畢業(yè)論文--基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車設(shè)計(jì)(含外文翻譯）

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　課題名稱：基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車設(shè)計(jì)</p><p>　　完成期限：2009年12月 1日至2010年 5月 10日</p><p><b>　　課題訓(xùn)練內(nèi)容</b></p><p>　　通過以全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽為背景，設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠自主

2、循跡的小車。整個(gè)開發(fā)中，嚴(yán)格執(zhí)行“飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽的比賽規(guī)則。</p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)和要求</p><p>　　查閱課題相關(guān)參考文獻(xiàn)、技術(shù)資料，做好備份，以便以后查找；</p><p>　　充分分析相關(guān)素材，比較多個(gè)方案，選擇一種完成設(shè)計(jì)任務(wù)；</p><p>　　分析和選取完成任務(wù)的技術(shù)途徑和實(shí)施方法，第四周前上交畢業(yè)

3、設(shè)計(jì)開題報(bào)告一份。開題報(bào)告內(nèi)容與學(xué)校模板要求一致，字?jǐn)?shù)不少于2000字；經(jīng)指導(dǎo)老師檢查合格后才能進(jìn)行后續(xù)工作；</p><p>　　補(bǔ)充必要的理論和技術(shù)知識(shí)，查找相關(guān)的元件、器件的參數(shù)資料；</p><p>　　給出詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書，畫出原理電路圖，分析各部分電路功能及原理；</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)以及理論數(shù)據(jù)計(jì)算，給出相關(guān)參數(shù)；<

4、/p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求，給出系統(tǒng)控制的流程圖，編寫詳細(xì)程序；</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求，制作實(shí)物和安裝調(diào)試；</p><p>　　撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，內(nèi)容和格式按學(xué)校要求執(zhí)行，（具體要求在學(xué)校教務(wù)網(wǎng)的下載專區(qū)下載：設(shè)計(jì)論文規(guī)范、格式模板、任務(wù)書、開題報(bào)告、成績(jī)記錄等9個(gè)文件）。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考

5、資料</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　賽道為普通白色板，寬度為60cm，賽道正中間為2.5cm的黑色普通膠帶，鋪設(shè)賽道地板顏色不作要求，它和賽道之間可以但不一定有顏色差別，跑道最小曲率半徑不小于 50 厘米，跑道可以交叉，交叉角為 90 °，賽道有一個(gè)長(zhǎng)為1米的出發(fā)區(qū)，計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長(zhǎng)度10厘米黑色計(jì)時(shí)起始線，賽

6、車前端通過起始線作為比賽計(jì)時(shí)開始或者結(jié)束時(shí)刻。</p><p>　　須采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 8 位、 16 位處理器 ( 單核 ) 作為唯一的微控制器，推薦使用 9S12XS128 ，9S08AW60 微控制器；</p><p>　　比賽車模采用官方規(guī)定的本成品車模；</p><p>　　模型車的電源采用官方的7.2V/2000mA的電池，舵機(jī)采用制定的s301

7、0；</p><p>　　車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm 寬和400mm長(zhǎng)；</p><p><b>　　參考資料：</b></p><p>　　[1] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）.北京：清華大學(xué)出版社.2006.3</p><p>　　[2] 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯.北京：北

8、京航空航天大學(xué)出版社. 2007年3月</p><p>　　[3] 劉瑞新主編 Protel DXP實(shí)用教程 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003 </p><p>　　[4] 王威等編著 HCS12微控制器原理及應(yīng)用 北京:航空航天大學(xué)出版社.2007</p><p>　　[5] 劉林，楊理，龍葉虹. 重慶郵電大學(xué)AUTO-2第二屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告.<

9、;/p><p>　　四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表</p><p>　　武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表</p><p>　　注：1.本任務(wù)書一式兩份，一份院（系）留存，一份發(fā)給學(xué)生，任務(wù)完成后附在說明書內(nèi)。</p><p>　　2.“實(shí)際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫，其余各項(xiàng)均要求打印，打印字體和字號(hào)按照《武漢紡織大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

10、規(guī)范》執(zhí)行。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文詳細(xì)介紹了一套智能車的尋線設(shè)計(jì)方案。由總到分的先從整體上介紹了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)思想，繼而細(xì)分各模塊詳盡介紹具體設(shè)計(jì)。該智能車系統(tǒng)以MC9S12XS128B 作為整個(gè)系統(tǒng)信息處理和發(fā)出控制命令的核心，基于攝像頭采

11、集的賽道信息，提取出黑線中心位置，并求得小車偏離黑線的程度，區(qū)分出道路形狀，對(duì)此信息進(jìn)一步處理以控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過速度傳感器獲得實(shí)時(shí)速度信息，利用增量式數(shù)字PID 控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。文章詳細(xì)介紹了圖像采集模塊、速度采集模塊等信息采集模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等動(dòng)作執(zhí)行模塊的方案選取和電路設(shè)計(jì)原理，還介紹了系統(tǒng)調(diào)試方法策略。測(cè)試表明，該智能車能夠很好的跟隨黑色引導(dǎo)線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于不同形狀的道路予以相應(yīng)的控制策略，可快速穩(wěn)

12、定的完成的整個(gè)賽道的行程。</p><p>　　關(guān)鍵字：Freescale； 單片機(jī)； 攝像頭； 速度傳感器； PID</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This article brings a complete model of intelligent car design which follows

13、 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 larg

14、e.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, </p><

15、p>　　Key words：Freescale；Single-chip； micro camera； speed sensor； PID </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1． 引言……………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 發(fā)展現(xiàn)狀……………………………

16、…………………………………………1</p><p>　　1.2 方案簡(jiǎn)介………………………………………………………………………1 </p><p>　　1.3 文章結(jié)構(gòu)………………………………………………………………………2</p><p>　　2． 系統(tǒng)整體框架………………………………………………………………2</p><p>　　2.1

17、系統(tǒng)整體框架………………………………………………………………2</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件參數(shù)………………………………………………………………3</p><p>　　2.3 車模外形………………………………………………………………………4</p><p>　　3． 模塊的基本方案及論證…………………………………………………4</p><

18、p>　　3.1 圖像采集模塊……………………………………………………………… 4</p><p>　　3.2 速度采集模塊……………………………………………………………… 5</p><p>　　3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊……………………………………………………………… 6</p><p>　　3.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊………………………………………………………………7&

19、lt;/p><p>　　3.5 電源管理模塊……………………………………………………………… 7</p><p>　　3.6 調(diào)試模塊………………………………………………………………………7</p><p>　　3.7 最終決策方案……………………………………………………………… 7</p><p>　　4． 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整………………………………

20、………………………………8 </p><p>　　4.1 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)……………………………………………………………… 8</p><p>　　4.2 攝像頭的安裝……………………………………………………………… 8</p><p>　　4.3 系統(tǒng)PCB 板的安裝…………………………………………………………9</p><p>　　4.4 穩(wěn)

21、定性調(diào)整………………………………………………………………… 9</p><p>　　4.4.1 主銷后傾角………………………………………………………………9</p><p>　　4.4.2 前輪前束…………………………………………………………………10</p><p>　　4.5 底盤抬高策略…………………………………………………………… 10</p>

22、<p>　　4.5.1 后輪底盤升高…………………………………………………………10</p><p>　　4.5.2 后輪位置的固定……………………………………………………… 11</p><p>　　4.5.3 前輪底盤升高…………………………………………………………11</p><p>　　5. 信息采集模塊……………………………………………………

23、……… 11</p><p>　　5.1 攝像頭及其采集電路設(shè)計(jì)………………………………………………12</p><p>　　5.1.1 攝像頭簡(jiǎn)介………………………………………………………………12</p><p>　　5.1.2 攝像頭的工作原理……………………………………………………12</p><p>　　5.1.3 攝像頭路徑識(shí)別原

24、理………………………………………………… 17</p><p>　　5.1.4 攝像頭的選取…………………………………………………………18</p><p>　　5.1.5 攝像頭提取信號(hào)……………………………………………………… 19</p><p>　　5.1.6 攝像頭的安裝…………………………………………………………19</p><p&g

25、t;　　5.2 速度檢測(cè)電路…………………………………………………………… 20</p><p>　　6． 執(zhí)行模塊電路設(shè)計(jì)……………………………………………………… 20</p><p>　　6.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路…………………………………………………………… 20</p><p>　　6.2 舵機(jī)………………………………………………………………………… 21<

26、;/p><p>　　7. 電源模塊…………………………………………………………………22</p><p>　　7.1 總體電源電路…………………………………………………………… 22</p><p>　　7.2 單片機(jī)等5V 穩(wěn)壓芯片的選擇…………………………………………23</p><p>　　7.2.1 芯片的選擇…………………………………

27、……………………………23</p><p>　　7.2.2 電路實(shí)現(xiàn)………………………………………………………………… 23</p><p>　　7.3 CMOS 攝像頭用電源………………………………………………………24</p><p>　　7.4 舵機(jī)電源…………………………………………………………………… 24</p><p>　　8

28、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)……………………………………………………………25</p><p>　　8.1 概述………………………………………………………………………… 25</p><p>　　8.2 整體過程…………………………………………………………………… 25</p><p>　　8.3 MCU 簡(jiǎn)介…………………………………………………………………… 25</p

29、><p>　　8.4 系統(tǒng)初始化…………………………………………………………………26</p><p>　　8.4.1 攝像頭初始化…………………………………………………………26</p><p>　　8.4.2 PWM初始化………………………………………………………………26</p><p>　　8.4.3 超頻設(shè)置……………………………………

30、……………………………27</p><p>　　8.5 圖像采集和黑線提取…………………………………………………… 27</p><p>　　8.5.1 圖像采集…………………………………………………………………27</p><p>　　8.5.2 黑線提取…………………………………………………………………29</p><p>　　8.6 速

31、度控制……………………………………………………………………30</p><p>　　8.6.1 速度控制介紹…………………………………………………………30</p><p>　　8.6.2 簡(jiǎn)單沿線行駛策略……………………………………………………31</p><p>　　8.6.3 最佳行駛路線策略……………………………………………………31</p>

32、<p>　　8.6.4 速度獲取…………………………………………………………………33</p><p>　　9 開發(fā)工具、制作調(diào)試過程………………………………………………33</p><p>　　9.1 軟件開發(fā)平臺(tái)Codewarrior IDE………………………………………33</p><p>　　9.1.1 Codewarrior IDE 功能介紹…

33、………………………………………33</p><p>　　9.1.2 Codewarrior IDE 基本使用方法……………………………………33</p><p>　　9.2 輔助調(diào)試方法………………………………………………………………35</p><p>　　10 結(jié)論…………………………………………………………………………35</p><p&

34、gt;　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………37</p><p>　　附 錄……………………………………………………………………………38</p><p>　　外文資料…………………………………………………………………………55</p><p>　　中文翻譯…………………………………………………………………………64</p>

35、;<p>　　致 謝……………………………………………………………………………73</p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1.1 發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　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

36、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。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)無人駕駛。這些智能車的設(shè)計(jì)通常依靠特定道路標(biāo)記完成識(shí)別，通過推理判斷模仿人工駕駛進(jìn)行操作。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。</p><p><b>

37、　　1.2方案簡(jiǎn)介</b></p><p>　　按照課題要求，需要制作出一個(gè)能夠自主識(shí)別道路并行駛的智能車模。那么在模型車的制作過程中，最關(guān)鍵的問題就是如何探尋黑線，如何施以合適的控制策略來確保小車在不違背比賽規(guī)則的前提下沿賽道盡可能快速穩(wěn)定前進(jìn)。而探尋黑線的準(zhǔn)確與否將直接影響小車行進(jìn)的穩(wěn)定效果，故而，設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的尋線系統(tǒng)是該智能車制作過程中最重要的環(huán)節(jié)。</p><p>　　

38、而尋線一般有兩種方案，即光電傳感器和攝像頭，光電傳感器簡(jiǎn)單易行，抗干擾能力強(qiáng)，但是其探測(cè)距離較短，不能對(duì)前方道路信息作成很好的預(yù)測(cè)判斷，而且單個(gè)光電傳感器的功能有限，需要較多的傳感器構(gòu)成光電陣列來檢測(cè)，這樣不僅增加了車輛的重量，不利于快速前行，而且也會(huì)使得小車過寬，容易撞倒道旁邊的插桿，嚴(yán)重影響其安全性。</p><p>　　本文采用攝像頭，充分利用其探測(cè)距離長(zhǎng)，道路可預(yù)測(cè)信息強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其采集到的道路信息進(jìn)行分

39、析處理，利用PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)小車行進(jìn)的控制。根據(jù)攝像頭對(duì)黑白灰度值不同的分辨率采集賽道的黑色引導(dǎo)線信息，根據(jù)得到的每幀圖像信息，判斷小車偏離黑線的程度，并確定前方賽道是直道、彎道抑或是S道，再根據(jù)各種不同的賽道，予以相應(yīng)的控制策略，基于“進(jìn)彎減速，出彎加速”的原則，并且以直線方式?jīng)_過S 道以減少轉(zhuǎn)彎浪費(fèi)的時(shí)間，利用攝像頭得到信息的預(yù)測(cè)方向，使小車能夠提前準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，從而防止小車因?yàn)橹钡兰铀龠^大而使得轉(zhuǎn)彎時(shí)速度難以減下來而沖出賽道，

40、分析攝像頭獲得的圖像信息，讀入速度傳感器獲得的速度，利用增量式PID 算法實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)反饋控制。</p><p><b>　　1.3 文章結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本文詳細(xì)介紹了智能車模型的設(shè)計(jì)方案，由總到分的先從整體上介紹了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)思想，繼而細(xì)分各模塊詳盡介紹具體設(shè)計(jì)。第二章介紹了系統(tǒng)的整體框架；第三章分析和論證了各模塊的選擇方案；第四章介紹

41、了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整情況；第五章介紹了系統(tǒng)的信息采集模塊；第六章介紹了執(zhí)行模塊的電路設(shè)計(jì)；第七章介紹了電源模塊的電路設(shè)計(jì)；第八章介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；第九章介紹了開發(fā)工具、制作調(diào)試過程；第十章為全文結(jié)論。</p><p><b>　　2 引言</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)整體框架</p><p>　　為了使小車沿著規(guī)定的賽道自動(dòng)尋找黑

42、色引導(dǎo)線并盡可能地高速前進(jìn)，小車必須具備一套集導(dǎo)引線檢測(cè)并實(shí)時(shí)控制汽車速度、姿態(tài)的智能處理單元。小車主要由以下幾大部分組成：信息處理芯片MC9S12XS128，圖像采集模塊，速度采集模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電源管理模塊，調(diào)試模塊。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2.1 所示: </p><p><b>　　圖2.1</b></p><p>　　工作過程：系統(tǒng)將圖像采集模

43、塊，速度采集模塊采集到的路況信息、速度信息送至整個(gè)系統(tǒng)的核心部分MC9S12XS128 進(jìn)行分析處理，然后發(fā)出相應(yīng)控制命令輸出到執(zhí)行模塊的電機(jī)和舵機(jī)執(zhí)行適宜的速度和轉(zhuǎn)向動(dòng)作，配以鍵盤方便實(shí)時(shí)調(diào)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制。</p><p>　　在整個(gè)系統(tǒng)中，信息處理芯片MC9S12XS128 是控制整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)信息的接收，處理以及執(zhí)行命令的發(fā)出；電源管理模塊是該系統(tǒng)的能源中心，負(fù)責(zé)向系統(tǒng)中各個(gè)模塊提

44、供其功能實(shí)現(xiàn)所需能量；調(diào)試模塊是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的輔助模塊，方便快速實(shí)時(shí)調(diào)試。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件參數(shù)</p><p>　　經(jīng)過多次的調(diào)試驗(yàn)證，在遵守參賽規(guī)則的基礎(chǔ)上，根據(jù)本設(shè)計(jì)的軟件算法，并綜合硬件設(shè)計(jì)思想，我們最終確定了小車系統(tǒng)的各硬件參數(shù)：系統(tǒng)PCB板的設(shè)計(jì)安裝，攝像頭安裝的傾斜角度、高度及距離前輪距離等，</p><p><b>　　

45、表2.1 硬件參數(shù)</b></p><p><b>　　2.3 車模外形</b></p><p>　　經(jīng)過多次的程序調(diào)試與硬件改造之后，最終確定了車模硬件各個(gè)模塊的安裝方式，系統(tǒng)安裝如下圖示：</p><p><b>　　圖2.2 總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　3 模塊的基本方案

46、及論證</p><p>　　3.1 圖像采集模塊</p><p>　　為了探測(cè)小車前進(jìn)過程中的路況信息，以及小車在沿黑線行走過程中的偏離黑線的程度等行駛狀態(tài)信息，以便通過此信息來指導(dǎo)MCU應(yīng)該怎樣對(duì)執(zhí)行部分發(fā)出命令，我們有以下幾種方案：</p><p>　　方案(一)、使用紅外發(fā)射—接收管</p><p>　　用紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外線，經(jīng)過

47、賽道反射回來后，由于白紙和黑線吸收紅外線的強(qiáng)度不等，不同位置上的紅外接受管會(huì)接收到強(qiáng)弱不同的紅外光，對(duì)于白紙，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接受管接受到紅外線，三極管導(dǎo)通，比較器輸出低電平，而對(duì)于黑線，紅外線被黑色吸收，三極管截至，比較器輸出高電平，由此可以判斷出黑線相對(duì)小車的位置。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，不會(huì)因?yàn)橹車h(huán)境的差別而產(chǎn)生不同的結(jié)果，可以減少在

48、安裝時(shí)產(chǎn)生的差異帶來的誤差和干擾，使安裝更加簡(jiǎn)便。</p><p>　　缺點(diǎn)： 作用距離有限，不能對(duì)黑線進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)，預(yù)測(cè)性弱，速度快時(shí)很容易沖出跑道；而且規(guī)定紅外傳感器最多只可以用16 個(gè)，所以它對(duì)黑線的探測(cè)不能完全覆蓋，可能出現(xiàn)漏檢。</p><p>　　方案二、采用紅外傳感器與CCD(CMOS)攝像頭相結(jié)合</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)： 兼顧了紅外傳感器抗干擾

49、能力強(qiáng)以及攝像頭作用距離遠(yuǎn)、視角范圍大的</p><p><b>　　長(zhǎng)處。</b></p><p>　　缺點(diǎn)： 設(shè)計(jì)難度大，紅外傳感器與攝像頭需要配合尋跡，它們對(duì)舵機(jī)和電機(jī)在方向和速度上的控制需要巧妙的仲裁算法（對(duì)采集的信息判斷優(yōu)先級(jí)）進(jìn)行區(qū)分；運(yùn)算量大，需要占用相當(dāng)多的MCU 資源。</p><p>　　方案三、直接采用攝像頭</p&

50、gt;<p>　　優(yōu)點(diǎn)： 作用距離遠(yuǎn)，道路信息預(yù)測(cè)能力強(qiáng)，不易出現(xiàn)由于黑線檢測(cè)不及時(shí)而沖出賽道的情況；而且攝像頭對(duì)道路的探測(cè)精細(xì)，視角范圍大不易出現(xiàn)黑線漏檢的情況。</p><p>　　缺點(diǎn)： 容易被干擾，受周圍光線的影響大；運(yùn)算量大，算法復(fù)雜，需要占用較</p><p><b>　　多的MCU 資源。</b></p><p>　

51、　決策方案： 方案三從CCD(CMOS)攝像頭采集的賽道圖像中提取中心線位置，取代了光電傳感器陣列，該方法徹底擺脫了光電傳感器視野狹窄，分辨率低的特點(diǎn)，能夠提供全面的路況信息。同時(shí)，由于電路的簡(jiǎn)化，縮小了體積，減輕了重量，使整車的功率分配更加合理有效，有利于小車更加快速穩(wěn)定的行進(jìn)。因此，本設(shè)計(jì)選用了方案三。</p><p>　　3.2 速度采集模塊</p><p>　　為了能夠提高小車的總

52、體速度，就需要使其能在直道上全速行駛，在彎道上也能夠以比較快的速度前進(jìn)，這就需要有準(zhǔn)確的速度信息采集方案，將小車的速度值隨時(shí)采集送到MCU，對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，以使小車能夠穩(wěn)定高速的行駛。</p><p>　　方案一、采用霍爾傳感器</p><p>　　在車輪上嵌入若干粒永磁鐵，使用霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)： 檢測(cè)速度快，不會(huì)受光、溫度等

53、影響。</p><p>　　缺點(diǎn)： 在車輪上合適的地方嵌入足夠多的數(shù)量永磁鐵相當(dāng)困難。</p><p>　　方案二、采用速度傳感器脈沖計(jì)數(shù)</p><p>　　將測(cè)速傳感器安裝在小車左后輪附近，在小車的靠近車輪的軸上安裝一編碼盤，這樣就可用傳感器檢測(cè)黑線，產(chǎn)生脈沖，通過對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方式來測(cè)量小車的速度。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)： 原

54、理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。</p><p>　　缺點(diǎn)： 占用ECT 資源。</p><p>　　決策方案： 從各個(gè)方面綜合考慮，以簡(jiǎn)單易行有效起見，我們最終選擇采用方</p><p>　　案二，而且我們對(duì)速度的檢測(cè)并不需要完全的準(zhǔn)確，利用脈沖計(jì)數(shù)的方式獲得的速度值精度足夠。</p><p>　　3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</p><p

55、>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)速度起著決定性的作用，考慮以下兩種方案。</p><p>　　方案一、電樞串電阻調(diào)速</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)： 原理簡(jiǎn)單，控制設(shè)備也不復(fù)雜。</p><p>　　缺點(diǎn)： 速度指標(biāo)不高，調(diào)速范圍不大，特別是低速時(shí)機(jī)械特性較軟，調(diào)速的平滑性不高。同時(shí)，大量的能量消耗在串入的電阻上，不能滿足電池供電系統(tǒng)低功耗的要求。</p><

56、p>　　方案二、直流脈寬調(diào)速（PWM）</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)： 主電路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，電機(jī)損耗和發(fā)熱都?。粍?dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小。</p><p>　　缺點(diǎn)： 在開關(guān)過渡過程損耗大，會(huì)在供電回路中產(chǎn)生諧波。</p><p>　　決策方案：電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司

57、的半橋式驅(qū)動(dòng)器MC33886。MC33886為橋式驅(qū)動(dòng)電路，通過控制輸入的信號(hào)，可以控制兩個(gè)半橋的通斷來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順轉(zhuǎn)與倒轉(zhuǎn)。詳細(xì)分析比較后，最后確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由兩片MC33886芯片并聯(lián)構(gòu)成，使用雙路PWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　3.4 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</p><p>　　方案一：因?yàn)槎鏅C(jī)的電源在4.5-6V 的范圍內(nèi)，電流100mA 左右，故而我們從電池電壓通過串聯(lián)兩組二極

58、管來獲得，為了防止電流過大燒壞二極管，每一組二極管有3個(gè)二極管并聯(lián)而成。</p><p>　　方案二：采用穩(wěn)壓芯片將電池電源直接降壓并穩(wěn)定到6V。</p><p>　　決策方案：經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，為了保證舵機(jī)的穩(wěn)定工作，使用穩(wěn)壓芯片將電壓降到6V 對(duì)舵機(jī)進(jìn)行供電，選擇方案二。</p><p>　　3.5 電源管理模塊</p><p>　　為了保證

59、各個(gè)部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，需要對(duì)配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。單片機(jī)系統(tǒng)、攝像頭、車速傳感器電路，等各個(gè)電路的工作電壓不同，需要想辦法來使得電壓滿足各自的要求，一種方法是利用升壓或降壓的芯片來達(dá)到它們的要求，另一種方法是利用雙電源供電的方法，來實(shí)現(xiàn)各模塊的不同需要，由于電路模塊較多，該方案中仍需要升壓或降壓芯片。實(shí)際應(yīng)用中，我們確定采用升壓降壓芯片等來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的供電要求。而且，在電路設(shè)計(jì)中，考慮到由于電機(jī)驅(qū)

60、動(dòng)所引起的電源不穩(wěn)定，在電源輸入端，各芯片電源引腳都加入濾波電路。</p><p><b>　　3.6 調(diào)試模塊</b></p><p>　　將鍵盤做成幾種速度的選擇，高速，中速，慢速，確定等幾個(gè)功能。可根據(jù)不同的賽道，立即設(shè)定不同的速度。可在不改變?nèi)魏诬浖臈l件下，即時(shí)的根據(jù)周圍環(huán)境的情況而設(shè)以相應(yīng)的速度值。鍵盤輸出口與單片機(jī)IO 口相連。</p>&

61、lt;p>　　3.7 最終決策方案</p><p>　　經(jīng)過如上所述分析選擇，最終確定各模塊方案如下：</p><p>　?。?）采用攝像頭獲取道路圖像信息；</p><p>　　（2）利用速度脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的檢測(cè)；</p><p>　?。?）雙路PWM 驅(qū)動(dòng)電機(jī)；</p><p>　?。?）專用穩(wěn)壓芯片為舵

62、機(jī)供電；</p><p>　　（5）采用各種穩(wěn)壓芯片為各模塊供電，實(shí)現(xiàn)電源管理；</p><p>　?。?）利用鍵盤實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)試。</p><p><b>　　4 機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整</b></p><p>　　4.1 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)</p><p>　　在最初的空體車模的基礎(chǔ)上，我們?cè)谲嚨目壳安堪惭b了采

63、集道路信息的攝像頭，在車模頂部安裝了自己繪制的控制整個(gè)系統(tǒng)的PCB 板（包括主辦方提供的單片機(jī)最小系統(tǒng)），并在后輪（左輪）安裝了編碼盤，并在其對(duì)應(yīng)位置裝上了速度傳感器。</p><p>　　4.2 攝像頭的安裝</p><p>　　本設(shè)計(jì)在模型車的最前端安裝了一鋁合金方柱來固定攝像頭的安裝，為了使得攝像頭的探測(cè)范圍合適，在離地端1/3 處將方柱向小車中心位置彎曲至靠近前輪的位置，并置以三角

64、增加其穩(wěn)定性，柱子總高度為500mm，攝像頭距前輪軸心距離為90mm，為了方便攝像頭位置的調(diào)整，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)連續(xù)可調(diào)支架，將攝像頭用螺釘螺母穩(wěn)定的固定于支架上，如果發(fā)現(xiàn)攝像頭的視野范圍太大或太小，可通過調(diào)整攝像頭的上下高度和攝像頭離支架的距離遠(yuǎn)近來實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭最佳位置的確定。</p><p>　　實(shí)際安裝情況見下圖所示：</p><p>　　圖4.1 攝像頭的安裝</p>

65、<p>　　4.3 系統(tǒng)PCB板的安裝</p><p>　　控制整個(gè)系統(tǒng)的PCB 板安裝于小車車體的頂部，利用電路板上的過孔與車模本身的定位孔相配合，將其固定。在車模最前部安裝了一自制的方形鋁合金空塊，實(shí)現(xiàn)防撞功能，確保小車能夠安全可靠的快速行駛。在小車左后輪軸上安裝了64 等分的編碼盤，并在其對(duì)應(yīng)位置上裝上了一速度傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。將電池固定于車模底盤上，整個(gè)系統(tǒng)重心穩(wěn)定。主要的連線有：

66、</p><p>　?。?）攝像頭的電源線和信號(hào)線，包括視頻信號(hào)線和5V電源線；</p><p>　?。?）舵機(jī)和電機(jī)接線，電機(jī)和舵機(jī)的電源和控制信號(hào)線；</p><p>　?。?）測(cè)速裝置的連線，編碼盤的信號(hào)線以及電源線；</p><p><b>　?。?）電池的接線。</b></p><p>

67、　　圖4.2 PCB的安裝</p><p><b>　　4.4 穩(wěn)定性調(diào)整</b></p><p>　　4.4.1 主銷后傾角</p><p>　　主銷后傾角在車輪偏轉(zhuǎn)后形成一回正力矩，阻礙車輪偏轉(zhuǎn)。主銷后傾角越大，車速愈高，車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)回正力越強(qiáng)，但回正力矩過大，將會(huì)引起前輪回正過猛，加速前輪擺振，并使轉(zhuǎn)向沉重。可以通過增加墊片的數(shù)量來增大

68、主銷后傾角，共有4 片墊片，前2 后2 時(shí)，后傾角為0 度；前1 后3 時(shí)，后傾角為2度—3 度；前0 后4，后傾角為4 度—6 度。為保證小車偏轉(zhuǎn)后，能夠較好的自動(dòng)回正，本設(shè)計(jì)采用的是前1 后3，使得前輪傾斜角度為2 度—3 度。</p><p>　　4.4.2 前輪前束</p><p>　　俯視車輪，汽車的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現(xiàn)象稱為前輪前束。車輪前

69、束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調(diào)，保證前輪在汽車行駛中滾動(dòng)而無滑動(dòng)。前輪是由舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度即可改變前輪前束的大小。為保證小車在行駛中，不易出現(xiàn)滑動(dòng)的不良情況，故在本設(shè)計(jì)中，調(diào)整前輪前束使得前輪向內(nèi)傾1 度左右。</p><p>　　4.5 底盤抬高策略</p><p>　　因?yàn)橘惖乐性黾恿似碌?，?/p>

70、保證小車能夠安全平穩(wěn)的爬上坡道并順利通過，抬高車模底盤顯得十分必要。</p><p>　　4.5.1 后輪底盤升高</p><p>　　圖4.3 升高后輪底盤</p><p>　　仔細(xì)對(duì)比圖示中的高度調(diào)節(jié)塊1 和高度調(diào)節(jié)塊2，塊1 的左右兩個(gè)缺口1-1和1-2 離中間空環(huán)心的距離相等，而塊2 的兩個(gè)缺口2-1 和2-1 距離其中間空環(huán)心位置遠(yuǎn)近不同，2-1 比2-2

71、 離其環(huán)心距離遠(yuǎn)，通過將高度調(diào)節(jié)塊1 更換為高度調(diào)節(jié)塊2，可以實(shí)現(xiàn)將后輪底盤抬高。</p><p>　　4.5.2 后輪位置的固定</p><p>　　圖4.4 固定后輪位置</p><p>　　圖示為后輪軸上的螺母，可以通過緊固該螺母來調(diào)整后輪穩(wěn)定性和電機(jī)性能。需要將該螺母位置調(diào)整到一個(gè)合適的程度保證后輪的穩(wěn)定性，否則會(huì)出現(xiàn)后輪亂擺動(dòng)的嚴(yán)重情況。</p>

72、;<p>　　4.5.3 前輪底盤升高</p><p>　　圖4.5 底盤抬高情況圖 4.6 非底盤抬高情況</p><p>　　對(duì)比以上兩種前輪底盤的安裝，左圖為提高底盤的安裝方式，右圖為未提高底盤的安裝方式，其區(qū)別在于前者將左右底盤連接桿L 和R 交換，而后者保持原本連接，不交換L 和R。因此，通過交換左右底盤連接桿即可實(shí)現(xiàn)提高前輪底盤的功

73、能。</p><p>　　5 系統(tǒng)總體硬件電路</p><p>　　5.1 攝像頭及其采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　攝像頭具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，獲取信息量大的優(yōu)點(diǎn)。通過攝像頭輸入的數(shù)據(jù)，處理算法不僅可以提前預(yù)知前方道路的方向，而且還可以判斷前方的道路是直道還是彎道，指導(dǎo)車速，執(zhí)行拐彎動(dòng)作等策略。</p><p>　　5.1.1 攝像頭簡(jiǎn)介<

74、;/p><p><b>　?。?）攝像頭的發(fā)展</b></p><p>　　攝像頭作為一種視頻輸入設(shè)備，在過去被廣泛的運(yùn)用于視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療及實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提高，再加上感光成像器件技術(shù)的成熟并大量用于攝像頭的制造上，這使得它的應(yīng)用</p><p><b>　　已變得越來越廣泛。</b&

75、gt;</p><p><b>　?。?）攝像頭的分類</b></p><p>　　攝像頭分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類。模擬攝像頭可以將視頻采集設(shè)備產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過特定的視頻捕捉卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上運(yùn)用。數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接捕捉影像，然后通過串、并口或

76、者USB 接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里。</p><p>　?。?）攝像頭的工作原理</p><p>　　攝像頭的工作原理大致為——光線照射景物，景物上的光線反射通過鏡頭聚焦生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，產(chǎn)生光電反應(yīng)然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片中加工處理。</p><p>　　（4）攝像頭的主要結(jié)構(gòu)和組件</p>

77、;<p>　　鏡頭透鏡結(jié)構(gòu)：由幾片透鏡組成,有塑膠透鏡或玻璃透鏡。</p><p>　　圖像傳感器可以分為兩類：CCD （電荷耦合器件）；CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。</p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）</p><p>　　5.1.2 攝像頭的工作原理</p><p>　　基于本次設(shè)計(jì)中對(duì)黑線的識(shí)別,只需要提取

78、出被探測(cè)畫面的灰度信息,不需要獲取賽道色彩等其他信息,所以我們選擇黑白模擬攝像頭即可。黑白模擬攝像頭的工作原理與黑白全電視信號(hào)的圖像采集處理方式相同。因此，下面介紹黑白電視信號(hào)的工作方式，并借以一同說明了攝像頭的工作原理。</p><p>　?。?）全電視波形信號(hào)</p><p>　　將圖像信號(hào)、復(fù)合同步、復(fù)合消隱、槽脈沖和均衡脈沖等疊加，即構(gòu)成黑白全電視信號(hào)，通常也稱其為視頻信號(hào)．<

79、;/p><p>　　我國(guó)現(xiàn)行電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以同步信號(hào)的幅值電平作為100％；則黑色電平和消隱電平的相對(duì)幅度為75％；白色電平相對(duì)幅度為10％～12.5％；圖像信號(hào)電平介于白色電平與黑色電平之間。各脈沖的寬度為：A. 行同步4.7μs； B. 場(chǎng)同步160μs (2.5 行，H 表示行，V 表示場(chǎng))； C. 均衡脈沖2.35μs； D. 槽脈沖4.7μs； E. 場(chǎng)消隱脈沖1612μs； F. 行消隱脈沖12μs。&l

80、t;/p><p>　　在本設(shè)計(jì)中的攝像頭各信號(hào)屬性參數(shù)與上述電視標(biāo)準(zhǔn)相同。 </p><p>　　我國(guó)廣播電視掃描參數(shù)</p><p>　　掃描方式：隔行掃描；</p><p>　　行頻：15625HZ； 場(chǎng)頻：50HZ（幀頻25HZ）；</p><p>　　行周期:64us； 場(chǎng)周期：20ms；</p>

81、<p>　　行正程時(shí)間：>=52us； 場(chǎng)正程時(shí)間：>=18.4ms；</p><p>　　行逆程時(shí)間：<=12us； 場(chǎng)逆程時(shí)間：<=16ms；</p><p>　　每幀掃描行數(shù)：625 行； 每幀顯示行數(shù)：575 行；</p><p>　　每場(chǎng)掃描行數(shù)：312.5 行； 每場(chǎng)顯示行數(shù)：287.5 行。</p>&l

82、t;p><b>　　（2）隔行掃描</b></p><p>　　所謂隔行掃描，就是在每幀掃描行數(shù)不變的情況下，將每幀圖像分為兩場(chǎng)來傳送，這兩場(chǎng)分別稱為奇場(chǎng)和偶場(chǎng)。奇數(shù)場(chǎng)傳送1、3、5、…奇數(shù)行；偶數(shù)場(chǎng)傳送2、4、6、…偶數(shù)行。在我國(guó)電視信號(hào)中，隔行掃描解決帶寬與閃爍感及清晰度的矛盾。這種掃描方式每秒傳送50 場(chǎng)，即場(chǎng)頻為50Hz，因而將有效地降低閃爍感，幀頻卻為25Hz，隔行掃描即減小

83、了閃爍感，并使圖像信號(hào)的帶寬僅為逐行掃描的一半。</p><p><b>　?。?）電視圖像函數(shù)</b></p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)電視圖像每幀是由625行組成的,分兩場(chǎng)傳送,奇數(shù)場(chǎng)傳送第1，3，5,…625行；偶數(shù)場(chǎng)傳送第0,2,4,6,...,624行(第0行和第625行實(shí)際只有半行)；可用圖像函數(shù)表示為f(x,y),其中x取連續(xù)值；而y取整數(shù)0,1,2,3,...

84、,625,也就是令y=行號(hào)。如果令y=2m+z，(m=0,1,2,...,312；z=0或1 ),那么,z=0就表示偶數(shù)場(chǎng)圖像；z=1就表示奇數(shù)場(chǎng),如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 行號(hào)與m數(shù)</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)電視體制還規(guī)定:場(chǎng)同步脈沖寬度為2.5 行(每行時(shí)間=64 微秒)；場(chǎng)消隱脈沖寬度為25 行,因此,m=0,1,2 為場(chǎng)同步脈沖占用;m=310,311,312

85、,0,1,2,3,....,21,22為場(chǎng)消隱脈沖占用,如圖5.2和圖5.3所示。</p><p>　　圖5.2 場(chǎng)消隱占用行號(hào)(奇數(shù)場(chǎng)首) 圖5.3 場(chǎng)消隱占用行號(hào)(偶數(shù)場(chǎng)首)</p><p>　　（4）幀坐標(biāo)系與場(chǎng)坐標(biāo)系</p><p>　　在前面提到了每幀圖像包含625行,分為奇偶兩場(chǎng)傳送，這樣,可以采用兩種坐標(biāo)系來進(jìn)行表達(dá)與分析計(jì)算

86、。</p><p>　　幀坐標(biāo)系如6.1.2.3節(jié)中所敘述的就是幀坐標(biāo)系,它以奇數(shù)場(chǎng)場(chǎng)同步脈沖前沿所對(duì)的行為y=1，各行行號(hào)就是y的值,范圍是0至625,取整數(shù)；以行同步脈沖前沿所在的列為x=0 ,從左向右按等間隔點(diǎn)數(shù)遞增,其間隔和取值范圍依需要的解算精度或分辨力而定。</p><p>　　場(chǎng)坐標(biāo)系不分奇偶場(chǎng),都以每場(chǎng)場(chǎng)同步脈沖前沿所對(duì)的行為y=0 ,各行的m數(shù)就是y的值,范圍是0至312

87、,取整數(shù)；x坐標(biāo)的規(guī)定仍與幀坐標(biāo)系相同。比較：采用幀坐標(biāo)系解算精度較高,但只能每幀解算一次,也就是每隔40毫秒輸出一組數(shù)據(jù)。采用場(chǎng)坐標(biāo)系解算精度較低,但可以每場(chǎng)解算一次,也就是每隔20毫秒輸出一組數(shù)據(jù)；所用電路硬件也簡(jiǎn)化許多,跟蹤快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的系統(tǒng)中常被采用。在我們本次的設(shè)計(jì)中，使用的是場(chǎng)坐標(biāo)系，每隔20ms 輸出一幀圖像數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）時(shí)間與空間的對(duì)應(yīng)</p><p>

88、　　一幅電視畫面的傳送是從左上角開始按照從左向右, 從上到下的順序(并遵照隔行掃描的規(guī)定)傳送的。這樣,在電視信號(hào)(時(shí)間序列)中的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)就與電視畫面中的一個(gè)空間位置點(diǎn)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在幀坐標(biāo)系中,若以奇數(shù)場(chǎng)場(chǎng)同步脈沖前沿為計(jì)時(shí)起點(diǎn)t=0,則電視圖像上坐標(biāo)為(x,y)的一點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的掃描時(shí)間為：</p><p>　　t=(y-1)T/2+xT/N(y=奇數(shù))</p><p>　　t=(3

89、12+y/2)T+xT/N(y=偶數(shù)) 公式（5-1）</p><p>　　其中，T=64微秒,為行掃描周期；N為每行x刻度點(diǎn)數(shù)。在場(chǎng)坐標(biāo)系中,奇數(shù)場(chǎng)以場(chǎng)同步脈沖前沿為計(jì)時(shí)起點(diǎn)t=0；偶數(shù)場(chǎng)以場(chǎng)同步脈沖前沿為t=T/2=32 (微秒),則(x,y)點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的掃描時(shí)間t為：</p><p>　　t=yT+xT/N

90、 公式(5-2)</p><p><b>　　（6）圖象信號(hào)</b></p><p>　　圖象信號(hào)是由攝像頭采集到的一行行、一場(chǎng)場(chǎng)被探測(cè)物信息的電信號(hào)。①攝象管經(jīng)電子束掃描將一幅圖象的亮度分布進(jìn)行象素分解，使之轉(zhuǎn)變成按逐行逐場(chǎng)時(shí)間順序排列的電信號(hào)。②攝象管某時(shí)刻輸出的電流信號(hào)正比于該時(shí)刻電子束所掃描象素的亮度大小。如圖5.4（a）所示，其特點(diǎn)是：只有水平

91、方向變化，而無垂直方向變化，所以它是按行周期變化的。</p><p>　　圖5.4 垂直條圖形信號(hào) 圖5.5 水平條圖形信號(hào)</p><p>　　按照信號(hào)幅度正比于亮度大小的原則畫出一行的信號(hào)波形如圖5.4（b）所示。由于圖5.5（a）所示的只有垂直方向變化，而無水平方向變化，顯然它是按場(chǎng)周期變化的。類似的，畫出一場(chǎng)的信號(hào)波形如圖5.5（b）所示

92、。</p><p>　　由此可見，因?yàn)閳D象亮度只有正值而無負(fù)值，所以圖象信號(hào)也是單極性的。黑色的信號(hào)電平對(duì)應(yīng)為零，灰色和白色的信號(hào)電平都是正值而無負(fù)值。圖象信號(hào)的極性在電路傳送與處理過程中是經(jīng)常變化的，如電路某處為正極性，經(jīng)過一次放大倒相后，就變成負(fù)極性的了。</p><p><b>　?。?）復(fù)合消隱脈沖</b></p><p>　　前面已經(jīng)

93、指出：為了消去行、場(chǎng)逆程掃描線（簡(jiǎn)稱回掃線），必須由同步機(jī)產(chǎn)生行、場(chǎng)消隱脈沖。行消隱脈沖使攝象管與顯象管的電子束在行逆程期間截止，消去行回掃線：場(chǎng)消隱脈沖在場(chǎng)逆程期間使電子束截止，消去場(chǎng)回掃線，從而避免它們對(duì)正常圖象的干擾。按時(shí)間順序?qū)⑿邢[脈沖序列和場(chǎng)消隱脈沖序列組合在一起稱為復(fù)合消隱脈沖，如圖5.6所示。我國(guó)廣播電視規(guī)定：行消隱脈寬為12μs，場(chǎng)消隱脈寬為：25H＋12＝1,612μs。由于廣播電視采用奇數(shù)行隔行掃描，相鄰兩場(chǎng)行消隱

94、的相對(duì)位置差半行，所以復(fù)合消隱脈沖是按幀（兩場(chǎng)）周期重復(fù)變化的。</p><p>　　圖5.6 復(fù)合消隱脈沖</p><p>　　5.1.3 攝像頭路徑識(shí)別原理</p><p>　　小車在行駛過程中，識(shí)別路徑時(shí)，需要單片機(jī)將CMOS傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化與視頻數(shù)據(jù)去噪處理，以保證路徑數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。單片機(jī)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到路徑識(shí)別結(jié)果，從而控制直流電

95、機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)與舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。在對(duì)CMOS視頻傳感器采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理時(shí)，涉及到視頻閾值的選擇。本系統(tǒng)在視頻閾值的選擇上采取自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式，即采用動(dòng)態(tài)閾值的方法，這是因?yàn)榭紤]到CMOS傳感器易受環(huán)境光線的影響，該方式能夠依據(jù)環(huán)境光線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，為系統(tǒng)提供可靠的二值化閾值。根據(jù)自適應(yīng)方式設(shè)置系統(tǒng)的視頻閾值，采取如下方式進(jìn)行二值化分割：</p><p>　　1 u(x,y)>ε</

96、p><p><b>　　f(x,y)=</b></p><p>　　0 u(x,y)≤ε 公式(5-3)</p><p>　　式中的u(x,y)為原始數(shù)據(jù),f(x,y)為二值化后的數(shù)據(jù),ε為視頻閾值。</p><p>　　視頻數(shù)據(jù)去噪處理在再現(xiàn)真實(shí)的路徑信息方面有著不容忽視的作用

97、，正是由于CMOS視覺傳感器易受環(huán)境影響，才需要去噪算法進(jìn)行去噪處理，保證視頻數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。</p><p>　　CMOS圖像傳感器的典型工作流程：</p><p>　　圖5.7 CMOS的工作流程</p><p>　　5.1.4 攝像頭的選取</p><p>　　目前，市場(chǎng)上主要有CCD （電荷耦合器件）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）兩

98、類圖像傳感器，因此，我們有以下兩種選擇方案：</p><p>　?。?）采用CCD 攝像頭</p><p>　　CCD 傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：成像質(zhì)量好，靈敏度、分辨率高、噪聲影響弱。</p><p>　　缺點(diǎn)：要求的

99、供電電源高，功耗很大。</p><p>　?。?）采用CMOS 攝像頭在CMOS 傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D 轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：要求的供電電源低，功耗很小，低成本，高整合度。</p><p>　　缺點(diǎn)：成像質(zhì)量不及CCD 攝像頭好。</p><p>　　CMOS與CCD圖像

100、傳感器的性能比較如下表：</p><p>　　表5.1 CMOS與CCD圖像傳感器的性能</p><p>　　上表說明：CMOS成像器件的功能多，工藝方法簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量也與CCD接近，而在我們實(shí)際的應(yīng)用過程中，由于S12芯片的處理能力不足以達(dá)到PC的運(yùn)算能力，而且CMOS的功能已足夠滿足性能要求，故我們最后決定使用只有黑白制式分辨率為320×240的CMOS OV6620型攝像頭

101、，該攝像頭具有自動(dòng)增益控制、內(nèi)同步、自動(dòng)背光補(bǔ)償和低功率消耗等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　5.1.5 攝像頭提取信號(hào)</p><p>　　OV6620攝像頭同時(shí)帶有模擬和數(shù)字兩種信號(hào)輸出，考慮到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、外電路的簡(jiǎn)化以及單片機(jī)的運(yùn)算能力，本文直接選用了它的數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)只用來輸入到顯示器觀察圖像所用，采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)直接調(diào)用灰度信號(hào)輸出接口、行中斷信號(hào)接口以及行場(chǎng)中斷信號(hào)接口的信號(hào)即可

102、。</p><p>　　5.1.6 攝像頭的安裝</p><p>　　道路信息獲取的媒介攝像頭是整個(gè)信息系統(tǒng)的關(guān)鍵，為了使其獲得的信息足夠且可用，那么必須得合適選取其安裝位置。安裝過低，會(huì)視域不夠廣闊，影響尋線的有效范圍；安裝過高，指引線在圖像坐標(biāo)上會(huì)變得過窄，以致視線模糊，灰度值不明顯，而無法檢測(cè)到，同時(shí)整個(gè)車體會(huì)因重心的抬高而穩(wěn)定性變差。安裝位置合適的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是：在此位置的拍攝范圍大

103、小能滿足控制的需要，獲取足夠的信息。控制的策略簡(jiǎn)單，則所需的拍攝范圍就可較小；反之策略復(fù)雜，需獲得的賽道信息較多，則拍攝范圍應(yīng)大一些。</p><p>　　經(jīng)過反復(fù)的測(cè)試和驗(yàn)證，我們最后得到以下較優(yōu)的攝像頭安裝方式：攝像頭距地面最高高度為40cm，離前輪軸心距離為9cm，而前輪軸心距小車最前端距離為5cm，其攝像頭的仰角、高度均可連續(xù)調(diào)節(jié)。</p><p>　　5.2 速度檢測(cè)電路<

104、/p><p>　　為了使得小車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，車速的控制也是十分重要的，保證小車在直道上全速行駛，在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不要過快而沖出跑道等，此時(shí)速度的檢測(cè)顯得尤為重要?？梢酝ㄟ^控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的平均電壓控制車速，可以通過攝像頭檢測(cè)圖像黑線中心位置信息控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)有很多因素影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，例如電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角等。這些因素會(huì)造成不僅會(huì)造成小

105、車運(yùn)行的不穩(wěn)定，還會(huì)導(dǎo)致整體速度緩慢等。故而，需要通過速度檢測(cè)，對(duì)小車速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，則可以在一定程度上消除上面各種因素的影響，使得小車運(yùn)行得更加精確。為了獲取道路信息，若需要得到小車的運(yùn)動(dòng)距離，這也可以通過車速的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　經(jīng)過仔細(xì)研究，最終采用歐姆龍公司生產(chǎn)的E6A2—CW3C編碼盤測(cè)量車速。因?yàn)楸荣惒恍枰管?，所以?shí)際只用分析編碼盤的一路脈沖信號(hào)即可。</p>&l

106、t;p>　　6 執(zhí)行模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　6.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　如前所述，本設(shè)計(jì)采用PWM直流脈寬調(diào)速，該方法有效地避免了串電阻調(diào)速其調(diào)速范圍小，平滑性低的缺點(diǎn)，盡管也存在開關(guān)過渡過程損耗大，在供電回路中產(chǎn)生諧波等缺點(diǎn)，但可以通過合理選擇開關(guān)頻率等辦法彌補(bǔ)不足。驅(qū)動(dòng)芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動(dòng)器MC33886。我們考慮以下兩種方案：(一)使用

107、單片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但驅(qū)動(dòng)電流僅5A左右。(二)兩片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片并聯(lián)：驅(qū)動(dòng)電流達(dá)10A左右。比較：使用兩片驅(qū)動(dòng)芯片其驅(qū)動(dòng)電流大，而且實(shí)現(xiàn)起來也不復(fù)雜，故而采用方案二，由兩片MC33886芯片并聯(lián)構(gòu)成，并使用雙路PWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其實(shí)現(xiàn)電路如下：</p><p>　　圖6.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　6.2 舵機(jī)</b></p>

108、<p>　　舵機(jī)本身時(shí)一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成。通過內(nèi)部的位置反饋，使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號(hào)。因此對(duì)于它的控制可以使用開環(huán)控制方式。在負(fù)載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉(zhuǎn)角正比于給定脈沖寬度。經(jīng)測(cè)試，舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬之間的關(guān)系如下：</p><p>　　圖6.2 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號(hào)脈寬的關(guān)系</p>

109、;<p>　　控制舵機(jī)的脈沖由MCS9SXS128的PWM產(chǎn)生。單片機(jī)中有8路獨(dú)立的PWM輸出端口，我們將其中相鄰的2路PWM輸出級(jí)聯(lián)程一個(gè)16路PWM輸出。采用組委會(huì)統(tǒng)一提供的舵機(jī)，工作電源為6.0V，影響舵機(jī)控制特性的一個(gè)主要參數(shù)是舵機(jī)的響應(yīng)速度即舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度有時(shí)間延遲，時(shí)間延遲正比于旋轉(zhuǎn)過的角度，反比于舵機(jī)的相應(yīng)速度。舵機(jī)的相應(yīng)速度直接影響小車通過彎道時(shí)的最高速度，提高舵機(jī)的相應(yīng)速度是提高小車

110、平均速度的一個(gè)關(guān)鍵。舵機(jī)的響應(yīng)速度與工作電壓有關(guān)系，電壓越大速度越快，所以應(yīng)在舵機(jī)的允許的工作電壓范圍內(nèi)，盡量選擇最大的工作電壓，可以提高舵機(jī)的相應(yīng)速度，大賽規(guī)定不允許使用升壓電路為舵機(jī)提供工作電壓。實(shí)際使用過程中，為保證舵機(jī)安全，還是使用了專門的穩(wěn)壓芯片為舵機(jī)穩(wěn)壓。</p><p><b>　　7 電源模塊</b></p><p>　　7.1 總體電源電路</

111、p><p>　　電源是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的能源中心，只有保證了電源的合理供給，系統(tǒng)各個(gè)部件才能正常的工作，因此，電源管理是十分重要的，那么我們需要對(duì)配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。單片機(jī)系統(tǒng)、攝像頭、車速傳感器電路，LCD顯示電路等各個(gè)電路的工作電壓不同，我們需要設(shè)計(jì)方案來使得電壓滿足各自的要求。本設(shè)計(jì)中，總體電源管理如圖7.1示。</p><p><b>　　圖7.1 電源管理<

112、;/b></p><p>　　7.2 單片機(jī)等5V穩(wěn)壓芯片的選擇</p><p>　　7.2.1 芯片的選擇</p><p>　　我們對(duì)常用幾種常用芯片測(cè)試結(jié)果如表7.1所示：</p><p><b>　　表7.1</b></p><p>　　從表中我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)TPS7150的優(yōu)勢(shì)，所