基于飞思卡尔单片机的智能车设计

武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书课题名称：基于飞思卡尔单片机的智能车设计完成期限：2009 年 12 月 1 日至 2010 年 5 月 10 日院系名称 电子信息工程 指 导 教 师 沈满德 专业班级 电信 0621 指导教师职称 讲师 学生姓名 胡智 院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字 一、 课题训练内容通过以全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛为背景，设计一台能够自主循迹的小车。整个开发中，严格执行“飞思卡尔”杯智能车竞赛的比赛规则。二、 设计（论文）任务和要求(1) 查阅课题相关参考文献、技术资料，做好备份，以便以后查找；(2) 充分分析相关素材，比较多个方案，选择一种完成设计任务；(3) 分析和选取完成任务的技术途径和实施方法，第四周前上交毕业设计开题报告一份。开题报告内容与学校模板要求一致，字数不少于 2000 字；经指导老师检查合格后才能进行后续工作；(4) 补充必要的理论和技术知识，查找相关的元件、器件的参数资料；(5) 给出详细的系统设计说明书，画出原理电路图，分析各部分电路功能及原理；(6) 根据系统要求，进行硬件设计以及理论数据计算，给出相关参数；(7) 根据系统要求，给出系统控制的流程图，编写详细程序；(8) 根据系统要求，制作实物和安装调试；(9) 撰写毕业设计论文，内容和格式按学校要求执行， （具体要求在学校教务网的下载专区下载：设计论文规范、格式模板、任务书、开题报告、成绩记录等 9 个文件） 。三、 毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料主要参数：(1) 赛道为普通白色板，宽度为 60cm，赛道正中间为 2.5cm 的黑色普通胶带，铺设赛道地板颜色不作要求，它和赛道之间可以但不一定有颜色差别，跑道最小曲率半径不小于 50 厘米，跑道可以交叉，交叉角为 90 ，赛道有一个长为 1 米的出发区，计时起始点两边分别有一个长度10 厘米黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。(2) 须采用飞思卡尔半导体公司的 8 位、 16 位处理器 ( 单核 ) 作为唯一的微控制器，推荐使用 9S12XS128 ，9S08AW60 微控制器；(3) 比赛车模采用官方规定的本成品车模；(4) 模型车的电源采用官方的 7.2V/2000mA 的电池，舵机采用制定的s3010；(5) 车模改装完毕后，尺寸不能超过：250mm 宽和 400mm 长；参考资料：1 谭浩强.C程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社.2006.32 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车挑战“飞思卡尔”杯.北京：北京航空航天大学出版社. 2007年3月3 刘瑞新主编 Protel DXP实用教程 北京：机械工业出版社.2003 4 王威等编著 HCS12微控制器原理及应用 北京:航空航天大学出版社.20075 刘林，杨理，龙叶虹. 重庆邮电大学 AUTO-2 第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告.四、毕业设计（论文）进度表武汉纺织大学毕业设计（论文）进度表序号起止日期 计划完成内容 实际完成情况检查人签名检查日期1 2009.12.1-2010.2.1 开题报告并指定任务书2 2010.2.2-2010.3.1 学习单片机以及图像处理等相关知识3 2010.3.2-2010.3.31完成模块设计，确定硬件设计，初步编写系统程序4 2010.4.1-2010.4.29进行反复调试，确保软硬件的最佳结合点5 2010.5.1-2010.5.20 整理资料，完成论文的撰写注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照武汉纺织大学毕业设计（论文）规范执行。武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称 基于飞思卡尔单片机的智能车设计院系名称 外经贸学院 专 业 电子信息工程班 级 电信 0621 学生姓名 胡智一、 课题意义随着计算机技术、信息技术和控制技术的高速发展和广泛应用，智能控制技术取得了巨大的进展，而智能车正是最典型的一个例子，结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；它也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。这一切都预示着智能车有着极为广泛的应用前景。二、 智能车的发展状况智能汽车，是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集中地应用到自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，是典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。上世纪五十年代，美国 Barrett Electric 公司制造了世界上第 1 台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车” 。20 世纪 60 年代和 70 年代初，AGV 仍采用这种导向方式。但是，20 世纪 70 年代中期，具有载货功能的 AGV 在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输。在 20 世纪 70 年代和 80 年代初，AGV 的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发。在最近的 10-15 年里，各种新型 AGV 被广泛地应用于各个领域。单元式 AGV 主要用于短距离的物料运输并与自动化程度较高的加工设备组成柔性生产线。例如，自动导向叉车用于仓贮货物的自动装卸和搬运；小型载货式 AGV 用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配平台。除此以外，AGV 还用于搬运体积和重量都很大的物品，尤其是在汽车制造过程中用多个载货平台式 AGV 组成移动式输送线，构成整车柔性装配生产线。最近，小型 AGV 应用更为广泛，而且以长距离不复杂的路径规划为主。AGV 从仅由大公司应用，正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。至此出现了智能车的概念。目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶。这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行操作。通常，智能车接受辅助定位系统提供的信息完成路径规划，如由 GPS 等提供的地图，交通拥堵状况，道路条件等信息。三、 本文的研究内容本课题设计一个基于飞思卡尔 xs128 单片机的能够自主识别道路并行驶的智能车模。在模型车的制作过程中，最关键的问题就是如何探寻黑线，如何施以合适的控制策略来确保小车沿黑线尽可能快速稳定前进。而探寻黑线的准确与否将直接影响小车行进的稳定效果，故而，设计出准确的寻线系统是该智能车制作过程中最重要的环节。而寻线一般有两种方案，即光电传感器和摄像头，光电传感器简单易行，抗干扰能力强，但是其探测距离较短，不能对前方道路信息作成很好的预测判断，而且单个光电传感器的功能有限，需要较多的传感器构成光电阵列来检测，这样不仅增加了车辆的重量，不利于快速前行，而且也会使得小车过宽，严重影响其安全性。本课题采用摄像头，充分利用其探测距离长，道路可预测信息强的优点，对其采集到的道路信息进行分析处理，利用 PID 算法实现对小车行进的控制。根据摄像头对黑白灰度值不同的分辨率采集赛道的黑色引导线信息，根据得到的每帧图像信息，判断小车偏离黑线的程度，并确定前方赛道是直道、弯道抑或是 S 道，再根据各种不同的赛道，予以相应的控制策略，基于“进弯减速，出弯加速”的原则，并且以直线方式冲过 S 道以减少转弯浪费的时间，使小车能够提前准备转弯等动作，从而防止小车因为直道加速过大而使得转弯时速度难以减下来而冲出赛道，分析摄像头获得的图像信息，读入速度传感器获得的速度，利用增量式 PID 算法实现速度的闭环反馈控制。四、 研究方法本课题的主要研究内容是：以模型车体为基础架构以 FreescaleXS128 为主控芯片，制作出具有自主道路识别、自动调速能力的自适应控制智能汽车，因此从以下几个宏观的方向做规划安排：1 .硬件设计 小车的组装、系统优化 摄像头与舵机安装方案设计 电源模块、电机驱动模块，测速模块以及单片机模块的设计2 .软件设计 视频采集与去噪方案的实现 PID 算法的研究与实现 软硬件的统调五、 参考书目1 王庆有.图像传感器应用技术M.北京：电子工业出版社.2003.2 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车挑战“飞思卡尔”杯M.北京：北京航空航天大学出版社. 2007.3 刘瑞新.Protel DXP实用教程M.北京：机械工业出版社.2003. 4 王威.HCS12微控制器原理及应用M.北京:航空航天大学出版社.2007.5 刘林，杨理，龙叶虹. 重庆邮电大学AUTO-2第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告.R.重庆：重庆邮电大学，2007.6 李绍民.图像传感器在自主足球机器人中的应用R.辽宁：大连民族学院7 Freescale Semiconductor, Inc. MC9S12XS128 Device User Guide. 8 孙亮.自动控制原理M.北京：北京工业大学出版社. 1999.9 谭浩强.C程序设计（第三版）M.北京：清华大学出版社.2006.10Freescale Semiconductor ,Inc. MC33886 datasheet http:/www.zfa.cn指导教师签名： 2010 年 月 日摘 要本文详细介绍了一套智能车的寻线设计方案。由总到分的先从整体上介绍了该系统的硬件和软件设计思想，继而细分各模块详尽介绍具体设计。该智能车系统以 MC9S12XS128B 作为整个系统信息处理和发出控制命令的核心，基于摄像头采集的赛道信息，提取出黑线中心位置，并求得小车偏离黑线的程度，区分出道路形状，对此信息进一步处理以控制舵机的转向，通过速度传感器获得实时速度信息，利用增量式数字 PID 控制算法实现闭环反馈控制。文章详细介绍了图像采集模块、速度采集模块等信息采集模块和电机驱动模块和舵机驱动模块等动作执行模块的方案选取和电路设计原理，还介绍了系统调试方法策略。测试表明，该智能车能够很好的跟随黑色引导线，可以实现对应于不同形状的道路予以相应的控制策略，可快速稳定的完成的整个赛道的行程。关键字：Freescale； 单片机； 摄像头； 速度传感器； PIDABSTRACTThis article brings a complete model of intelligent car design which follows the black line closely and also describes the process of detail of the design. From the whole to detail, we introduce the design method of the hardware and software, and then we present every module of the model at large.The intelligent car system, with single-chip MC9S12DG128 as its information management and sending out control command center, uses image-sensor module based on camera to obtain lane image information, then abstract the black line on the contest lane, and calculates the position difference between the car and the black line, distinguishes the different shape of the lane, then we analyze and deal with the information farther to control the steering angle. This article introduces the scheme selection and the circuit design theory of the information collection module which comprises the image collecting module and speed collecting module and action executing module which includes the motor drive module and steer drive module.The experimental evaluation indicates that the model car is able to follow the black line on the lane closely, realize the function that it executes corresponding control strategy toward different shape lane, and accomplishes the whole journey fast and steadily.Key words：Freescale；Single-chip； micro camera； speed sensor； PID 目 录1 引言11.1 发展现状11.2 方案简介1 1.3 文章结构22 系统整体框架22.1 系统整体框架22.2 系统硬件参数32.3 车模外形43 模块的基本方案及论证43.1 图像采集模块 43.2 速度采集模块 53.3 电机驱动模块 63.4 舵机驱动模块73.5 电源管理模块 73.6 调试模块73.7 最终决策方案 74 机械结构调整8 4.1 总体机械结构 84.2 摄像头的安装 84.3 系统 PCB 板的安装94.4 稳定性调整 94.4.1 主销后倾角94.4.2 前轮前束104.5 底盘抬高策略 104.5.1 后轮底盘升高104.5.2 后轮位置的固定 114.5.3 前轮底盘升高115. 信息采集模块 115.1 摄像头及其采集电路设计125.1.1 摄像头简介125.1.2 摄像头的工作原理125.1.3 摄像头路径识别原理 175.1.4 摄像头的选取185.1.5 摄像头提取信号 195.1.6 摄像头的安装195.2 速度检测电路 206 执行模块电路设计 206.1 电机驱动电路 206.2 舵机 217. 电源模块227.1 总体电源电路 227.2 单片机等 5V 稳压芯片的选择237.2.1 芯片的选择237.2.2 电路实现 237.3 CMOS 摄像头用电源247.4 舵机电源 248 系统软件设计258.1 概述 258.2 整体过程 258.3 MCU 简介 258.4 系统初始化268.4.1 摄像头初始化268.4.2 PWM初始化268.4.3 超频设置278.5 图像采集和黑线提取 278.5.1 图像采集278.5.2 黑线提取298.6 速度控制308.6.1 速度控制介绍308.6.2 简单沿线行驶策略318.6.3 最佳行驶路线策略318.6.4 速度获取339 开发工具、制作调试过程339.1 软件开发平台Codewarrior IDE339.1.1 Codewarrior IDE 功能介绍339.1.2 Codewarrior IDE 基本使用方法339.2 辅助调试方法3510 结论35参考文献37附 录38外文资料55中文翻译64致 谢73武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文11 引言1.1 发展现状智能汽车，是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集中地应用到自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，是典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶。这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行操作。通常，智能车接受辅助定位系统提供的信息完成路径规划，如由 GPS 等提供的地图，交通拥堵状况，道路条件等信息。1.2 方案简介按照课题要求，需要制作出一个能够自主识别道路并行驶的智能车模。那么在模型车的制作过程中，最关键的问题就是如何探寻黑线，如何施以合适的控制策略来确保小车在不违背比赛规则的前提下沿赛道尽可能快速稳定前进。而探寻黑线的准确与否将直接影响小车行进的稳定效果，故而，设计出准确的寻线系统是该智能车制作过程中最重要的环节。而寻线一般有两种方案，即光电传感器和摄像头，光电传感器简单易行，抗干扰能力强，但是其探测距离较短，不能对前方道路信息作成很好的预测判断，而且单个光电传感器的功能有限，需要较多的传感器构成光电阵列来检测，这样不仅增加了车辆的重量，不利于快速前行，而且也会使得小车过宽，容易撞倒道旁边的插杆，严重影响其安全性。本文采用摄像头，充分利用其探测距离长，道路可预测信息强的优点，对其采集到的道路信息进行分析处理，利用 PID 算法实现对小车行进的控制。根据摄像头对黑白灰度值不同的分辨率采集赛道的黑色引导线信息，根据得到的每帧图像信息，判断小车偏离黑线的程度，并确定前方赛道是直道、弯道抑或是 S 道，再根据各种不同的赛道，予以相应的控制策略，基于“进弯减速，出弯加速”的原则，并且以直线方式冲过 S 道以减少转弯浪费的时间，利用摄像头得到信息的预测方向，使小车能够提前准备转弯等动作，从而防止小车因为武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文2直道加速过大而使得转弯时速度难以减下来而冲出赛道，分析摄像头获得的图像信息，读入速度传感器获得的速度，利用增量式 PID 算法实现速度的闭环反馈控制。1.3 文章结构本文详细介绍了智能车模型的设计方案，由总到分的先从整体上介绍了该系统的硬件和软件设计思想，继而细分各模块详尽介绍具体设计。第二章介绍了系统的整体框架；第三章分析和论证了各模块的选择方案；第四章介绍了系统机械结构的调整情况；第五章介绍了系统的信息采集模块；第六章介绍了执行模块的电路设计；第七章介绍了电源模块的电路设计；第八章介绍了系统软件设计；第九章介绍了开发工具、制作调试过程；第十章为全文结论。2 引言2.1 系统整体框架为了使小车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能地高速前进，小车必须具备一套集导引线检测并实时控制汽车速度、姿态的智能处理单元。小车主要由以下几大部分组成：信息处理芯片 MC9S12XS128，图像采集模块，速度采集模块，电机驱动模块，舵机驱动模块，电源管理模块，调试模块。整个系统的结构示意图 2.1 所示: M C 9 S 1 2 X S 1 2 8图 像 采 集 模 块速 度 采 集 模 块电 机 驱 动 模 块舵 机 驱 动 模 块键 盘 调 试 模 块电 源 管 理 模 块图 2.1武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文3工作过程：系统将图像采集模块，速度采集模块采集到的路况信息、速度信息送至整个系统的核心部分 MC9S12XS128 进行分析处理，然后发出相应控制命令输出到执行模块的电机和舵机执行适宜的速度和转向动作，配以键盘方便实时调试，进而实现整个系统的闭环反馈控制。在整个系统中，信息处理芯片 MC9S12XS128 是控制整个系统的大脑，负责信息的接收，处理以及执行命令的发出；电源管理模块是该系统的能源中心，负责向系统中各个模块提供其功能实现所需能量；调试模块是系统功能实现的辅助模块，方便快速实时调试。2.2 系统硬件参数经过多次的调试验证，在遵守参赛规则的基础上，根据本设计的软件算法，并综合硬件设计思想，我们最终确定了小车系统的各硬件参数：系统 PCB 板的设计安装，摄像头安装的倾斜角度、高度及距离前轮距离等，表 2.1 硬件参数项目 参数路径检测方法（赛题组） 摄像头车模几何尺寸（长、宽、高） （毫米） 280，163，370车模轴距/轮距（毫米） 轴距约 200mm;前轮距约 135mm;后轮距约 145mm车模平均电流（匀速行驶）(毫安) 3200mA电路电容总量（微法） 300传感器种类及个数 摄像头 1 个，编码盘 1 个新增加伺服电机个数 0赛道信息检测空间精度（毫米） 6mm赛道信息检测频率（次/秒） 50 次主要集成电路种类/数量 2 片 MC33886车模重量（带有电池） （千克） 1.42kg2.3 车模外形武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文4经过多次的程序调试与硬件改造之后，最终确定了车模硬件各个模块的安装方式，系统安装如下图示：图 2.2 总体结构3 模块的基本方案及论证3.1 图像采集模块为了探测小车前进过程中的路况信息，以及小车在沿黑线行走过程中的偏离黑线的程度等行驶状态信息，以便通过此信息来指导 MCU 应该怎样对执行部分发出命令，我们有以下几种方案：方案(一)、使用红外发射接收管用红外发射管发射出的红外线，经过赛道反射回来后，由于白纸和黑线吸收红外线的强度不等，不同位置上的红外接受管会接收到强弱不同的红外光，对于白纸，红外发射管发出红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接受管接受到红外线，三极管导通，比较器输出低电平，武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文5而对于黑线，红外线被黑色吸收，三极管截至，比较器输出高电平，由此可以判断出黑线相对小车的位置。优点： 抗干扰能力强、可靠性高，不会因为周围环境的差别而产生不同的结果，可以减少在安装时产生的差异带来的误差和干扰，使安装更加简便。缺点： 作用距离有限，不能对黑线进行远距离探测，预测性弱，速度快时很容易冲出跑道；而且规定红外传感器最多只可以用16 个，所以它对黑线的探测不能完全覆盖，可能出现漏检。方案二、采用红外传感器与CCD(CMOS)摄像头相结合优点： 兼顾了红外传感器抗干扰能力强以及摄像头作用距离远、视角范围大的长处。缺点： 设计难度大，红外传感器与摄像头需要配合寻迹，它们对舵机和电机在方向和速度上的控制需要巧妙的仲裁算法（对采集的信息判断优先级）进行区分；运算量大，需要占用相当多的MCU 资源。方案三、直接采用摄像头优点： 作用距离远，道路信息预测能力强，不易出现由于黑线检测不及时而冲出赛道的情况；而且摄像头对道路的探测精细，视角范围大不易出现黑线漏检的情况。缺点： 容易被干扰，受周围光线的影响大；运算量大，算法复杂，需要占用较多的MCU 资源。决策方案： 方案三从CCD(CMOS)摄像头采集的赛道图像中提取中心线位置，取代了光电传感器阵列，该方法彻底摆脱了光电传感器视野狭窄，分辨率低的特点，能够提供全面的路况信息。同时，由于电路的简化，缩小了体积，减轻了重量，使整车的功率分配更加合理有效，有利于小车更加快速稳定的行进。因此，本设计选用了方案三。3.2 速度采集模块为了能够提高小车的总体速度，就需要使其能在直道上全速行驶，在弯道上也能够以比较快的速度前进，这就需要有准确的速度信息采集方案，将小车的速度值随时采集送到 MCU，对速度进行闭环反馈控制，以使小车能够稳定高速的行驶。武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文6方案一、采用霍尔传感器在车轮上嵌入若干粒永磁铁，使用霍尔传感器进行检测。优点： 检测速度快，不会受光、温度等影响。缺点： 在车轮上合适的地方嵌入足够多的数量永磁铁相当困难。方案二、采用速度传感器脉冲计数将测速传感器安装在小车左后轮附近，在小车的靠近车轮的轴上安装一编码盘，这样就可用传感器检测黑线，产生脉冲，通过对脉冲进行计数的方式来测量小车的速度。优点： 原理简单，实现容易。缺点： 占用 ECT 资源。决策方案： 从各个方面综合考虑，以简单易行有效起见，我们最终选择采用方案二，而且我们对速度的检测并不需要完全的准确，利用脉冲计数的方式获得的速度值精度足够。3.3 电机驱动模块电机驱动对速度起着决定性的作用，考虑以下两种方案。方案一、电枢串电阻调速优点： 原理简单，控制设备也不复杂。缺点： 速度指标不高，调速范围不大，特别是低速时机械特性较软，调速的平滑性不高。同时，大量的能量消耗在串入的电阻上，不能满足电池供电系统低功耗的要求。方案二、直流脉宽调速（PWM）优点： 主电路简单，需要的功率器件少； 开关频率高，电流容易连续，电机损耗和发热都小；动态响应快，动态抗干扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小。缺点： 在开关过渡过程损耗大，会在供电回路中产生谐波。决策方案：电机驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。MC33886 为桥式驱动电路，通过控制输入的信号，可以控制两个半桥的通断来实现电机的顺转与倒转。详细分析比较后，最后确定电机驱动电路由两片 MC33886 芯片并联构成，使用双路 PWM武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文7信号进行驱动。3.4 舵机驱动模块方案一：因为舵机的电源在 4.5-6V 的范围内，电流 100mA 左右，故而我们从电池电压通过串联两组二极管来获得，为了防止电流过大烧坏二极管，每一组二极管有 3 个二极管并联而成。方案二：采用稳压芯片将电池电源直接降压并稳定到 6V。决策方案：经过实验测试，为了保证舵机的稳定工作，使用稳压芯片将电压降到 6V 对舵机进行供电，选择方案二。3.5 电源管理模块为了保证各个部件的正常工作，电源的供给是十分重要的，需要对配发的标准车模用蓄电池进行电压调节。单片机系统、摄像头、车速传感器电路，等各个电路的工作电压不同，需要想办法来使得电压满足各自的要求，一种方法是利用升压或降压的芯片来达到它们的要求，另一种方法是利用双电源供电的方法，来实现各模块的不同需要，由于电路模块较多，该方案中仍需要升压或降压芯片。实际应用中，我们确定采用升压降压芯片等来实现对各个模块的供电要求。而且，在电路设计中，考虑到由于电机驱动所引起的电源不稳定，在电源输入端，各芯片电源引脚都加入滤波电路。3.6 调试模块将键盘做成几种速度的选择，高速，中速，慢速，确定等几个功能。可根据不同的赛道，立即设定不同的速度。可在不改变任何软件的条件下，即时的根据周围环境的情况而设以相应的速度值。键盘输出口与单片机 IO 口相连。3.7 最终决策方案经过如上所述分析选择，最终确定各模块方案如下：（1）采用摄像头获取道路图像信息；（2）利用速度脉冲计数实现对速度的检测；（3）双路PWM 驱动电机；（4）专用稳压芯片为舵机供电；（5）采用各种稳压芯片为各模块供电，实现电源管理；武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文8（6）利用键盘实现实时调试。4 机械结构调整4.1 总体机械结构在最初的空体车模的基础上，我们在车的靠前部安装了采集道路信息的摄像头，在车模顶部安装了自己绘制的控制整个系统的 PCB 板（包括主办方提供的单片机最小系统），并在后轮（左轮）安装了编码盘，并在其对应位置装上了速度传感器。4.2 摄像头的安装本设计在模型车的最前端安装了一铝合金方柱来固定摄像头的安装，为了使得摄像头的探测范围合适，在离地端 1/3 处将方柱向小车中心位置弯曲至靠近前轮的位置，并置以三角增加其稳定性，柱子总高度为 500mm，摄像头距前轮轴心距离为 90mm，为了方便摄像头位置的调整，我们设计了一个连续可调支架，将摄像头用螺钉螺母稳定的固定于支架上，如果发现摄像头的视野范围太大或太小，可通过调整摄像头的上下高度和摄像头离支架的距离远近来实现对摄像头最佳位置的确定。实际安装情况见下图所示：图 4.1 摄像头的安装武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文94.3 系统 PCB 板的安装控制整个系统的 PCB 板安装于小车车体的顶部，利用电路板上的过孔与车模本身的定位孔相配合，将其固定。在车模最前部安装了一自制的方形铝合金空块，实现防撞功能，确保小车能够安全可靠的快速行驶。在小车左后轮轴上安装了 64 等分的编码盘，并在其对应位置上装上了一速度传感器模块，实现速度的实时检测。将电池固定于车模底盘上，整个系统重心稳定。主要的连线有：（1）摄像头的电源线和信号线，包括视频信号线和 5V 电源线；（2）舵机和电机接线，电机和舵机的电源和控制信号线；（3）测速装置的连线，编码盘的信号线以及电源线；（4）电池的接线。图 4.2 PCB 的安装4.4 稳定性调整4.4.1 主销后倾角主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩，阻碍车轮偏转。主销后倾角越大，车速愈高，车轮偏转后自动回正力越强，但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并使转向沉重。可以通过增加垫片的数量来增大主武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文10销后倾角，共有 4 片垫片，前 2 后 2 时，后倾角为 0 度；前 1 后 3 时，后倾角为 2 度3 度；前 0 后 4，后倾角为 4 度6 度。为保证小车偏转后，能够较好的自动回正，本设计采用的是前 1 后 3，使得前轮倾斜角度为 2 度3 度。4.4.2 前轮前束俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现象称为前轮前束。车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。前轮是由舵机带动左右横拉杆实现转向的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小。为保证小车在行驶中，不易出现滑动的不良情况，故在本设计中，调整前轮前束使得前轮向内倾 1 度左右。4.5 底盘抬高策略因为赛道中增加了坡道，为保证小车能够安全平稳的爬上坡道并顺利通过，抬高车模底盘显得十分必要。4.5.1 后轮底盘升高图 4.3 升高后轮底盘仔细对比图示中的高度调节块 1 和高度调节块 2，块 1 的左右两个缺口 1-武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文111 和 1-2 离中间空环心的距离相等，而块 2 的两个缺口 2-1 和 2-1 距离其中间空环心位置远近不同，2-1 比 2-2 离其环心距离远，通过将高度调节块 1 更换为高度调节块 2，可以实现将后轮底盘抬高。4.5.2 后轮位置的固定图 4.4 固定后轮位置图示为后轮轴上的螺母，可以通过紧固该螺母来调整后轮稳定性和电机性能。需要将该螺母位置调整到一个合适的程度保证后轮的稳定性，否则会出现后轮乱摆动的严重情况。4.5.3 前轮底盘升高图 4.5 底盘抬高情况图 4.6 非底盘抬高情况对比以上两种前轮底盘的安装，左图为提高底盘的安装方式，右图为未提高底盘的安装方式，其区别在于前者将左右底盘连接杆 L 和 R 交换，而后者保持原本连接，不交换 L 和 R。因此，通过交换左右底盘连接杆即可实现提高前轮底盘的功能。武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文125 系统总体硬件电路5.1 摄像头及其采集电路设计摄像头具有探测距离远，获取信息量大的优点。通过摄像头输入的数据，处理算法不仅可以提前预知前方道路的方向，而且还可以判断前方的道路是直道还是弯道，指导车速，执行拐弯动作等策略。5.1.1 摄像头简介（1）摄像头的发展摄像头作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的应用已变得越来越广泛。（2）摄像头的分类摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB 接口传输到计算机里。（3）摄像头的工作原理摄像头的工作原理大致为光线照射景物，景物上的光线反射通过镜头聚焦生成的光学图像投射到图像传感器表面上，产生光电反应然后转为电信号，经过模数转换转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中加工处理。（4）摄像头的主要结构和组件 镜头透镜结构：由几片透镜组成,有塑胶透镜或玻璃透镜。 图像传感器可以分为两类：CCD （电荷耦合器件）；CMOS（互补金属氧化物半导体）。 数字信号处理芯片（DSP）武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文135.1.2 摄像头的工作原理基于本次设计中对黑线的识别,只需要提取出被探测画面的灰度信息,不需要获取赛道色彩等其他信息,所以我们选择黑白模拟摄像头即可。黑白模拟摄像头的工作原理与黑白全电视信号的图像采集处理方式相同。因此，下面介绍黑白电视信号的工作方式，并借以一同说明了摄像头的工作原理。（1）全电视波形信号 将图像信号、复合同步、复合消隐、槽脉冲和均衡脉冲等叠加，即构成黑白全电视信号，通常也称其为视频信号 我国现行电视标准规定：以同步信号的幅值电平作为100；则黑色电平和消隐电平的相对幅度为75；白色电平相对幅度为1012.5；图像信号电平介于白色电平与黑色电平之间。各脉冲的宽度为：A. 行同步4.7s； B. 场同步160s (2.5 行，H 表示行，V 表示场)； C. 均衡脉冲2.35s； D. 槽脉冲4.7s； E. 场消隐脉冲1612s； F. 行消隐脉冲12s。在本设计中的摄像头各信号属性参数与上述电视标准相同。 我国广播电视扫描参数扫描方式：隔行扫描；行频：15625HZ； 场频：50HZ（帧频25HZ）；行周期:64us； 场周期：20ms；行正程时间：=52us； 场正程时间：=18.4ms；行逆程时间：=12us； 场逆程时间：=16ms；每帧扫描行数：625 行； 每帧显示行数：575 行；每场扫描行数：312.5 行； 每场显示行数：287.5 行。（2）隔行扫描所谓隔行扫描，就是在每帧扫描行数不变的情况下，将每帧图像分为两场来传送，这两场分别称为奇场和偶场。奇数场传送1、3、5、奇数行；偶数场传送2、4、6、偶数行。在我国电视信号中，隔行扫描解决带宽与闪烁感及清晰度的矛盾。这种扫描方式每秒传送50 场，即场频为50Hz，因而将有效地降低闪烁感，帧频却为25Hz，隔行扫描即减小了闪烁感，并使图像信号的带宽仅为武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文14逐行扫描的一半。（3）电视图像函数标准电视图像每帧是由 625 行组成的,分两场传送,奇数场传送第1，3，5,625 行；偶数场传送第 0,2,4,6,.,624 行(第 0 行和第 625 行实际只有半行)；可用图像函数表示为 f(x,y),其中 x 取连续值；而 y 取整数0,1,2,3,.,625,也就是令 y=行号。如果令 y=2m+z，(m=0,1,2,.,312；z=0或 1 ),那么,z=0 就表示偶数场图像；z=1 就表示奇数场,如图 5.1 所示。图 5.1 行号与 m 数标准电视体制还规定:场同步脉冲宽度为 2.5 行(每行时间=64 微秒)；场消隐脉冲宽度为 25 行,因此,m=0,1,2 为场同步脉冲占用;m=310,311,312,0,1,2,3,21,22 为场消隐脉冲占用,如图 5.2 和图 5.3 所示。武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文15图 5.2 场消隐占用行号(奇数场首) 图 5.3 场消隐占用行号(偶数场首)（4）帧坐标系与场坐标系在前面提到了每帧图像包含625行,分为奇偶两场传送，这样,可以采用两种坐标系来进行表达与分析计算。 帧坐标系如6.1.2.3节中所叙述的就是帧坐标系,它以奇数场场同步脉冲前沿所对的行为y=1，各行行号就是y的值,范围是0至625,取整数；以行同步脉冲前沿所在的列为x=0 ,从左向右按等间隔点数递增,其间隔和取值范围依需要的解算精度或分辨力而定。 场坐标系不分奇偶场,都以每场场同步脉冲前沿所对的行为y=0 ,各行的m数就是y的值,范围是0至312,取整数；x坐标的规定仍与帧坐标系相同。比较：采用帧坐标系解算精度较高,但只能每帧解算一次,也就是每隔40毫秒输出一组数据。采用场坐标系解算精度较低,但可以每场解算一次,也就是每隔20毫秒输出一组数据；所用电路硬件也简化许多,跟踪快速运动目标的系统中常被采用。在我们本次的设计中，使用的是场坐标系，每隔20ms 输出一帧图像数据。（5）时间与空间的对应一幅电视画面的传送是从左上角开始按照从左向右, 从上到下的顺序(并遵照隔行扫描的规定)传送的。这样,在电视信号(时间序列)中的一个时间点就与电视画面中的一个空间位置点有一一对应的关系。在帧坐标系中,若以奇数场场同步脉冲前沿为计时起点 t=0,则电视图像上坐标为(x,y)的一点 P 对应的扫描时间为：武汉纺织大学 2010 届毕业设计论文16t=(y-1)T/2+xT/N(y=奇数)t=(312+y/2)T+xT/N(y=偶数) 公式（ 5-1）其中，T=64微秒,为行扫描周期；N为每行x刻度点数。在场坐标系中,奇数场以场同步脉冲前沿为计时起点t=0；偶数场以场同步脉冲前沿为t=T/2=32 (微秒),则(x,y)点p对应的扫描时间t为：t=yT+xT/N 公式(5-2)（6）图象信号图象信号是由摄像头采集到的一行行、一场场被探测物信息的电信号。摄象管经电子束扫描将一幅图象的亮度分布进行象素分解，使之转变成按逐行逐场时间顺序排列的电信号。摄象管某时刻输出的电流信号正比于该时刻电子束所扫描象素的亮度大小。如图5.4（a）所示，其特点是：只有水平方向变化，而无垂直方向变化，所以它是按行周期变化的。图5.4 垂直条图形信号 图5.5 水平条图形信号按照信号幅度正比于亮度大小的原则画出一行的信号波形如图5.4（b）所示。由于图5.5（a）所示的只有垂直方向变化，而无水平方向变化，显然它是按场周期变化的。类似的，画出一场的信号波形如图5.5（b）所示。由此可见，因为图象亮度只有正值而无负值，所以图象信号也是单极性的。