工程等多個(gè)學(xué)科的科技創(chuàng)意性比賽。歷時(shí) 11 個(gè)月時(shí)間 ,經(jīng)歷了機(jī)械構(gòu)造、硬件方案、算法思路的不斷創(chuàng)新 ,這些創(chuàng)新體現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念上 ,也貫穿賽車制作過(guò)程的始終。 CMOS 攝像頭采集的賽道圖像信息、光電編碼器采集到的車體運(yùn)行速度是反饋控制系統(tǒng)的輸入量。 賽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)于賽車的整體結(jié)構(gòu)布局 (如圖 所示 ),我們主要思路是 :減輕車體重量 ,電路板模塊化處理 ,盡量降低并合理調(diào)整車體重心 。盡可能的降低了攝像頭高度 。第三章說(shuō)明賽車系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。第七章總結(jié)了整個(gè)制作過(guò)程中的創(chuàng)新點(diǎn)和不足之處 ,提出了下屆備賽過(guò)程的努力方向。重心位置是影響側(cè)翻的最關(guān)鍵的因素 ,所以設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量降低智能車的重心。微控制板與大功率驅(qū)動(dòng)板放在了一起 ,以減小電路板體積 ,達(dá)到減輕重量的效果。由于采用 CMOS 攝像頭式布置結(jié)構(gòu) ,為保證車模高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性并降低重心 ,將底盤離地間隙設(shè)為最低 9mm。它在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反的回正力矩 ,使車輪自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。 模型車通過(guò)增減黃色墊片的數(shù)量來(lái)改變主銷后傾角的 ,由于競(jìng)賽所用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)力矩不大 ,過(guò)大的主銷后傾角會(huì)使轉(zhuǎn)向變得沉重 ,轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲滯 ,所以設(shè)置為 0176。反之 ,角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。如果賽道比較滑 ,可以將這個(gè)角度再調(diào)節(jié)的大一些。左右 ,不宜太大。所以事先將車輪校偏一個(gè)正外傾角度 ,一般這個(gè)角度約在 1176。即可。情況好的 ,在減速剎車后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間還能轉(zhuǎn)回來(lái) ,駛上正常的軌道 。 ① 微控制器輸出周期延時(shí) 前面已經(jīng)提及 ,我們利用 K60微控制器內(nèi)部集成的 PWM模塊產(chǎn)生周期一定 ,占空比 (及脈寬 )可調(diào)的 PWM 波形。但是 ,當(dāng)在軟件中 改變了 PWMDTYx 寄存器中的值后 ,輸出 PWM 波的占空比并不會(huì)立刻改變。我們?cè)谲浖羞\(yùn)算得出需要的占空比對(duì)應(yīng) 的 PWMDTYx 寄存器的值 ,并將其賦值給 PWMDTYx 寄存器 ,如果這一時(shí)刻在 A 點(diǎn) ,即一個(gè)周期剛開(kāi)始的時(shí)刻 ,那么我們運(yùn)算得出的結(jié)果將要在緩沖器中保存 ,在下一周期開(kāi)始時(shí)才進(jìn)入 PWMDTYx寄存器 ,使占空比變成我們計(jì)算出的結(jié)果 。根據(jù)上面的敘述 ,當(dāng) PWM 波周期為 ,產(chǎn)生的延遲時(shí)間為0~。大賽指定使用的舵機(jī)工作電壓范圍為 5V 左右 ,在 時(shí) ,響應(yīng)速度時(shí) ,在 時(shí) ,響應(yīng)速度為 。轉(zhuǎn)動(dòng)到 60176?？梢哉f(shuō) ,舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影響智能車通過(guò) 彎道時(shí)的最高速度。 圖 舵機(jī)安裝方式 2. 提高舵機(jī)工作電壓。采用杠桿原理 ,在舵機(jī)的輸出舵盤上安裝一個(gè)較長(zhǎng)的輸出臂 ,將轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿連接在輸出臂末端。因?yàn)楫?dāng) CMOS 圖像傳感器不居中 ,其采集進(jìn)來(lái)的圖像也不是居中的 ,而處理程序?qū)Χ鏅C(jī)輸出量是居中的 ,這樣就會(huì)導(dǎo)致智能車在直道上也偏離賽道中央 ,即使可以通過(guò)程序校正 ,也會(huì)導(dǎo)致掃描到的圖像面積左右不對(duì)稱 ,會(huì)浪費(fèi)一部分圖像信息。而且當(dāng)攝像頭的安裝位置較高時(shí) ,所能掃描到的圖像靠近智能車的部分范圍較大 ,當(dāng)智能車偏離賽道一定距離時(shí) ,依然可以掃描到黑線 ,這樣會(huì)便于圖像的算法處理。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)和總結(jié) ,我們對(duì) CMOS 圖像傳感器的遠(yuǎn)度進(jìn)行了標(biāo)定 ,對(duì) CMOS 圖像傳感器的采集的圖像信息進(jìn)行了中 心位置的校正。 電路板安裝 電路板應(yīng)安裝于智能車的最低的部位 ,并且固定于底盤。 圖 電路板的形狀與安裝 硬件設(shè)計(jì) 總體方案 系統(tǒng)硬件電路主要由一塊 PCB 板構(gòu)成 ,集成了整個(gè)系統(tǒng)的邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)由于其低功耗特點(diǎn) ,在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí) ,可以減少散熱片的體積和 PCB 板的面積 ,有時(shí)甚至不需要加裝散熱片 ,方便了電路設(shè)計(jì)與使用 ,提高了穩(wěn)定性能。所以在主電機(jī)電源和單片機(jī)電源系統(tǒng)之間加了一極π型濾波器。 圖 CMOS 電源電路 傳感器模塊 攝像頭的選擇 目前市面上常見(jiàn)的攝像頭主要有CCD 和 CMOS 兩種 :CCD 攝像頭具有對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn) ,但需要工作在12V 電壓下 ,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)過(guò)于耗電 ,且圖像穩(wěn)定性不高 。其中數(shù)字?jǐn)z像頭 OV7620 可以直接輸出 8 路數(shù) 字圖像信號(hào) ,使主板硬件電路的簡(jiǎn)化成為可能 ,且能夠達(dá)到 60 幀 /S的幀速率 ,只需要對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置 ,因此 ,最終我們選擇了 CMOS 數(shù)字圖像傳感器的方案。為了將此信號(hào)放大整形 ,設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路 ,其基本原理是使用一個(gè)運(yùn)放做成比較器電路 ,調(diào)節(jié)參考電壓 ,使輸出變?yōu)?0/5V 的方波信號(hào) ,送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。 緊湊的封裝使得這些器件適于空間受限應(yīng)用 ,如小型執(zhí)行器、傳感器模塊和轉(zhuǎn)向柱集成模塊。系統(tǒng)的基本軟件流程為 :首先 ,對(duì)各功能模塊和控制參數(shù)進(jìn)行初始化。 黑線的提取和圖像中心的計(jì)算 原始圖像的特點(diǎn)及校正 在單片機(jī)采集圖像信號(hào)后需要對(duì)其進(jìn)行處理以提取主要的賽道信息 ,同時(shí) ,由于起點(diǎn)線的存在 ,光線、雜點(diǎn)、賽道連接處以及賽道外雜物的干擾 ,圖像效果會(huì)大打折扣。下面對(duì)坐標(biāo)校正的方法進(jìn)行具體的介紹。 黑線的提取 和中心的計(jì)算 由于智能汽車大賽在第八屆對(duì)規(guī)則進(jìn)行了改變 ,其中最為明顯的就是在小S 彎處設(shè)置了長(zhǎng)為一米的虛線 ,這就為我們黑線的提取增加了難度。同理 ,對(duì)于右邊界 ,如果右邊兩列小于閾值并 且左邊一列大于等于閾值 ,則判斷為右邊界 。否者 ,搜索下一行的左右邊緣 。 當(dāng)左 (右 )邊界的結(jié)束行小于右 (左 )邊界的開(kāi)始行時(shí) ,如果按照步驟 (2)來(lái)計(jì)算賽道中心線的位置會(huì)出現(xiàn)中心線不連續(xù)的情況。因此 ,對(duì)于起跑線的精準(zhǔn)識(shí)別顯得至關(guān)重要。 分類進(jìn)行方向控制算法 直道的方向控制算法 對(duì)于賽道中的直道 ,是方向控制中最好處理的一種情況 ,因?yàn)橹灰≤嚊](méi)有偏離賽道 ,就可以不進(jìn)行偏轉(zhuǎn) ,而當(dāng)智能車偏離賽道時(shí)也只需要一個(gè)較小的偏轉(zhuǎn) ,讓智能車能緩慢回歸賽道就可以了 ,具體的方法是計(jì)算掃描到黑線的偏離中心線的平均值和黑線的斜率 ,再將這兩個(gè)數(shù)分別乘上各自的比例系數(shù) ,加上舵機(jī)偏向中心位置時(shí)需要給出的高電平的值 ,作為 PWM 波的高電平送入給舵機(jī) ,就可以實(shí)現(xiàn)直道上的智能車方向控制了。急彎的方向控制比大彎更難 ,很可能出線 ,因此在急彎的方向控制時(shí)更應(yīng)多加注意。 “小 S 型”道的方向控制算法 “小 S 型”道一般是指“ S 型”道最靠左的黑線和最靠右的黑線之間相差