第三届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技术报告学校：北京科技大学队伍名称：北京科技大学CCD一队参赛队员：张鹏徐怡任亚楠带队教师：刘立马飞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三届全国大学生“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：摘要本智能车系统设计以MC9S12DG128微控制器为核心，通过一个CMOS摄像头检测模型车的运动位置和运动方向，使用比较器对图像进行二值化处理，用光电编码器检测模型车的速度并使用PID控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。
为了提高智能车的行驶速度和可靠性，对比了各种方案的优缺点，使用Labview仿真平台进行了大量底层和上层测试。
实验结果表明，系统设计方案可行。
关键词：MC9S12DG128，CMOS摄像头，PID，无线通讯ABSTRACTIn this paper we will demonstrate a smart car system based on the micro-controller unit MC9S12DG128.The micro-controller use a CMOS image sensor to obtain lane image information, then adjusts the model car`s moving position and direction. An inferred sensor measure the car`s moving speed. We use PID control method to adjust, the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor.So,we complete the closed-loop control to the speed and direction. In order to increase the speed and the reliability of the car, the advantage and disadvantage of the different schemes are compared, and a great number of the bottom layer and the upper layer tests are carried on combined with the Labview simulation platform.The result of tests indicates that the design scheme of system is available.KEYWORDS: MC9S12DG128，CMOS image sensor，PID目录摘要 (III)ABSTRACT (IV)引言 (VII)第一章系统设计制作的思路以及实现的技术方案 (1)1.1系统分析 (1)1.2整车布局 (1)1.3系统设计结构图 (1)第二章机械系统设计与实现 (3)2.1车体机械建模 (3)2.2舵机安装结构的调整 (4)2.3摄像头支架的设计安装 (4)2.4前轮倾角的调整 (5)2.5底盘高度的调整 (5)2.6齿轮传动机构及后轮差速的调整 (5)第三章硬件电路系统设计与实现 (6)3.1硬件电路设计方案 (6)3.2硬件电路的实现 (6)3.2.1 以S12为核心的单片机最小系统 (6)3.2.2 主板 (8)3.2.3 电机驱动电路 (13)3.2.4 摄像头 (13)3.2.5 速度传感器 (14)3.2.6 加速度传感器 (15)第四章软件系统设计与实现 (17)4.1舵机转向和速度调节的PID控制算法 (17)4.1.1 经典PID控制算法 (17)4.1.2 经典PID算法在本智能车上的应用 (19)4.2有一定抗干扰和抗反光能力的黑线提取算法 (22)第五章系统联调 (29)5.1开发工具 (29)5.2调试过程 (29)5.2.1串口通信 (31)5.2.2图像显示 (34)5.3无线通信实时检测模块 (36)5.3.1 无线模拟影音发射接收机 (36)5.3.2 数字无线收发模块（嵌入式无线Modem WAP200B） (38)第六章模型车的主要技术参数 (44)第七章总结 (45)参考文献 (46)附件A元件列表 (1)附件A-1主板元件列表 (1)附件A-2最小系统元件列表 (3)附件A-3电机驱动电路元件列表 (3)附件B 源程序 (5)Main.c (5)模块化程序列表 (6)Schedule.h (6)Schedule.c (12)引言这份技术报告中，我们小组通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法，而对单片机具体参数的调试也让我们付出了艰辛的劳动。
这份报告凝聚着我们的心血和智慧，是我们共同努力后的成果。
在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。
第一章系统设计制作的思路以及实现的技术方案1.1 系统分析智能车的总体工作模式为：CMOS传感器拍摄赛道图像并以PAL制式信号输出到信号处理模块进行二值化处理并进行视频同步信号分离，二值化后的数据和同步信号同时输入到S12控制核心，进行进一步处理以获得图像信息；通过光电编码器来检测车速，并采用S12的输入捕捉功能进行脉冲计数计算速度和路程；舵机转向采用PD控制；电机转速控制采用PID控制，通过PWM控制驱动电路，调整电机的功率；而车速的目标值由默认值、运行安全监控和基于路径记忆的优化策略综合控制。
1.2 整车布局今年赛车的整车布局本着轻量化而设计，具有以下特点：z架高舵机并直立安装，以提高舵机响应速度z主板低位放置，降低赛车重心z采用强度高、质量轻的材料制作摄像头支架z摄像头后置于电机前方，减少赛车前方盲区1.3 系统设计结构图按照预先的设计，我们设计了整个系统的结构图。
系统力求简单高效，在满足比赛要求的情况下，使硬件结构最简单，减少因硬件而出现的问题。
图1.1 智能车系统结构图第二章机械系统设计与实现为了使车能够更稳定的高速运行，在比赛备战之初，我们就对这个车进行了系统的分析。
今年的车模精度不是很高，因此尽量在规则允许范围内改造车模，提高车模整体精度是很必要的。
另外，我们在实际调试中发现，前轮的束角和主销倾角对车的高速运行下的稳定性影响很大。
高速运行下舵机的转动速度对车转向的灵活程度也起到了根本性的作用。
所以，在整车的机械结构方面我们进行了三方面改进：转向机构改进、前轮束角调整、底盘高度调整。
2.1 车体机械建模此次比赛选用的赛车车模采用1/10的Matiz仿真车模。
赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。
控制采用前轮转向，后轮驱动方案。
具体车模数据如下：车长： 316mm车宽： 172mm如图 2.1 所示：图2.1车体机械图2.2 舵机安装结构的调整我们在实际调试中发现，若加长舵机柄，可以增大车行进中的车轮转向速度。
这样虽然在舵机转速不变的情况下加快了车轮的转角速度，但是给舵机转向增大了负荷。
在实际调试中，出现过舵机里面齿轮被损坏的情况。
从而我们想到另一种改进方法即改进舵机的安装结构，并自制了轻巧的舵机安装支架。
如图2.2所示：图2.2 舵机构架（正视图、侧视图）2.3 摄像头支架的设计安装为了降低整车重心，需要严格控制CMOS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的主桅，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。
图2.3 摄像头构架图2.4 摄像头支架2.4 前轮倾角的调整我们在调试中发现：由于前轮轴和车轮之间的间隙较大，对车高速转向时的重心影响较大，会引起高速转向时车的转向不足。
而且这里又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个因素决定，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，从而增大车轮和地面的摩擦程度，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。
2.5 底盘高度的调整底盘适当降低，在可以过坡道的情况下，尽量降低底盘，从整体上降低车的重心，使车在转弯时可以更加稳定、快速。
2.6 齿轮传动机构及后轮差速的调整车模后轮采用RS-380SH-4045电机驱动，由竞赛主办方提供。
电机轴与后轮轴之间的传动比为 9:38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。
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。
差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。
差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。
好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。
第三章硬件电路系统设计与实现3.1 硬件电路设计方案从最初进行硬件电路设计时我们就定了系统的设计目标：可靠、高效、简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。
可靠性是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。
高效是指本系统的性能要足够强劲。
我们主要是从以下两个方面实现的：1、采用运算放大器制作的比较器实现了图像二值化的高速转换，大大提高了图像采集的分辨率；2、使用了由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，该驱动器的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。