山东赛区-摄像头组-齐鲁工业大学-电光一队技术报告(1).docx

第九届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技 术 报 告 学 校：齐鲁工业大学队伍名称：齐鲁工业大学电光一队参赛队员：刘保坤胡 佳祝远欣带队教师：严志国关于技术报告和研究论文使用授权的说明参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期： 引　　言在制作小车的过程中，我们对小车的整体构架进行了深入的研究，分别在机械结构、硬件和软件上都进行过改进，硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，小车的寻线方式采用适应性较强的优化的位置加权的方法控制算法上，从PID到Bang-Bang,再到模糊PID都进行了一些研究摘要本文介绍了齐鲁工业大学电光一队智能车的整车设计方案，包括软硬件的设计以及一些调试方案本文详细的介绍了车模机械结构的设计，传感器的选择与安装，电源电路、驱动电路、角度测量电路的设计，图像处理和控制策略分析及调试方法介绍等内容该系统以飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机为控制核心，采用硬件二值化方法获取OV5116模拟摄像头信息以及角度测量信息，主要使用PID及模糊PID算法实现对车模直立、转向以及速度控制。

经过大量底层和上层测试，实验结果表明，该方案运行稳定关键词：智能车、MC9S12XS128、OV5116、模糊、PID目 录引 言……………………………………………………………………………………1摘 要……………………………………………………………………………………2目 录……………………………………………………………………………………3第一章 方案设计1.1智能车系统总体方案设计…………………………………………………………51.2 小结…………………………………………………………………………………6第二章 两轮直立车模运行原理 72.1 直立行走任务分解…………………………………………………………………72.2 车模平衡控制………………………………………………………………………82.3 车模角度和角速度测量……………………………………………………………92.4 车模速度控制………………………………………………………………………112.5 车模方向控制………………………………………………………………………112.6小结…………………………………………………………………………………12第三章 智能汽车机械结构调整与优化3.1智能汽车车体机械建模……………………………………………………………133.2 智能汽车传感器的安装……………………………………………………………133.2.1加速度计的安装…………………………………………………………………133.2.2 陀螺仪的安装……………………………………………………………………143.2.3速度传感器的安装………………………………………………………………143.2.4 OV5116摄像头的安装…………………………………………………………143.2.5 其他注意事项……………………………………………………………………153.3 小 结………………………………………………………………………………15第四章 智能车硬件设计4.1主控板设计…………………………………………………………………………174.1．1电源模块…………………………………………………………………………174.1.2硬件二值化………………………………………………………………………184.1.3电机驱动模块……………………………………………………………………184.2液晶屏………………………………………………………………………………194.3编码器计数电路……………………………………………………………………204.4 小结…………………………………………………………………………………20第五章 智能车软件设计 5.1 OV5116摄像头流程 ………………………………………………………………225.1.1 OV5116摄像头路径识别状态分析 ……………………………………………235.1.2 OV5116摄像头路径识别算法 …………………………………………………245.2 弯道的处理 ………………………………………………………………………245.2.1 对转向的闭环控制 ……………………………………………………………255.2.2 对坡道的处理 …………………………………………………………………265.2.3 对人字道的处理 ………………………………………………………………26第六章 系统调试 6.1 调试环境介绍………………………………………………………………………276.1.1IDE环境介绍 ……………………………………………………………………276.1.2 无线串口介绍 …………………………………………………………………286.2调试方法介绍………………………………………………………………………286.2.1摄像头调试方法…………………………………………………………………286.2.2 编码器调试方法…………………………………………………………………296.2.3 陀螺仪加速度计调试方法………………………………………………………29第七章 模型车主要参数 ………………………………………………………………30第八章 结 论……………………………………………………………………………31参考文献 ………………………………………………………………………………32附录 A:程序源代码 …………………………………………………………………33第一章 系统总体设计1.1智能车系统总体方案设计智能车系统的总体工作模式为：CMOS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、场同步信号、行同步信号输入到MC9S12XS128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，一路采用MC9S12XS128的输入捕捉功能进行脉冲计算，另一路则采用CD4520计数器计数，通过两路编码器得到的数据获得速度和路程；转向采用两轮差速方式，算法则采用PD控制；驱动电机采用 PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的功率；而车速的目标值由直立、速度控制和基于图像处理的优化策略进行综合控制。

根据智能车系统的基本要求，我们设计了系统结构图，如图1.1所示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光电编码器陀螺仪，加速度计OV5116摄像头高速AD采集LM1881 向控制 角度，角速度 车模行驶速度同步行中断信号 二值化图像上位机MC9S12XS128同步场中断信号 处理信息电机驱动模块电机控制信号 图1.1 智能车系统模块1.2 小结本章重点分析了智能汽车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计和总体结构，简要地分析了系统各模块的作用在今后的章节中，将对整个系统的各个模块进行详细介绍第二章 两轮直立车模运行原理2.1 直立行走任务分解 根据比赛规则要求，维持车模直立也许可以设计出很多的方案，本参考方案假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两个后车轮后轮转动由两个直流电机驱动因此从控制角度来看，车模作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电极的转动速度车模运动控制任务可以分解成以下三个基本控制任务，如图2- 1所示：(1)控制车模平衡：通过控制两个电机正反向运动保持车模直立平衡状态；(2)控制车模速度：通过调节车模的倾角来实现车模速度控制，实际上最后还是演变成通过控制电机的转速来实现车轮速度的控制。

3)控制车模方向：通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制车模直立和方向控制任务都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机，它们同轴相连，分别控制车模的直立平衡、左右方向在实际控制中，是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载电机上，只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务车模的速度是通过调节车模倾角来完成的车模不同的倾角会引起车模的加减速，从而达到对于速度的控制2.2 车模平衡控制车模平衡控制也是通过负反馈来实现的，与上面保持木棒直立比较则相对简单因为车模有两个轮子着地，车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜控制轮子转动，抵消在一个维度上倾斜的趋势便可以保持车体平衡了如图2.2所示图2.2 车体平衡假设倒立车模简化成高度为L，质量为m的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上假设外力干扰引起车模产生角加速度x(t) 沿着垂直于车模地盘方向进行受力分析，可以得到车模倾角与车轮运动加速度a(t)以及外力干扰加速度x(t)之间的运动方程如图2-3所示 图2.3车模运动方程对应车模静止时，系统输入输出的传递函数为： 此时系统具有两个极点一个极点位于s平面的右半平面，因此车模不稳定。

车模引入比例、微分反馈之后的系统如下图所示：图2.4 加入比例微分反馈后的系统框图系统传递函数为：，此时两个系统极点位于：，系统稳定需要两个极点都位于s平面的左半平面要满足这一点需要，由此可以得出结论，当时，直立车模可以稳定这与前面通过分析所得出的结论是一致的2.3 车模角度和角速度测量加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度竞赛规则规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度竞赛允许选用村田公司出品的ENC-03系列的加速度传感器它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度ENC-03角速度传感器以及相关参考放大电路如图2.4所示 图2.4角速度传感器及参考放大电路 由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号，我们通过以下方法来修正这个信号。

通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度如图2.5所示 图2.5 通过重力加速度来矫正陀螺仪 根据前介绍车模角度控制和角度测量方法，可以得到如下车模角度控制方案框图 图2.6 角度控制框图 该方案中采用重力加速度计和陀螺仪通过角度互补融合方式获取车模倾角和角速度。