课程设计格式

基于摄像头传感器的智能小车设计课程设计学生姓名：魏 武学 号：6100307142专业班级：自动化072指导教师：黄玉水0 一 0年1 月 10 日1. 课程设计目的页码2. 课程设计题目描述页3. 课程设计报告内容页4. 结论页1. 课程设计目的了解飞思卡尔智能汽车大赛的相关知识和技术使用2. 课程设计题目描述和要求基于摄像头传感器的智能小车设计3. 课程设计报告内容3.1系统总体设计1.1机械系统设计及实现智能车系统的总体工作模式为：CMO图像传感器拍摄赛道图像，输出 PAL制式 信号，经过信号处理模块进行硬件二值化，采用LM1881进行视频同步分离，二值化图像信号、奇偶场信号、行同步信号输入到MC9S12XS12微控制器，进行进 一步处理获得主要的赛道信息；通过光电编码器来检测车速，并采用MC9S12XS12的输入捕捉功能进行脉冲计算获得速度和路程；转向舵机采用PD控制；驱动电机采用PID控制，通过PW控制驱动电路调整电机的功率；而车 速的目标值由默认值、运行安全方案和基于图像处理的优化策略进行综合控制。1.1所示。根据智能车系统的基本要求，我们设计了系统结构图，如图g摄像头JLM1881图像处理模块光电编码器yMC9S12XS128IIC/SGI/SPI z*/上位机电机鼎动模块舵机转向模块在满足比赛要求的情况下，力求系统简单高效，因而在设计过程中尽量简化硬件 结构，减少因硬件而出现的问题。 MC9S12XS128LM188S像处理模块CMOS!像 头光电编码器电机驱动模块舵机转向模块上位机模拟图像信号奇偶场信号行同步信号二值化后图像速度信息 PWM23PWM01IIC/SCI/SPI 2.1车体机械建模 此次竞赛的赛车车模选用由北京科宇通博科技有限公司提供的B型车模，控制采用四轮驱动方案。，基本参数见表2.1 o 1可见原装车模的电池由两个部分连接而成，为了整车整体机械结构稳固，我们使用扎带固定电池，保证了电池在车运动 过程中不会振动。基本参数尺寸（min）轴距175前轮距150后轮距150模型车长265模型车宽175模型车高1452.2前轮倾角的调整在调试过程中，我们发现由于前轮轴和车轮之间的间隙较大，对车高速时转向中 心的影响较大，会引起高速转向下模型车的转向不足。 然而这里是规则中严禁改 动的部分，所以为了尽可能降低转向舵机负载， 我们对前轮的安装角度，即前轮 定位进行了调整。 前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和 减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外 倾和前轮前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位 置关系。在实际调试中，我们发现适当增大内倾角的确可以增大转弯时车轮和 地面的接触面积，从而增大车了地面的摩擦程度，使车转向更灵活，减小因摩擦 不够而引起的转向不足的情况。2.3底盘高度的调整在保证顺利通过坡道的前提下，底盘尽量降低，从整体上降低模型车的重心，可 使模型车转弯时更加稳定、高速。2.4电机与中间齿轮箱的调整模型车采用RS-380SH电机驱动，电机轴与齿轮箱之间的传动比为14 : 32（电机轴齿轮齿数为14，齿轮箱传动齿数为32 ）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装不恰当，会增 大电机驱动后轮的负载；齿轮配合间隙过松则容易打坏齿轮过紧则会增加传动阻 力。所以第二章机械系统设计及实现我们在电机安装过程中尽量使得传动齿轮轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不存在卡壳或迟滞现象。2.1摄像头的安装为了降低整车重心，需要严格控制 CMO摄像头的安装位置和重量，我们自行设 计了轻巧的铝合金夹持组件并采用了碳纤维管作为安装CMOS勺主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度， 使摄像头便于拆 卸和维修，具有赛场快速保障能力。摄像头的安装如图2.3所示。图2.3摄像头安装目前市面上常见的摄像头主要有 CCD和 CMOS?种：CC摄像头具有对比度高、 动态特性好的优点，但需要工作在12V电压下，对于整个系统来说过于耗电，且 图像稳定性不高；CMO摄像头体积小，耗电量小，图像稳定性较高。因此，经 过实验论证之后我们决定采用 CMO摄像头。对于CMO摄像头分为数字和模拟两种。采用了数字摄像头，我们选用了OV762O进行实验，对数字摄像头的可行性进行论证。经过实验，得出结论：数字摄像头 OV762O可以直接输出8路数字图像信号，使主板硬件电路的简化成为可能，且 能够达到60帧/S的帧速率，但需要对其内部寄存器进行适当设置，且受环境影响较大，适应性较差。因此，最终我们选择了CMO模拟图像传感器的方案。我们选用了黑白全电视信号格式 OV5116F型CMO摄像头采集赛道信息。OV5116P 是Omni Vision公司生产的较为典型的CMOS0像传感器模块，芯片阵列大小为 352X 288,有效光敏面为312X 215像素，电源是5 V(DC)，28个引脚的PLCC 型封装。摄像头输出的黑白全电视信号为 PAL制式模拟信号，每秒25帧，电视 扫描线为625线，奇场在前，偶场在后。3.1编码器考虑到智能车的实际速度控制对速度反馈信号波形要求不是太高，因此在满足比赛要求的基础上，我们使用了自制的光电编码器来测速，从而尽量简化电路。我们实验室使用线切割在直径为 30mm勺圆盘周围加工出100个细缝，使用红外光 电对射管作为采集码盘脉冲可鉴向的传感器。3.2电路设计方案智能车控制系统电路由三部分组成：MC9S12XS12为核心的最小系统板、主板、 ZLG7290键盘。最小系统板可以插在主板上，组成了信号采集、信号处理、电机 控制、舵机控制单元。为了减小电机驱动电路带来的电磁干扰，我们把控制单元部分和电机驱动部分分开来，排布在主板的两端。主板上集成了本系统的主要电路，它包括如下部件：电源稳压电路、最小系统板插座、视频同步分离电路、 AD转换电路、摄像头接口、舵机接口、电机驱动模块、编码器模块、键盘接口、 拨码开关、指示灯等。3.3.单片机最小系统板Freescale 16 位HCS12系列单片机也称 MC9S1系列，简称S12系列。MC9S12X 系列是HCS12系列的增强型产品，基于 S12 CPU内核，可达到25MHZ的 HCS12 的25倍的性能。S12X系列增加了 172条额外指令，可以执行32位计算（共280 条指令），总线频率最高可达40MHz并且具备完全的CAN功能，改进了中断处 理能力。S12X系列的CPU以复杂指令集CISC架构，集成了中断控制器，有丰富 的寻址方式。中断有7个优摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、 场同步信号、场消隐信号等。因此若要对视频信号进行采集，就必须通过视频同 步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。系统采用LM1881芯片对摄像头输出信号进行视频同步分离，得到奇偶场信号 0/E以及行同步信号IRQ,具体原 理不再赘述，电路如图3.8所示。0/E信号是周期为40ms的方波信号，奇场为 高电平，偶场为低电平，程序中只采集奇场或偶场图像信号。IRQ信号是周期为64us的方波信号，低电平标志每行的开始，波形如图3.9所示。图3.8视频同 步分离电路 图3.9 0/E、IRQ信号波形图3.34图像处理电路由于摄像头输出的黑白全电视信号为 PAL制式模拟信号，所以必须经过相应的图 像处理模块进行相应转换之后才能由单片机进行处理。解决方案有以下三种：(1)使用单片机内部A/D转换MC9S12XS12单片机具有A/D转换器的功能，但是速度较慢。实际使用发现，在 将单片机超频并且降低A/D转换质量之后，每行图像仍只能采集 78个点，使得 图像分辨率不高，赛道检测信息量不足。远远达不到我们的期望值，故放弃。(2) 使用外部A/D转换第五届全国大学生智能汽车竞赛技术报告14为此，我们尝试设计了 TLC5510芯片制作了外部A/D转换电路。TLC5510是美国 德州仪器(TI)公司生产的8位高速A/D转换器，它可提供最大20Msps的采样率。使用外部A/D转换器电路后，我们每行图像最多可以采集274个点，大大提高了 赛道检测的信息量并提高了信息处理的灵活度。 但我们在使用中发现用A/D转换 处理后的图像分辨率低，处理速度慢以至于使得单片机的内部资源得不到T-|_1MVED&NDncixnDKLSBiREFBSD：3AGNDD4ANALfKn TND*WREFTDREFTSDSfMSBsDDAVDDDVDACLKVDDDTICS* id图3.10外部A/D转换电路最充分的利用。外部A/D转换电路如图3.10所示。图3.10外部A/D转换电路(3)使用模拟电路对PAL信号进行转化 对PAL信号进行硬件二值化是为了降低 单片机的计算负荷，通过调节阈值而将灰度图像转换成黑白图像，这样就不需要用A/D转换就可以采集图像了。其最明显的优点在于普通10的操作速度要比A/D 快，使提高分辨率成为可能。由于通过模拟电路实现二值化比较容易实现，所以这个方案最快进入了测试阶段并取得了令人满意的效果，所以最后采用了此技术 路线而放弃了其它方案的研究。在对硬件二值化的研究中，我们也从数字比较器以及模拟比较器几个方向进行了 试探性研究，从图像的稳定性及清晰性等方面进行筛选，最终决定采用模拟电路搭建而成的比较器对图像进行二值化，电路如图3.11所示。利用示波器观察摄像头信号波形及对应电压比较器输出波形如图3.12所示。第三章硬件系统设计及实现图3.11边缘检测比较器电路图3.12摄像头信号波形及电压比较器输出波形335电机驱动电路电机驱动电路板为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由四支N沟道功率MOSFET管组成，额定工作电流可以轻易达到100A 以 上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：PWM信号输入接口、逻辑换向电路、死区控制电路、电源电路、上桥臂功率MOSFET 管栅极驱动电压泵升电路、功率 MOSFET管栅极驱动电路、桥式功率驱动电路、 缓冲保护电路等，电路如图3.14所示。电路中肖特基二极管IN5819保证了电平VB_1 VB_2低于 12V, VB_1 高于 MOTOR_AVB_2高于 MOTOR_B高电平用1表示，低电平用0表示。当Direction 为1时，经过74V1G14得到 in verted 信号为 0Breakdow n 为单片机输出的 PWM!号，in verted 和 Breakdow n 经过 74V1T08得到 IN_B 为 0, Direction 和 Breakdown经过 74V1T08得到 IN_A 与Breakdown信号相同。IN_A输入到IR2104，得到HO_1以及LO_1,都为方波 信号，幅值不同。IN_B为0,输入到IR2104，得到HO_2以及LO_2 HO_2为0， LO_2为 1。HO_1 LO_1 HO_2 LO_2分别连接 4 个 MOS?，此时 Q100在 HO_1为1时导通，为0时不导通，Q101在L0_1为1时导通，为0时不导通，Q102 不导通，Q103 直导通。因此电流从MOTOR A-12 V IN A -m-WrtSli_AVCC VB_ HDCOM LO74VLTOED3CI3 LN56L94.结论进行基于摄像头传感器的智能小车设计是一项综合了自动化所学的科目的项目， 有电路原理，数电，模电，单片机，自动控制理论，传感器，计算机控制基础， 收获挺大的，激发了我继续专研技术的兴趣。包括机械、电路以及最重要的控制算法的创新思想。在机械结构方面，我们分 析了舵机转向系统的改进办法，前轮束角和主销倾角的调整以及在其他细节方面 的优化。在电路方面，我们以模块形式分类，在最小系统、主板、电机驱动等模 块分别设计，经过不断实验，最后决定了我们最终的电路图。在程序方面，我们 使用C语言编程，利用比赛推荐的开发工具调试程序，经过小组成员不断讨论、 改进，终于设计出一套比较通用稳定的程序。 在这套算法中，我们结合路况调整 车速，做到直道加速、弯道减速，保证在最短时间内跑完全程参考书目：1 邵贝贝单片机嵌入式应用的在线开发方法M.北京清华大学出版社.2004.2 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例.北京：中国电力出版社，2005.3 王晓明电动机的单片机控制M 北京：北京航空航天大学出版社.2002.4 臧杰，阎岩汽车构造M 北京机械工业出版社.2005. 安鹏，马伟.S12单片机模块应用及程序调试J 电子产品世界.2006第211期.162-163. 张文春.汽车理论M.北京.机械工业出版社.2005.7 童诗白，华成英模拟电子技术基础M 北京：高等教育出版社，2001.8 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2000.9 谭浩强著.C程序设计.北京：清华大学出版社，2003.10 尹勇.Protel DXP电路设计入门与进阶M.北京：科学出版社，2004.11 Park K.H , Bien Z, HwangD.H. 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