【正文】 .............................................................................................................45參考資料 ...................................................................................................................................46附 錄 ...................................................................................................................................47附錄 A ..................................................................47 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁1 緒論 智能車競(jìng)賽背景介紹全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競(jìng)賽是教育部主辦的面向全國(guó)大學(xué)生的五大賽事之一（另外四個(gè)：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)）。前三屆比賽決賽分別由清華大學(xué)、上海交通大學(xué)和東北大學(xué)承辦。Freecale 公司是全球十大芯片制造商之一，在 8 位、16 位和 32 位微控制器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。我們對(duì)所能找到的資料進(jìn)行了認(rèn)真的分析和總結(jié)，從而確定了我們的設(shè)計(jì)思路。反觀一些速度很快的賽車，重心一般都比較低（有個(gè)別例外）。第二，提高圖像的分辨率，增強(qiáng)攝像頭及算法對(duì)光線的適應(yīng)性。第三，在算法設(shè)計(jì)上，要實(shí)現(xiàn)“抄近道”的跑法。如何實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化，是我們軟件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的問題之一。每個(gè)模塊只負(fù)責(zé)完成特定的功能，與其他模塊之間相對(duì)獨(dú)立。保持各模塊間接口定義不變，各模塊可以單獨(dú)升級(jí)換代，具有一定的通用性。比如：我們針對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行了改進(jìn)；此外，對(duì)數(shù)字?jǐn)z像頭模塊也進(jìn)行過改進(jìn)，提高了圖像的質(zhì)量。如果在調(diào)試中改動(dòng)了硬件，只需改變這兩個(gè)文件中的部分設(shè)置，其他部分程序不需要改動(dòng)。 圖 智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與設(shè)計(jì)為了使車能夠更穩(wěn)定的高速運(yùn)行，我們對(duì)這個(gè)車進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。所以，在整車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面我們進(jìn)行了三方面改進(jìn)：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)、前輪束角調(diào)整、底盤高度調(diào)整。 測(cè)速碼盤的安裝圖 測(cè)速安裝方式 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 在測(cè)速方面我們采用了透射式光電碼盤的方法，并且將碼盤固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，從而能獲取更多的脈沖。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時(shí)后傾的回正作用大，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用大。所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。我們?cè)谇奥飞显黾恿私M委會(huì)提供的兩個(gè)黃色墊片，將賽車前端的中心降低了 。齒輪傳動(dòng)部分安裝不恰當(dāng)，會(huì)增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載；齒輪配合間隙過松則容易打壞齒輪，過緊則會(huì)增加傳動(dòng)阻力。好的差速機(jī)構(gòu)，在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小，不會(huì)有遲滯或者過轉(zhuǎn)動(dòng)情況發(fā)生。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁3 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 硬件電路設(shè)計(jì)方案從最初進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)我們就定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：可靠、高效、簡(jiǎn)潔，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。簡(jiǎn)潔是指在滿足了可靠、高效的要求后，為了盡量減輕整車重量，降低車體重心位置，應(yīng)使電路設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔，盡量減少元器件使用數(shù)量，縮小電路板面積，使電路部分重量輕，易于安裝。為了減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路帶來的電磁干擾，我們把控制單元部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分分開，做成了兩塊電路板。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機(jī)電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的用途，而且在FLASH 存儲(chǔ)控制及加密方面也有很強(qiáng)的功能。背景調(diào)試模塊（BDM）。（5）2 個(gè) 8 通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁10 位精度；外部觸發(fā)轉(zhuǎn)變功能。（9）串行口：2 個(gè)異步串行通信接口（SCI）；2 個(gè)同步串行設(shè)備接口（SPI）；Byteflight 模塊。MCU 核心該部分包括 MCU 的 3 種存儲(chǔ)器（FLASH、RAM、EEPROM）；多電壓調(diào)整器，包括數(shù)字電路和模擬電路電源電壓；具有單線背景調(diào)試接口（BDM）和運(yùn)行監(jiān)視功能的增S12CPU；程序存儲(chǔ)器的頁面模式控制；具有中斷識(shí)別、讀/寫控制、工作模式等控制功能的系統(tǒng)綜合模塊（SIM）；可用于系統(tǒng)擴(kuò)展的分時(shí)復(fù)用總線端口，其中 A 口、B 口可作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器或接口電路時(shí)的分時(shí)復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線，E 口的部分可作為控制總線。該系統(tǒng)應(yīng)用在 BMW7 系列汽車中，主要用于安全氣囊系統(tǒng)中的時(shí)間臨界（Time Critical）數(shù)據(jù)的處理與傳輸。為減少電路板空間，我們?cè)O(shè)計(jì)的板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出，包括兩路 PWM接口，一路外部中斷接口，17 路普通 IO 接口。我們自行設(shè)計(jì)的 PCB 電路板尺寸為 38mm*40mm，在尺寸和重量上有了很大的改善。其中+ 穩(wěn)壓電路為加速度傳感器供電，使用串聯(lián)穩(wěn)壓芯片 TPS7333。為了提高電源的利用率，我們進(jìn)一步選擇 DC/DC 電源穩(wěn)壓電路。使用這個(gè)芯片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。輸入電壓相同，輸出電壓不同而已。電路圖不再重復(fù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。攝像頭通常有三個(gè)端子：電源端、地端和視頻信號(hào)端（有的還多出一個(gè)端子，那是音頻信號(hào)端）。具體而言（參見圖 ），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于）其它的消隱脈沖，稱為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。圖 攝像頭視頻信號(hào)攝像頭有兩個(gè)重要的指標(biāo)：分辨率和有效像素。我們的智能模型車自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用黑白全電視信號(hào)格式 CMOS 攝像頭采集賽道信息。這里有兩種可行的方法。我們使用了 LM1881 芯片對(duì)黑白全電視信號(hào)進(jìn)行視頻同步分離，得到行同步、場(chǎng)同步信號(hào)。通過這樣的接線，為軟件開發(fā)提供了多種選擇的機(jī)會(huì)，使程序更加靈活。事實(shí)上，不僅可以用場(chǎng)同步信號(hào)作為換場(chǎng)的標(biāo)志，也可以用奇偶場(chǎng)間的交替作為換場(chǎng)的標(biāo)志。33886 能夠控制連續(xù)感應(yīng)直流負(fù)載上升到 安培，輸出負(fù)載脈寬調(diào)制( PWMed)的頻率可達(dá) 10 千赫一個(gè)故障狀態(tài)輸出可以報(bào)告欠壓,短路,過熱的情況。C、≤V+≤28V。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁第二代驅(qū)動(dòng)電路改用兩片 MC33886 并聯(lián)，使用兩片 MC33886 將堵轉(zhuǎn)時(shí)通過電流的極限值提升了，這需要在設(shè)計(jì) PCB 板時(shí)采用合理的布線方案，以提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)還要為 MC33886 添加散熱盤，降低其工作時(shí)的溫度；為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了第三代驅(qū)動(dòng)電路。由功率 MOSFET 管搭建的驅(qū)動(dòng)電路原理如下圖：圖 由 MOSFET 管構(gòu)成的 H 型 PWM 變換器電路直流電機(jī)脈寬調(diào)速通過改變控制電壓的脈沖寬度來改變加在直流電機(jī)上的平均電樞電壓的大小,從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這時(shí),電機(jī)兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn),而且占空比越大,轉(zhuǎn)速越高。這里必須使用高速二極管。圖 為 TD340 的輸入電壓與輸出 PWM 間的特性曲線。直流電機(jī)的速度和方向可由外界輸入給 TD340 的信號(hào)來控制。圖 TD340 的電壓占空比特性曲線 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁本文所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖 所示。STP100NE04L 的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快,通路電阻低和電壓門信號(hào)低,適合于大電流和低電壓運(yùn)行。開關(guān)向下時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)。電容 C6 用于存儲(chǔ)能量并對(duì)通過電橋的電壓進(jìn)行濾波。 攝像頭在選擇攝像頭時(shí)，我們參照上屆比賽的經(jīng)驗(yàn)和前兩屆比賽各參賽隊(duì)的攝像頭選擇，對(duì)目前可選的各種攝像頭進(jìn)行了比較和實(shí)驗(yàn)。對(duì)于 CMOS 攝像頭又分?jǐn)?shù)字和模擬兩種。最終采用的 SS2022A2/B2 攝像頭具體參數(shù)如下：攝像頭參數(shù)：320 線；照度： ；輸出制式：PAL 制式標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)；鏡頭及視角： 92176。在第四屆的比賽規(guī)則中又增加了窄賽道和 的突起提示賽道，綜合以上三方面因素，賽車通過坡道和窄賽道時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減速。 去抖動(dòng)電路理想開關(guān)在外部敞勵(lì)作用下瞬時(shí)發(fā)生狀態(tài)改變， 導(dǎo)通電阻為零，當(dāng)然，這種開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中是找不到的。在按下單片機(jī)復(fù)位開關(guān)時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況。由于開關(guān)負(fù)載是內(nèi)部一個(gè) 63kW 的阻性負(fù)載，保證了開關(guān)使用壽命。避免 ESD 損壞必須考慮環(huán)境因素，例如濕度，濕度大可以減少 ESD現(xiàn)象，但不能完全杜絕。15KV 的 ESD 保護(hù)能力。循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺(tái)行為。2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行在 RTOS 之上的各個(gè)子任務(wù)，RTOS 根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行系統(tǒng)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度及異常處理。通過對(duì)兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，和實(shí)際智能車控制系統(tǒng)的要求選擇了前后臺(tái)系統(tǒng)。本軟件系統(tǒng)主要由初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊與控制決策模塊、速度回路控制模塊、轉(zhuǎn)向控制回路模塊等構(gòu)成，在主程序中對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用及控制。在該智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，所使用的單片機(jī)口線分配如表 1 下:表1端口分配MC9S12DB128 端口 Input / Output 作用PAD00 Input 視頻輸入信號(hào)/XIRQ Input 場(chǎng)同步信號(hào)PT0 Input 行同步信號(hào)PT1 Input 速度信號(hào)開 始系 統(tǒng) 變 量 及 功 能 模 塊參 數(shù) 初 始 化參 數(shù) 設(shè) 置一 場(chǎng) 圖 象 數(shù) 據(jù) 是非 采 集 完 畢 ？控 制 算 法圖 象 信 息 處 理 與 識(shí) 別其 他 任 務(wù)是 否 為 停 車 線 ？ 停 車 程 序NYYN 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 31 頁P(yáng)WM23 Output 舵機(jī)控制PWM01 Output 驅(qū)動(dòng)電機(jī)PWM67 Output 剎車TXD0 Output 串口輸出RXD0 Input 串口輸入PORTB Output 光電管顯示PB Input 參數(shù)設(shè)置 底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用到了 8 個(gè)單片機(jī)基本功能模塊：時(shí)鐘模塊、PWM 輸出模塊、外部中斷模塊、實(shí)時(shí)中斷模塊、ECT 模塊、AD 模塊、串口通信模塊以及普通 IO 模塊。鎖相環(huán)時(shí)鐘與外部晶振時(shí)鐘的倍、分頻關(guān)系由 SYNR、REFDV 兩寄存器決定。REFDV=3。該模塊有 4 個(gè)時(shí)鐘源，能分別控制 8 路信號(hào)。PWMCLK =0b00001000。 //Sb=B/2/10=1600KHZPWMCAE =0x00。 //a/4000=8kPWMDTY01=0。 //SA/4000=100HZ 10MSPWMDTY23=1415。 // IRQ select edge sensitive onlyINTCR_IRQEN=1。 //channel 0 input captureTCTL4_EDG1A=1。 ///0。TCTL4_EDG0A=1。//32/32=1M。 AD 模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊有 8 路通道，精度可設(shè)置為 8 位或 10 位。 // FAST CLEAR FLAG ALLATD0CTL2_ASCIE=1。ATD0CTL3_S8C=0。ATD0CTL5_DJM=1。ATD0CTL5_CB=0。另外，發(fā)送和接收可分開使能，模塊中還提供了多種避免傳輸錯(cuò)誤的選項(xiàng)。 // enable transmitter, enable receiver 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 35 頁 普通 IO 模塊S12 的所有 IO 通過端口復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)諸多功能，當(dāng)然它們也可以配置成普通IO。 圖像信息處理及道路識(shí)別程序設(shè)計(jì)由于圖像的格式是 PAL 制式，對(duì)于該制式的圖像，即將一幅圖像畫面分成兩場(chǎng)來掃描，第一場(chǎng)(奇數(shù)場(chǎng))掃描 1, 3, 5 等奇數(shù)行，第二場(chǎng)(偶數(shù)場(chǎng))掃描 2, 4, 6 等偶數(shù)行。在大量的測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，這樣的分辨率也足以滿足控制的需求。通過雙峰法計(jì)算出閾值，對(duì)賽道圖像進(jìn)行分割，閾值計(jì)算程序如下：if(i20)return((uchar)((max2+min2)/2(uchar)(Thresholdkp1*(max2min2)/100)))。由于黑色和白色底板之間的色差較大，直接放映在圖像數(shù)據(jù)中就是數(shù)據(jù)差值大于一個(gè)閾值，此閾值可以經(jīng)過試驗(yàn)確定。