【正文】 系統(tǒng)甚至實(shí)現(xiàn)無人駕駛。 第二章 系統(tǒng)整體框架 本章對(duì)系統(tǒng)硬件模塊方案和軟件控制方法進(jìn)行了選擇與論證。特別介紹了圖像處理中的各種技巧、PID 控制策略的應(yīng)用和起跑線識(shí)別算法的設(shè)計(jì)等問題 第六章 開發(fā)工具及其調(diào)試 本章對(duì)開發(fā)工具與調(diào)試方法作了簡單介紹。本文分層次展開硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。 智能車系統(tǒng)工作原理示意圖在本屆比賽中，組委會(huì)提供了多種單片機(jī)可供選擇，分為16位和32位兩種類型。最終使黑線的變化更加平穩(wěn)。第三章：機(jī)械設(shè)計(jì)任何的控制算法和軟件程序都是需要一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)整個(gè)軟件架構(gòu)和算法之前一定要對(duì)整個(gè)車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。我們?cè)诓殚喠艘淮蠖奄Y料的前提下，形成了自己對(duì)汽車原理的首先建立汽車行駛的數(shù)學(xué)模型（） 汽車行駛數(shù)學(xué)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?yán)碚摚?假設(shè)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(diǎn)交于車身中心所處道路位置的曲率中心。在實(shí)際調(diào)試過程中，要以理論為基礎(chǔ)，配合以上理論計(jì)算公式，尋找小車的輪速參數(shù)。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(tái)（圖 ），配置 FUTABA3010 型號(hào)伺服器（圖 ）和 RN260 電機(jī) （圖 ）。但是該車模也有一個(gè)缺陷，及其配置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶載能力比較差，電機(jī)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。因此，盡可能的去除車模上的冗余結(jié)構(gòu)很有必要。 第三 車模的整體布局應(yīng)該做到高效。 實(shí)體車型在調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，模型車過彎時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會(huì)因?yàn)檐囕嗈D(zhuǎn)向角度增大而增大。我們將前輪外傾角和前輪前束分別設(shè)為0 度、0mm，主銷稍微內(nèi)傾和后傾。 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?？紤]到舵機(jī)響應(yīng)時(shí)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(jī)，延長舵機(jī)臂桿至 33mm，并自行設(shè)計(jì)了舵機(jī)安裝支架，達(dá)到了很好的效果。光電編碼器的固定如圖 310 所示（歐姆龍500p）。裝齒輪時(shí)注意不要過緊也不要過松。我們主要是從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的： (1) 采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的比較器實(shí)現(xiàn)了圖像二值化的高速轉(zhuǎn)換，大大提高了圖像采集的分辨率； (2) 使用了由分立元件BTS7960制作的直流電動(dòng)機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的額定工作電流可以輕易達(dá)到100A以上，大大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證之后我們決定采用CMOS攝像頭?？紤]到智能車的實(shí)際速度控制對(duì)速度反饋信號(hào)波形要求不是太高，因此在滿足比賽要求的基礎(chǔ)上，我們使用了自制的光電編碼器來測速，從而盡量簡化電路。碼盤內(nèi)部經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 主板上集成了本系統(tǒng)的主要電路，它包括如下部件：電源穩(wěn)壓電路、最小系統(tǒng)板插座、攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器模塊、鍵盤接口、LCD電路、撥碼開關(guān)、指示燈等。賽會(huì)指定的鎳鎘可充電電池的額定電壓為 ，實(shí)際調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)其電壓實(shí)際值有時(shí)會(huì)達(dá)到8V 甚至于 8V以上。我們?cè)跍y試了許多類型的穩(wěn)壓芯片之后覺得采用了性能優(yōu)異的LM2596（圖 ） 。 LM2596驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案有 MOS 管，MC33886，BTS7960 三種主要的方案。原理圖如圖 。 穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)一體板第五章：軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的軟件程序是智能車平穩(wěn)快速尋線的基礎(chǔ)。 軟件各功能模塊設(shè)計(jì) 時(shí)鐘模塊時(shí)鐘基本脈沖是CPU工作的基礎(chǔ)。 對(duì)于X12， 可以利用寄存器SYNR、 REFDV來改變晶振頻率fOSCCLK，可以選用8MHz或16MHz外部晶體振蕩器作外時(shí)鐘。ClockA和ClockB均是由總線時(shí)鐘經(jīng)過分頻后得到，分頻范圍1—128，通過寄存器PWMPRCLK來設(shè)置，ClockSA和ClockSB是分別通過ClockA和ClockB進(jìn)一步分頻后得到的，分頻范圍為1—512，分別通過寄存器PWMSCLA和PWMSCLB來設(shè)置，計(jì)算公式為：ClockSA=ClockA/（2*PWMSCLA）ClockSB=ClockB/（2*PWMSCLB）通過寄存器PWME來控制PWM0—PWM7的啟動(dòng)或關(guān)閉。 ECT模塊X12得ECT具有8個(gè)輸入（IC）捕捉/輸出(OC)比較通道，可以通過設(shè)置TIOS寄存器選擇輸入或輸出比較功能。對(duì)于攝像頭圖像的采集我們需要用到兩個(gè)中斷，所以我們需要添加兩個(gè)中斷口到PE模式中來，對(duì)其捕捉脈沖的方式選擇、使能、端口的選擇進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好后編譯后便可直接使用。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽” ，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。攝像頭每秒掃描 25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描 50 場圖像。 原圖像采集前面提到了攝像頭圖像信息的特點(diǎn)，接下來將結(jié)合比賽賽道的圖像特點(diǎn)來提出相應(yīng)的黑線提取算法－邊沿檢測算法。通過實(shí)驗(yàn)可以基本上確定該閥值的大小，根據(jù)現(xiàn)場光線的變化影響會(huì)有略微的變化。該算法的主要過程為： 從最左端的第一個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)（30）開始依次向右進(jìn)行閥值判斷： 由于實(shí)際中黑白賽道邊沿可能會(huì)有模糊偏差，導(dǎo)致閥值并不是簡單的介于相鄰的兩個(gè)點(diǎn)之間，很可能要相隔兩個(gè)點(diǎn)（） 。因?yàn)槟繕?biāo)指引線是連續(xù)的，所以相鄰兩列的上邊緣點(diǎn)比較接近。結(jié)合賽道的特點(diǎn)針對(duì)性的利用邊沿檢測算法來提取黑線；實(shí)驗(yàn)表明，只要閥值取得合適，該算法不僅可靠，而且實(shí)時(shí)性較好。根據(jù)前面提到的最終以 10 行黑線信息作為彎、直道的判斷算法依據(jù)，采用最優(yōu)曲率算法進(jìn)行賽道判斷，下面簡單介紹一下該算法。（參考圖 、2） 賽道類型180176。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。位置式 PID控制算法：用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字PID控制器的基本算式（位置算式）如公式4： 公式（4）其中 T 是采樣時(shí)間，kp，Ti，Td 為三個(gè)待調(diào)參數(shù)，在實(shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，處理成形式如公式5：PreU=Kp*error+Ki*Integral+Kd*derror 公式（5）增量式 PID 控制算法：對(duì)位置式加以變換可以得到PID算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式（增量式），如公式6： 公式（6）我們?cè)趯?shí)現(xiàn)代碼時(shí)，處理成形式如公式7所示：PreU+=（Kp*d_error+Ki*error+Kd*dd_error） 公式（7）運(yùn)用 PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整三個(gè)比例系數(shù)， 即參數(shù)整定。所以實(shí)際調(diào)車過程中，采用了第二種方法。通過光電編碼器獲取的當(dāng)前速度值來調(diào)整電機(jī)的 PWM 占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于速度的閉環(huán)控制。在直道上車速平穩(wěn)，入彎、出彎時(shí)加減速響應(yīng)較快，比較好的完成速度的控制。進(jìn)而利用雙邊沿，實(shí)現(xiàn)彎急走外道，彎緩走外道。這樣就使賽車過 D形彎時(shí)，用時(shí)非常多。D形彎如圖 ：圖 D 形彎控制策略 3——超前轉(zhuǎn)向判斷方法： 由于攝像頭看的比較遠(yuǎn)，攝像頭看到圖像，單片機(jī)計(jì)算出轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速，舵機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路作出反應(yīng)，中間有一段延時(shí)。在實(shí)際的調(diào)試過程中這種方法起到了一定的效果。因此，只檢測兩邊黑點(diǎn)個(gè)數(shù)，這樣也可以客觀的反應(yīng)起跑線的特點(diǎn)，并且實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)這種方法比較準(zhǔn)確。在整個(gè)程序開發(fā)過程中，除采用匯編語言開發(fā)的方式外，還可使用 Metrowerks 公司為MC9S12 系列單片機(jī)專門提供的全套開發(fā)工具（Metrowerks Codewarrior IDE） 。 IDE在整個(gè)開發(fā)調(diào)試過程中，使用 Metrowerks 公司為 MC9S12系列專門提供的全套開發(fā)工具CodeWarrior IDE 開發(fā)環(huán)境，到現(xiàn)在，CodeWarrior 已經(jīng)出現(xiàn) CodeWarrior ，功能相比于以前有了許多提高。 Labview調(diào)試為了使賽車的速度，傳感器數(shù)據(jù)，舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度和速度PID有更明了的顯示，方便調(diào)試，我們編制的Labview上位機(jī)程序。這一方案使調(diào)試變得更加直觀和高效。這些數(shù)據(jù)給實(shí)際調(diào)試提供了一手的資料，使調(diào)節(jié)參數(shù)更加直觀。 、發(fā)射端 、畫圖表界面第七章：結(jié)論本文詳細(xì)介紹了基于CMOS攝像頭尋跡的智能車系統(tǒng)方案。 在硬件方面包括了電源分模塊供電、光電編碼器測速和驅(qū)動(dòng)電路等部分，軟件方面包括邊沿檢測算法，跟蹤檢測算法，舵機(jī)及電機(jī) PID調(diào)節(jié)和 Labview上位機(jī)下位機(jī)代碼的編寫以及LCD的人機(jī)交互等部分。在解決一個(gè)個(gè)問題之后，我們發(fā)現(xiàn)，我們的技術(shù)在不斷的成長，思想在不斷的成熟。 其次，我們要感謝系內(nèi)老師的關(guān)注與支持。附錄1：模型車技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)附錄1：程序源代碼34