【正文】 不斷的技術(shù)創(chuàng)新。該競(jìng)賽以智能汽車為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽，是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。 大賽按照傳感器類別的不同分為三個(gè)組別：光電組、攝像頭組、電磁組。在賽會(huì)規(guī)則的允許范圍內(nèi)，最快完成比賽的將取得最好成績(jī)。智能汽車，是一種集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，集中地應(yīng)用到自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，是典型的高新技術(shù)綜合體，具有重要的軍用及民用價(jià)值。1995年，一輛由美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)研制的無(wú)人駕駛汽車Navlab—V，完成了橫穿美國(guó)東西部的無(wú)人駕駛試驗(yàn)。在無(wú)人駕駛技術(shù)研究方面位于世界前列的德國(guó)漢堡Ibeo公司，最近推出了其研制的無(wú)人駕駛汽車。2000年6月，國(guó)防科技大學(xué)研制的第4代無(wú)人駕駛汽車試驗(yàn)成功，最高時(shí)速達(dá)76 km，創(chuàng)下國(guó)內(nèi)最高紀(jì)錄。目前，智能車領(lǐng)域的研究已經(jīng)能夠在具有一定標(biāo)記的道路上為司機(jī)提供輔助駕駛系統(tǒng)甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。通常，智能車接受輔助定位系統(tǒng)提供的信息完成路徑規(guī)劃，如由GPS等提供的地圖，交通擁堵狀況，道路條件等信息。 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。 第四章 硬件電路設(shè)計(jì) 本章主要介紹了自行設(shè)計(jì)的基于飛思卡爾單片機(jī)的最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)，電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊和速度傳感器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。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(jiǎn)單介紹。第二章：系統(tǒng)整體框架智能汽車系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。本文分層次展開硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。智能汽車的硬件系統(tǒng)由核心控制模塊(MCU)、傳感器模塊、電源管理模塊、存儲(chǔ)器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)接口模塊、無(wú)線通訊模塊和放電器模塊組成。 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。圖像采集單元，考慮到動(dòng)態(tài)性、功耗性以及復(fù)雜性，我們經(jīng)過對(duì)比最終選擇了CMOS的OV7620作為圖像采集傳感器。最終使黑線的變化更加平穩(wěn)。然后，小車的速度根據(jù)前方的路況自動(dòng)調(diào)整。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。本章的將主要介紹賽車車模的機(jī)械特點(diǎn)和調(diào)整方案。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(zhǎng)L桿AB，CD為前輪軸長(zhǎng)L前，后輪軸長(zhǎng)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。，設(shè)左輪轉(zhuǎn)向?yàn)椋逸喗欠謩e為，對(duì)于以上模型，顯然有如下關(guān)系：于是得到在理想狀態(tài)下，汽車的過彎時(shí)的轉(zhuǎn)角方程：公式（1）同樣也可以得到右轉(zhuǎn)時(shí)公式（2）采用第七屆“飛思卡爾”智能車大賽組委會(huì)提供的韓國(guó)Matiz系列1：10模型車的參數(shù)對(duì)公式（1），公式（2）進(jìn)行仿真。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)。車模的整理布局在很多方面決定了車模潛力的挖掘和技術(shù)水平的發(fā)揮，甚至在某些情況下影響著軟件設(shè)計(jì)和控制算法。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 ）。特別是傳動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)良，相比較與上屆的B型車模，該車模的動(dòng)態(tài)傳動(dòng)系統(tǒng)要好很多。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。這對(duì)于車模的整體質(zhì)量影響很大，以至于影響速度的發(fā)揮。因此，盡可能的去除車模上的冗余結(jié)構(gòu)很有必要。車模的穩(wěn)定不只是機(jī)械結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定，同樣也對(duì)電路的穩(wěn)定性有這很大的要求。 第三 車模的整體布局應(yīng)該做到高效。因此，車模能否做到高效是關(guān)系速度的一個(gè)重要指標(biāo)。 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。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便。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。 除了以上部分的調(diào)整外，還對(duì)主懸架彈簧松緊、底盤高度和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。 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。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)車模系統(tǒng)中延遲最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了減小此時(shí)間常數(shù)，通過改變舵機(jī)的安裝位置，加長(zhǎng)力臂可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度?？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(zhǎng)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。但是，這種方法太麻煩，并且在電機(jī)軸上裝光柵盤會(huì)影響電機(jī)的性能。光電編碼器的固定如圖 310 所示（歐姆龍500p）。我們用的齒輪是 17齒。裝齒輪時(shí)注意不要過緊也不要過松。 可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，我們對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開，使本系統(tǒng)工作的可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。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。我們?cè)趯?duì)電路進(jìn)行了詳細(xì)分析后，對(duì)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化，合理設(shè)計(jì)元件排列、電路走線，使本系統(tǒng)硬件電路部分輕量化指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。因此，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證之后我們決定采用CMOS攝像頭。在往屆比賽中，我們看到有不少參賽隊(duì)采用涉資攝像頭，本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，我們選用了OV7620進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)字?jǐn)z像頭的可行性進(jìn)行了論證。考慮到智能車的實(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(cè)速，從而盡量簡(jiǎn)化電路。雖然自制的光電編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是容易受到外部光線和灰塵的干擾，影響測(cè)速的精度。碼盤內(nèi)部經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)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。最小系統(tǒng)板可以插在主板上，組成了信號(hào)采集、信號(hào)處理、電機(jī)控制、舵機(jī)控制單元。 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。其他部分還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、BDM 接口和 SPI接口。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。 由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包括多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。我們?cè)跍y(cè)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 ） 。該芯片穩(wěn)定工作時(shí)所需要的外圍器件很少，使用方便。 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。MC33886 芯片的內(nèi)阻較大，發(fā)熱明顯，芯片較大引腳較多。原理圖如圖 。 BTS7960原理圖 74LS244電路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用兩片BTS7960并聯(lián)，一路PWM控制。 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)。在智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用了魯棒性很好的經(jīng)典 PID 控制算法，配合使用理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)霓k法，使在尋線中的智能車達(dá)到了穩(wěn)定快速的效果。 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)。MCU內(nèi)部的所有時(shí)鐘信號(hào)都來源于EXTAL引腳，也為MUC與其他外接芯片之間的通信提供了可靠的同步時(shí)鐘信號(hào)。 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。 PWM輸出模塊MC9S12XS128集成了8路8位獨(dú)立PWM通道，通過相應(yīng)設(shè)置可變成4個(gè)16位PWM通道，每個(gè)通道都有專用的計(jì)數(shù)器，PWM輸出極性和對(duì)齊方式可選擇，8個(gè)通道分成兩組，共有4個(gè)時(shí)鐘源控制。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