哈尔滨工程大学(摄像头)-极品飞车1号技术文档

第六届全国大学生“飞思卡尔”杯

智能汽车竞赛

技术报告

学校：哈尔滨工程大学

队伍名称：极品飞车1号

参赛队员：王彦清、孟龙龙、贺浩

带队教师：管凤旭、张爱筠

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第五届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名：

带队教师签名：

日期：

摘要....................................................................................................... (1)

第一章智能车整体设计.................................................... . (2)

1.1 路径识别方案的设计论证................................................ . (2)

1.2 系统硬件结构设计 (2)

1.3 系统调试环境......................................................... (3)

第二章智能车硬件电路设计................................................. . (4)

2.1 电源系统............................................................. (4)

2.2 电机驱动电路设计..................................................... . (5)

2.3 视频信号采集系统..................................................... . (7)

2.4 XS128最小系统........................................................ . (8)

2.5 SD卡 (9)

2.6 智能车整体硬件电路设计 (10)

第三章智能车机械结构调整 (13)

3.1 摄像头安装 (13)

3.2 偏振镜的使用......................................................... . (14)

3.3 机械性能调整......................................................... . (14)

第四章智能车上位机设计.................................................. (18)

第五章智能车软件系统设计 (20)

5.1 整体程序介绍....................................................... . (20)

5.2 图像处理........................................................................................ . (22)

5.3 控制算法............................................................. . (24)

5.4 PID 控制算法及其改进形式的应用 (25)

第六章结论................................................................ . (31)

参考文献.................................................................... ……………………………….I

摘要

本文详细介绍了我们为第五届全国智能车大赛而准备的智能车系统方案。该系统以Freescale16 位单片机MC9S12XS128 作为系统控制处理器，采用基于的摄像头的图像采样模块获取赛道图像信息，通过软件算法提取赛道黑线，识别当前所处赛道，算出小车与黑线间的位置偏差，采用PID控制算法对舵机转向进行控制。通过光电编码器实时获取小车速度，形成速度闭环控制。调试过程中应用SD卡与上位机辅助。小车还将通过特定算法分析出前方的路况，并根据路况的不同而为小车分配以不同的速度。文中将介绍赛车机械结构和调整方法，赛车转向模块和驱动模块的设计、参数和有关测试，图像采样模块的摄像头工作机制以及安装选型、采样电路设计和采样策略。我们将说明本系统的舵机转向策略、速度闭环控制与速度分配策略。除智能车系统本身的介绍外，我们还将详细叙述该系统开发过程中所用到的开发工具、软件以及各种调试、测试手段方法。

关键词：智能车系统、图像采样、控制策略(识别和变参数控制)、调试测试Freescale16位单片机、MC9SXS128

第一章智能车整体设计

1.1 路径识别的方案设计论证

1.1.1 摄像头选择

由于对车体的控制方法都是基于对赛道黑线的准确提取与判断上的，所以对外界信息采集的唯一入口的摄像头传感器选择就显得尤为重要。本次比赛所选用的摄像头为CCD摄像头，在以往的比赛中，我们学校选用过CMOS数字摄像头。相比较而言，CMOS 数字摄像头硬件电路相对简单，工作电压低，电流小，功耗小，工作稳定。但是在动态图像的现实中不如 CCD 摄像头清晰，而且噪音比较大，灵敏度低。小车在高速运动情况下，不仅有小车沿赛道延伸方向的速度，还有位置校正带来的横向摆动，这样一来，黑线在曝光时间内不稳定，产生了图像不实。在这一点 CCD 摄像头有更大的优势，它噪音小，灵敏度高，信噪比大，所以我们选择CCD摄像头，以适应小车高速运动的情况。

1.1.2 图像采集方案

对由摄像头输出的 PAL 制式模拟视频信号的采集，我们尝试了变阈值硬件二值化，LM1881与外部AD采集方案。在此期间我们尝试了应用单片机自带ADC，但由于其采样频率较低，最后采用采样频率最高可达到 20M 的 TLC5510 对视频信号进行采样，用LM1881进行视场信号的同步分离。经过比对其优势很明显，对赛道的信息分辨的更为精确，最终该决定采用该方案。

由LM1881分离出的信号送入单片机自带的中断可以确定行信号及场信号，以便确定赛道信息的实时采集。前期我们一直用SD卡进行调试，这当然占用了单片机一部分处理时间，尤其是向SD卡内写数据，需要一定的时间。而且我们当时想把FAT32文件系统移植到单片机上，以便更好的进行图像信息的存储，可后来发现，这样占用单片机的资源及处理时间更多，因为FAT32文件系统的相关代码还是比较庞大的。用SD卡将车在赛道上跑的路况信息进行存储，以

便用上位机软件进行数据分析。主要用到的上位机软件有Microsoft Visual Studio 2008和matlab等。

1.2 系统硬件结构设计

本系统硬件结构主要由 HCS12 控制核心、电源管理单元、摄像头模拟信号采集电路、车速检测模块、转向伺服电机控制电路和直流驱动电机控制电路组成，其系统硬件结构如图1.1所示。

图1.1 系统硬件框图

1.3 系统调试环境

为了提高赛车对任意赛道的适应性，我们用AuoCAD画图并搭建了较为复杂的调试赛道，如图1.2。每年赛道的要求都有变化，今年在赛道上增加了虚线，对算法上的处理有一定要求，尤其是让车遇到虚线能稳定的通过，初期调试阶段车遇到虚线还是不稳定。我们先在较为简单的赛道段上增加虚线，随着算法的成熟，最后在几乎各种赛道段都增加了虚线，车都能较为稳定的通过，也进一步验证了算法的可靠性。

图1.2 调试赛道

第二章智能车硬件电路设计

为了使得电路更加紧凑、外部引线更少，我们独立设计了一块核心控制电路板。电路板上包括了 S12 单片机工作所必需的电源模块、时钟模块和复位模块，同时还包括了视频信号提取电路、电机驱动电路、BDM 调试电路的接口以及其他一些电路的接口等。

2.1 电源系统

在此控制系统中电源直接影响到整个系统的稳定性，例如电源电压波动很容易会引起单片机复位、视频信号采集不稳定等等。因此我们需要一个十分稳定的电源。CCD电源选择时，在比较和试用了多种芯片后，我们最终选用凌特公司的LT1170作为升压芯片，LT1170是一款高效率的开关稳压器，其输入电压与输出功率曲线如下：

图2.1 LT1170输入电压与输出功率曲线

LT1170能够在所有标准的开关配置中运作，包括降压、升压、反激式，正激式、负输出和“Cuk”型。一个大电流、高效率开关与所有的振荡器、控制器和保护电路一起集成在芯片之上。

LT1170用于许多独特之处，这些特点甚至连目前市售且使用难度大得多的低功率控制芯片都不具备。它采用自适应抗饱和开关驱动以允许宽变化范围的负载电流，并避免效率下降。对于待机操作，一种在外部启动的停机模式可以把总电源电流减小至50uA(典型值)。

稳压部分仍采用 LM2940，两级稳压减少摄像头电源的纹波，其电路原理图如图2.2，其中 VR1 为 LM2940。

图2.2 CCD电源原理图

在电容的选择上，由于规则上对最大总容量限制，我们经对比后选择了固态电解电容作为滤波与减少输入端的冲击，有比较优越的性能，同时我们可以用一些相对小的电容也可以满足摄像头电源对减小纹波的要求。关于普通电解电容、钽电容、固态电解电容的性能对比曲线如图2.3，其中图1为普通电解电容，图2为钽电容，图3为固态电解电容。

图2.3 几种电容性能曲线比较

对于系统 5V 供电采用一片 LM2940 作为稳压器件，而供给舵机的电压，根据其芯片的宽电压输入范围，我们采用MIC29152芯片稳压，其输出电压可以通过如图电阻R2调节至6V，保证电源电压变化时舵机的供电电压不变，从而不影响其响应性能。

图 2.4 舵机稳压电路

2.2电机驱动电路设计

关于电机驱动，我们做成模块，采用三极管做成相应的逻辑电路控制MOS 管IRF7832和IRF6679的导通和截止来控制直流电机的运作。其正面如图2.5，反面如图2.6所示。

图 2.5 电机驱动正面

图 2.6电机驱动反面

电机驱动的每一面构成一个半桥，正反面级联即可构成一个全桥，采用4路8位PWM实现对电机的调速控制，经过测试，电路的可靠性很高，对电机的驱动能力也可以满足要求。

2.3视频信号采集系统

摄像头采集电路的核心芯片为LM1881、TLC5510,其中LM1881是PAL制式的视频解码芯片，TLC5510是一款高速的ADC并行采集芯片，其采集频率最高可达到 20M，其高速采集特性满足了我们对视频信息处理时横向分辨率的要求，图2.7是我们视频信号采集部分的电路原理图。

图 2.7 视频采集系统原理图

2.4 XS128 最小系统

我们采用了自己设计制作的最小系统板，采用MC9SXS128芯片作为控制芯片。具有体积小，性能稳定的特点。主频最高可达到90M，图2.8为系统版原理图。

图2.8 最小系统板原理图

2.5 SD卡辅助调试模块

今年在调试时仍使用了上位机进行辅助调节。我们使用SD卡存储赛车运行数据，计算机辅助软件进行数据分析的方式来调试赛车在运行过程中的软件参数，实践证明，这种方式取得了比较好的效果，达到了预期目标。在实验过程中，SD 卡写数据部分给我们造成的障碍最大，如何在最短的时间内写入最多的数据，是对摄像头赛车调试时，能否存储更多赛道信息的关键。在调试过程中，我们的SD 卡数据写入波特率为 2500000，每一场的数据量为5k字节左右，所以我们采用隔场采集，隔场存储的方式。优点是保持了赛车运行时赛道信息的真实度和可视度，缺点是降低了控制频率，使赛车的稳定性和适应性下降。我们将赛车运行状态下的图像数据以及赛车处理后的数据保存在 SD 卡的固定扇区中，然后取回SD 卡，将其插入笔记本电脑的 SD卡插槽内，利用上位机软件进行信息读取，我们的信息主要分为150*30的 8位黑白点阵的原始图像，经过赛道信息提取后生成的 bmp 格式处理后的图像，处理后的赛道信息。这部分将在调试方法中仔

细介绍。SD 卡连接原理图如图 3.7所示（参考网上资料 3.3V 电源由 LM1117 提供）。此外因各个厂家所产的 SD 卡质量不同，且有高速、低速之分，所以选择SD卡亦十分重要。经试验对比最终我们选择PNY 的SD卡 (2G)。其实物图如图2.10所示。

图 2.9 SD卡电路原理图

图 2.10 SD卡实物图

2.6 测速电路设计

由于今年的车模是双电机，要对小车进行很好的控制就必须实时的监测小车的运行状态，即检测小车的运行速度。MC9SXS128系统板自带一路脉冲捕捉电路，可以测出一个电机的速度，另一个电机的速度我们采用74HC161芯片来计数测出电机的当前速度，其电路原理图如图2.11所示。

图2.11 电机测速电路

车体采用 500 线光电码盘对车速进行测量。码盘的输出送入单片机的脉冲计数器中和74HC161的CLK端，通过周期性的读取计数器的值，获得速度信息，用计数器值作为速度的度量。经过多次实验，电路的可靠性可以满足要求，能准确测得两电机的运行速度，这位程序上对电机的很好控制提供了保证。

2.7 智能车整体硬件电路设计

整体电路图如图 2.12，在整体设计图中我们添加了按键、拨码开关、数码管等外围扩展人机交互接口，添加了SPI通信接口，方便与上位机通信进行调试。系统电路实物图如图2.13所示。

图 2.12 整体硬件电路

图2.13 系统电路实物图

表2.1 车模硬件电路技术参数

驱动电机速度控制

4路8位的PWM输出

PWM0、PWM1、PWM2、

PWM3

电源7.2V

驱动舵机转向控制

1路16位PWM输出

PWM45

电源6V

两个测速传感器速度反馈

1个脉冲累加器外部引脚

PT7和74HC161的CLK

输入引脚

电源5V

摄像头图像采集

PORTB口

PT0、PT1、PT2口电源12V

串口和电脑、SD卡数据传输SCI0、SPI

控制板2个程序开始按键

2个I/O端口

PJ6、PJ7

8位拨码开关一个

8个I/O端口

PE0~PE7 复位按键1个

数码管一个

8个I/O输出口

PAD0~PAD7

整体电容电源系统1758uF 最小系统板61uF 主控板10uF

第三章智能车机械结构调整

作为对极限速度限制的一个重大因素，车模机械调整对智能车整体的重要性不言而喻。由于摄像头组别今年新换的车模型号，所以为优化车模机械结构，我们采取了很多方法。

3.1 摄像头安装

在摄像头安装方案上我们主要经历四个阶段，各个阶段的夹持机构图示如图3.1，单杆前置（1）、双杆简易夹持（2），双杆改进（3）到最后的单杆置后（4），期间还经历许多次微调。

图 3.1 摄像头加持示意图

最终我们选择了第四种安装方式，其优点是夹持牢固，结构简单，重量较轻等优点，并采用了碳纤维作为这撑杆，减轻了整车的重量，并降低了重心。3.2 偏振镜的使用

在赛道提取时，赛道的反光会引起许多不利变化，如起跑线的误识别，赛道

丢失。根据反射光均为偏振光的原理，为减少赛道反光对赛道信息的提取与判断，我们使用了偏振片，滤掉大部分反射光，使赛道信息提取更加准确。但由此带来一个负面影响，摄像头接收到光强度会减少一半，但我们经过实测后发现这个缺点不会影响赛道信息的提取，至少在我们的算法中没有体现出来。但对于硬件二值化的方法，在光线条件不好时影响非常明显。建议根据自己车的条件与信息处理方法，经实测后在决定是否使用偏振片。我们使用的偏振镜片如图3.2所示。

图3.2 偏振片

3.3 机械性能调整

对于机械性能的调整，主要有一下几点：

（1）极限舵角

由于各C型车机械行能并不完全相同，部分车在舵机达到极限舵角后也不能通过曲率为50cm，角度为120的赛道，所以必须得对极限舵角不是足够的车体进行修正，经试验我们对机械上进行了部分修整，最终达到极限舵角要求。

（2）舵机安装

车模提供的舵机安装方式传动部件较多，带来较大虚位，并且由于传动复杂而带来较大的摩擦力，是现在所用舵机不能承受的。并且原有的机构因传动部件弹性形变带来一些转向延时，增加控制方法的复杂程度。所以我们对原有的

机构进行了改进，如图3.3。

图3.3 舵机安装实物图

在测试时该机构能很迅速达到控制算法所预设的角度。关于车轮定位，其主要定位参数包括：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。本次比赛中的所使用的车模的这四个参数均可调整。

各定位参数的作用如下：

（1）主销后倾角

汽车在车轮偏转后，会产生一回正力矩，纠正车轮的偏转。欲使车模转向灵活，主销后倾角可设定为0°。同时过大的主销后倾角会使转向沉重，由于车模舵机性能偏软，主销后倾角会对转向性能带来不利的影响，但合理后倾会增加直道性能。极品飞车 1 号为增加车的直道性能，主销后倾角为车模原始数值5°。

（2）主销内倾角

主销内倾角也会使车轮具有自动回正的作用，当转向轮在外力的作用下发生偏转时，由于主销内倾角的原因，车轮连同整个车模的前部将被抬起一定的高度，当外力消失后，车轮就会在重力作用下，回复到原来的中间位置。极品1号的主销内倾角也为3°。

（3）前轮外倾角