【導(dǎo)讀】第四屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生。附件B基于“弦切法”的賽車控制算法研究。本人完全了解第二屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請(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)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方。案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、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。

　　

【正文】 M3 使用 SB PWMCLK_PCLK7 = 1。 //PWM7 使用 SB PWMPER45 = CH_SA_FREQ / ServoFreq。 //寫 PWM45 的周期寄存器 ， 給舵機(jī) PWMPER23 = PWMPER67 = CH_SB_FREQ / MotorFreq。 //寫 PWM23,PWM67 的周期寄存器，提供給直流電機(jī) PWMPOL_PPOL5 = 1。 //極性為正 PWMPOL_PPOL3 = 1。 //極性相反 PWMPOL_PPOL7 = 0。 //極性相反 PWMCAE = 0x00。 //左對(duì)齊 PWME_PWME5 = 1。 //使能 PWM45 PWME_PWME3 = 1。 //PWM23 控制電機(jī)速度 PWME_PWME7 = 0。 第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 26 } 經(jīng)過以上處理后，如果總線頻率 Bus_Freq 改變的話，我只要簡單計(jì)算新的Bus_Freq 經(jīng) PWM_PRCLK (此處為 4 分頻 )分頻后的頻率，并將 CH_A_FREQ 聲明為新值，其它不作改變。如： Bus_Freq 開始為 32020000 經(jīng) 4 分頻（ PWM_PRCLK=0x22）得時(shí)鐘 A 頻率為 8 000000Hz，因此將 CH_A_FREQ 聲明為 8000000，經(jīng)公式 （ 4） 計(jì)算得 CH_SA_DIV = 4。若 Bus_Freq 改為80000000Hz，則 4 分頻后時(shí)鐘 A 頻率 20200000Hz，則將 CH_A_FREQ 聲明為20200000 則通過公式（ 4）計(jì)算得 CH_SA_DIV=10。之所以能這樣處理的原因是 PWMSCLA、 PWMSCLB 能夠進(jìn)行 1*2， 2*2 直到 255*2 的連續(xù)分頻，這樣CH_SA_DIV 可為 2～ 512 中任意一個(gè)偶數(shù)，而根據(jù)公式（ 4）處理恰好可得到 2～512 中的偶數(shù)之一。 2__ ____ ?? F R E QSACH F R E QACHD IVSACH 公式 44 同時(shí)本程序編寫可很方便地對(duì)舵機(jī)工作頻率進(jìn)行軟調(diào)： define ServoFreq 100 //表示舵機(jī)工作頻率為 100Hz。根據(jù)公式 ： Se r v oF r e qF R E QSACHP WMP E R __45 ? 公式 45 計(jì)算得 PWMPER45=10000，而對(duì)應(yīng)舵機(jī)的 PWM 通道（本設(shè)計(jì)中舵機(jī)用的是 PWM45）的 PWM 周期根據(jù) 公式 42 得： SST )1(1 1010 46 ???? 即對(duì)應(yīng)舵機(jī)頻率為 100Hz。同時(shí)其占空比可根據(jù)公式（ 3）求取。由于PWPER45=10000，固 PWMDTY45 的值變化范圍為 1～ 10000，即對(duì)應(yīng)的占空比可調(diào)值有 10000 個(gè)。實(shí) 際中因舵機(jī)左右轉(zhuǎn)角位置限制使其可變的點(diǎn)數(shù)大概在 600個(gè)左右。同理直流電機(jī)可調(diào)范圍根據(jù)公式（ 6）可得 PWMPER23=200；即： 100%*201P W M D T Y 231P W M P E R23 1P W M D T Y 23 ????占空比 所以 PWMDTY23 變化范圍為 0～ 201。 整體來說，此部分初始化相對(duì)復(fù)雜，其范圍也要求較為嚴(yán)格，并且直接第 四 章 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 27 關(guān)系到舵機(jī)、直流電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，如果對(duì)應(yīng)舵機(jī)的PWM 通道的頻率設(shè)置過高（高于 200Hz），可以很明顯聽到舵機(jī)發(fā)出斷續(xù)聲響。 鍵盤初始化 本設(shè)計(jì)中鍵盤只是用來對(duì)小車的運(yùn)行模式進(jìn)行選擇，相當(dāng)于撥碼開 關(guān)。由于比賽前，賽道形狀是未知的，而且比賽時(shí)候又不能重新修改程序，為了在小車出發(fā)前，作最后參數(shù)調(diào)整，非常有必要設(shè)置撥碼開關(guān)，能夠根據(jù)賽道的實(shí)際情況和小車運(yùn)行情況作出合理的調(diào)整，從而取得更好的成績。本次設(shè)置的按鍵只有兩個(gè)，與單片機(jī)的 PA2 與 PA3 兩個(gè) I/O 相連。由于此款單片機(jī)的 PA 口本身具有上拉和下拉的功能，通過上拉使能寄存器 PUCR_PUPAE 設(shè)置對(duì)應(yīng)的 I/O 口是否具有上拉功能。在此說明一下，有些單片機(jī)的端口內(nèi)部具有上拉電阻，它和外部上拉電阻原理一樣，所實(shí)現(xiàn)的功能也是一樣的。當(dāng)端口上拉電阻使能時(shí)，若端口方向 寄存器（此處為 DDRA）置為輸出則不影響引腳電平；若端口方向寄存器置為輸入，輸入為低時(shí)，單片機(jī)的此 I/O 口可向外提供一定的電流（此款單片機(jī)最大為 20mA）。有些 I/O 口不具內(nèi)部上拉電阻，那么此 I/O 口對(duì)應(yīng)的引腳就相當(dāng)于一個(gè)三極管的集電極。 鍵盤的連線圖 如圖 所示 。 圖 按鍵連接圖（上拉） 說明：虛線以左為單片機(jī)引腳內(nèi)部原理圖，它相當(dāng)于一個(gè)集電極開路輸出，加上拉電阻。 PA3 為引出引腳。從圖中可以看到只需將按鍵一端接到單片機(jī)引腳上，另一端接地即可。如果 按鍵（ Button）沒有按下時(shí)，那么從 PA3 引腳讀入的值始終為邏輯 1；當(dāng)按鍵按下時(shí)， A 點(diǎn)電平被拉低，那么讀入值為邏輯 0。另一個(gè)按鍵接法相同。 補(bǔ)充：端口下拉，則按鍵的接法，如 圖 所示 ： 第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 28 圖 按鍵連接圖（下拉） 比較上拉和下拉，對(duì)應(yīng)按鍵接法也不同，如果上拉 中的 Button 接 VCC，則Button 不起作用；如果下拉 中的 Button 接地，則 Button 也是不起作用的。很多單片機(jī)初級(jí)用戶就會(huì)犯這種錯(cuò)誤，而且找不到問題的所在，這是很要注意的地方。 根據(jù)上面 的說明，參照附件中程序的 PORT_Init()、 KEY_Init()、 Speed_Init()三部分程序代碼，不難理解。從程序中可以知道，小車的速度有 9 個(gè)檔位，每當(dāng)預(yù)置一個(gè)檔位時(shí)， PB 口對(duì)應(yīng)的 LED 便滅掉，這樣就知道當(dāng)前的小車速度檔位了。以上就是系統(tǒng)主要初始化說明了，其它模塊初始化，請(qǐng)參照附件程序。 29 第五章 圖像采集 與路徑分析 圖像的采集與處理是 設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，從圖像數(shù)據(jù)的采集到數(shù)據(jù)的處理， 都不是一件容易的事。本次設(shè)計(jì)中 數(shù)據(jù)采 集 方案主要嘗試 了兩種方法， 一 是 采用片內(nèi) A/D； 二 是 采用硬件 二值化 ， 最終選用的是硬件二值化。 攝像頭 原理與選型 工作原理 按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。 對(duì)于 PAL 制式，攝像頭每秒掃描 25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場(chǎng)，先奇場(chǎng)后偶場(chǎng)，故每秒掃描 50 場(chǎng)圖像。奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行。可 見，每場(chǎng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間為 20ms。 攝像頭選擇 本次設(shè)計(jì)在攝像頭的選型上花了很長時(shí)間，并且因?yàn)榍昂蟛杉悸返淖兓?，?dǎo)致前后換了 6 個(gè)攝像頭。最終選用的是 卡默萊公司一款型號(hào)為： CM3125BHP4這款針孔攝像頭。 其 實(shí)物截圖如 圖 所示。第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 30 圖 攝像頭實(shí)物圖 表 性能指標(biāo)及規(guī)格 攝像頭選擇 的標(biāo)準(zhǔn)： 首先，由于賽道僅由黑白兩種顏色組 成，故只需要采用黑白攝像頭即可，第五章圖像采集與路徑分析 31 這樣同時(shí)也減輕了數(shù)據(jù)處理的壓力 。 其次，關(guān)于 攝像頭 線數(shù) ， 到目前為止 ，以 往歷屆參賽隊(duì)伍關(guān)于攝像頭選擇都有著比較一致的說法：線數(shù)不能太高，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的處理速度有限 ，并且 A/D的轉(zhuǎn)換速率也跟不上。 贊同這種說法，理由同上；不贊同這種說法，理由：上述普遍觀點(diǎn)都是建立在圖像數(shù)據(jù)采集方案為 A/D 基礎(chǔ)上的，但是如果不是基于這種采集方案的，如本次設(shè)計(jì)的最終方案，上面的那種普遍觀點(diǎn)就不適用了。有關(guān)內(nèi)容在后面有詳細(xì)論述。 最后 ，關(guān)于視角對(duì)于攝 像頭來說，視角越大，則在相同的放置角度下，視場(chǎng)范圍越寬。對(duì)于 智能車來說，視場(chǎng)越大則相對(duì)來說受到的外界光線干擾就 越多，這對(duì)于圖像采集來說并不利，而視場(chǎng)越小則能前 瞻的距離也受限 ，因此應(yīng)該選擇視角范圍在 45176。～ 70176。范圍之間。 圖像信號(hào) 簡介 圖像信號(hào)組成 圖 圖像信號(hào)組成 當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一低于最低視頻信號(hào)電壓的電平，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。然后，跳過一行（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)，接著就會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。此區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖它遠(yuǎn) 寬于（即持續(xù)時(shí)間長于）其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 32 場(chǎng)的到來。不過，場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾部分和下一場(chǎng)的開始部分，得等場(chǎng)消隱區(qū)過去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來。 圖像信號(hào)各參數(shù)測(cè)量 對(duì)于不同的攝像頭來說，由于制作工藝各方面的差異，因而各種信號(hào)持續(xù)的時(shí)間在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的基礎(chǔ)上會(huì)出現(xiàn)差異，由于這些信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻以及持續(xù)的時(shí)間直接影響到后期對(duì)圖像的采集上，因?yàn)樾枰崆皽y(cè)量清楚。 理論上 攝像頭的參數(shù)： 場(chǎng)周期為 20ms（每秒 50 場(chǎng)） ； 行周期 為 64us（每場(chǎng) 行 ， 其中偶場(chǎng)的第一行是一個(gè)半行） ； 場(chǎng)消隱寬度 =25 個(gè)行周期 =； 場(chǎng)同步寬度 = 個(gè)行周期 =160us； 行消隱寬度 =12us； 行同步寬度 =； 利用 數(shù)字示波器實(shí)測(cè)該款攝像頭圖像各 項(xiàng) 參數(shù)如下： 場(chǎng)周 期 20ms； 場(chǎng)同步信 號(hào) 200us； 行周期 64us； 行同步時(shí)間 ； 行消隱 12us。 視頻信號(hào)分離 由于攝像頭輸出的信號(hào)中含有消隱信號(hào)（包括行消隱和場(chǎng)消隱），這對(duì)于賽道信息提取是沒有用的，因而需要避免將這部分信號(hào)采到單片機(jī)中。這就需要有視頻分離芯片對(duì)視 頻信號(hào)進(jìn)行分離，將同步信號(hào)提取出來，供單片機(jī)判斷當(dāng)前是否是有效的視頻信號(hào)以及是第幾場(chǎng)第幾行的信號(hào)。 第五章圖像采集與路徑分析 33 本設(shè)計(jì)中采用的是行同步信號(hào)和奇偶換場(chǎng)信號(hào)作為判斷標(biāo)志。其中奇偶換場(chǎng)信號(hào)中奇場(chǎng)時(shí)該引腳輸出為高電平，偶場(chǎng)時(shí)該引腳輸出為低電平。由于在每一幀的圖像中，奇偶兩場(chǎng)的信號(hào)差別不大，為了節(jié)省空間，提高采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，我們選擇每一幀圖像僅采偶場(chǎng)，則判斷奇偶換場(chǎng)信號(hào)的下降沿。 比較器 在本設(shè)計(jì)中，關(guān)于視頻數(shù)據(jù)的采集進(jìn)入單片機(jī)不是通過 A/D 轉(zhuǎn)換，而是通過比較器。對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換，一方面受到單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換速度的限制，在不 做其他方面改變的情況下，每一行采到的點(diǎn)數(shù)非常有限，達(dá)不到分辨道路狀況的要求，而如果通過超頻或者降低 A/D 轉(zhuǎn)換精度的方法，或者是采用將攝像頭旋轉(zhuǎn)90176。的方法又會(huì)出現(xiàn)諸如單片機(jī)發(fā)熱量增加或者算法難度增加等不利影響。因此本設(shè)計(jì) 采用比較器來代替 A/D 的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。 比較器的選擇 在比較器的選擇方面，最主要是要考慮比較器轉(zhuǎn)換速率的問題。在攝像頭拍攝賽道時(shí)，由于黑線的寬度占整個(gè)賽道的 1/24，而行周期是 64us，有效信號(hào)實(shí)際只有 52us 左右的時(shí)間，這說明在離攝像頭較遠(yuǎn)的賽道上黑線所占的時(shí)間非常之短，而往 往前瞻的這部分賽道的情況是實(shí)現(xiàn)整個(gè)提前控制的關(guān)鍵所在，因而如果比較器的轉(zhuǎn)換速度不夠的話，將很可能導(dǎo)致黑線無法識(shí)別出來的現(xiàn)象。 在比較器的選擇方面我們先后選擇了 LM32 LM33 LM31 MAX901，它們的響應(yīng)時(shí)間分別為 10us、 300ns、 200ns、 8ns。最先使用的是 LM324，經(jīng)示波器觀察后發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)時(shí)間太長 ，約 10us，圖 是圖像信號(hào)和基準(zhǔn)電壓（ 左右）比較結(jié)果 ，從圖中可以明顯看到 LM324 的上升沿和下降沿都是跟不上圖像的變化的 。后來改用 LM339， 實(shí)際 轉(zhuǎn)換速度達(dá)到 600ns 左右 ，在攝像頭抖動(dòng)程度不太 大、前瞻在 1m以內(nèi)的情況下能夠滿足設(shè)計(jì)要求 。至于 LM311， 情況和LM339 差不多。圖 為 LM339 的比較結(jié)果。 第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告 34 圖 LM324 圖像比較結(jié)果 圖 LM339 圖像比較結(jié)果 但是在本次 設(shè)計(jì)中，由于采用的攝像頭為 600 線的，并且攝像頭的安裝高度從去年 的 40cm 降到 20cm，而前瞻從去年的 1m提高 至 本次設(shè)計(jì) 的 ，攝像頭基本是水平放置 的 ，這樣做的結(jié)果是：圖像的最遠(yuǎn)端到最近端的視場(chǎng) 寬度變化 很大， 圖像的遠(yuǎn)端黑線相對(duì)的寬度也就變小 。圖 為遠(yuǎn)端黑線，圖 為近端