"飞思卡尔"杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告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八届"飞思卡尔"杯全国大学生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：孟泽民章志诚徐晋鸿带队教师签名：陈朋朱威日期：2013.8.15摘要本文设计的智能车系统以MK60N512ZVLQ10微控制器为核心控制单元，通过Ov7620数字摄像头检测赛道信息，使用K60的DMA模块采集图像，采用动态阈值算法对图像进行二值化，提取黑色引导线，用于赛道识别；通过编码器检测模型车的实时速度，使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。
为了提高模型车的速度并让其更稳定，我们使用自主编写的Labview上位机、SD卡模块、无线模块等调试工具，进行了大量硬件与软件测试。
实验结果表明，该系统设计方案可行。
关键词：MK60N512VMD100，Ov7620，DMA，PID，Labview，SD卡AbstractIn this paper we will design a smart car system based on MK60N512ZVLQ10 as the micro-controller unit. We use a Ov7620 digital image camera to obtain lane image information. The MCU gets the image by its DMA module. Then convert the original image into the binary image by using dynamic threshold algorithm in order to extract black guide line for track identification. An inferred sensor is used to measure the car`s moving speed. We use PID control method to adjust the rotate speed of driving electromotor and direction of steering electromotor，to achieve the closed-loop control for the speed and direction. To increase the speed of the car and make it more reliable，a great number of the hardware and software tests are carried on and the advantages and disadvantages of the different schemes are compared by using the Labview simulation platform designed by ourselves，the SD card module and the wireless module. The results indicate that our design scheme of the smart car system is feasible.Keywords: MK60N512VMD100，DMA，Ov7620，PID，Labview，SD card目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)第一章系统总体设计 (2)1.1系统概述 (2)1.2整车布局 (2)第二章机械系统设计及实现 (4)2.1车体机械建模 (4)2.2车模转向轮的定位与调整 (5)2.3底盘高度及其调整 (6)2.4编码器的安装 (7)2.5舵机安装位置及结构调整 (7)2.6舵机转角分析 (8)2.7摄像头的安装 (8)第三章硬件系统设计及实现 (10)3.1硬件设计方案 (10)3.2电路设计方案 (10)3.2.1单片机最小系统板 (10)3.2.2电源稳压电路及检测电路 (11)3.2.3图像处理电路 (12)3.2.4电机驱动电路 (13)3.2.5舵机接口电路 (14)3.2.6拨码开关电路 (14)第四章软件系统设计及实现 (16)4.1赛道双边线提取及优化处理 (16)4.1.1原始图像的特点 (16)4.1.2普通赛道提线 (17)4.1.3特殊赛道提线 (19)4.1.4偏差量的计算 (21)4.1.5路径选择 (21)4.2 PID 控制算法介绍 (22)4.2.1位置式PID (23)4.2.2增量式PID (23)4.2.3各种改进型PID (24)4.2.4PID参数整定 (25)4.3转向舵机的PID控制算法 (25)4.4驱动电机的PID控制算法 (26)4.5速度决策算法 (26)4.6路径识别算法 (28)第五章系统开发及调试 (29)5.1开发工具 (29)5.2上位机图像显示 (29)5.2.1Labview 上位机 (29)5.3 SD卡模块 (30)5.3.1SD卡介绍 (30)5.3.2SPI总线介绍 (31)5.3.3硬件电路实现 (31)第六章模型的主要技术参数 (32)结论 (33)参考文献 (34)附录：程序源代码 (35)引言引言“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。
该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。
其最早始于韩国，在国内，全国大学生"飞思卡尔"杯智能汽车竞赛从2006年开始举办，至今得到了各级领导及各高校师生的高度评价。
并且有越来越多的队伍加入其中。
大赛包括光电组、摄像头组和电磁组，为保持创新性，在本届比赛中各组别的规则有所改变，其中摄像头组继第七届的寻双线外，改用B型车模，前轮驱动，难度大大提升。
本技术报告主要包括小车的机械设计、硬件系统设计、软件算法设计等，详尽地阐述了我们的设计方案，具体表现在机械结构的多种尝试，硬件电路的创新设计以及人工智能控制算法的应用。
在一年的备赛过程中，我们参看了大量控制方面的书籍，如：《先进PID控制及其MATLAB仿真》、《新型PID控制及其应用》等，智能车制作放面的书籍，如：《学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯》、《“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛设计与实践-基于S12XS和Kinetis K10》等，及大量K60芯片方面的资料与书籍。
不仅如此，在这一年漫长的做车过程培养了我们电路设计、软件编程、系统调试等方面的能力，锻炼了我们心理素质、实践动手的能力、团队合作能力，对今后的学习工作都有着重大的实际意义。
第一章系统总体设计1.1系统概述全国大学生智能汽车竞赛中，小车的基本结构大致可分为电源模块、传感器模块和控制模块。
本智能车系统的总体结构为：Ov7620数字摄像头拍摄赛道图像，输出PCLK、FOOD、HREF信号和8路数字图像信号，输入到MK60N512ZVLQ10微控制器，由K60的DMA模块进行图像采集，通过动态阈值算法对图像二值化，进行进一步处理获得主要的赛道信息，为舵机和电机的控制提供决策；转向舵机采用PD控制；驱动电机采用PID控制，通过PWM控制经优化的MOS管驱动电路来调整电机的功率；通过编码器来检测车速，并采用MK60N512ZVLQ10的输入捕捉功能进行脉冲计算获得转速，并对应到相应的速度，与速度PID形成闭环；而车速的目标值由优化后的决策层给出，具体的控制策略将在下文中详细介绍。
根据竞赛的规则和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。
在满足比赛要求和小车正常运行的情况下，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。
图1-1 系统结构图1.2整车布局车体整体布局的基本要求可简单归纳为一下几点：（1）车模底盘降低，简化主板使其贴近底盘，以降低重心；（2）改变电池位置，避免重心集中在车体前端；（3）电机与车身连接尽量保持原状，不采用硬固定，保持车体灵活；（4）注意编码器和舵机摆放位置，要方便控制又保持重心低；（5）用轻便坚固的碳卷管作为摄像头杆的材料；（4）注意摄像头固定位置，保证该区域振动小，重心分布要和盲区与前瞻匹配。
经过充分考虑与实际方案比较，我们车的整体布局如图1-2所示图1-2 整车布局图第二章机械系统设计及实现第二章机械系统设计及实现根据组委会的相关规定，今年摄像头组比赛车模更换为B型车模，而且将驱动轮作为前轮。
针对这一新的改动，对B型车本身就陌生的我们在机械上花了很长时间。
在组建整个小车系统之前，我们就对该车模进行了详细的系统分析。
B型车模相对于去年的A型车而言：轮子大、底盘高、电机响应迟钝，虽然在去年的基础上加了防滑胶套，但整个模型的摩擦力不及A型车模，因此在规则允许范围内尽量改造车模，提高车模整体性能是很必要的。
本章将主要介绍我们对B型车模的机械结构认识及调整方案。
2.1车体机械建模此次竞赛的赛车车模选用由北京科宇通博科技有限公式提供的B型车模。
车模示意图如图2-1所示。
图2-1 B型车模示意图车模具体参数：长28.75cm，宽16.6cm，高7.0cm，轴距20cm，前轮距（主动轮）14cm，后轮距13.8cm，轮胎直径6.4cm，前轮宽2.7cm，后轮宽3.7cm，底盘采用2.5mm 厚的黑色玻纤板，具有较强的弹性和刚性。
前轮调整方式简单，全车滚珠轴承，主减传动比36/105。
前后轮轴高度可调(离地间隙0.75cm/1.65cm），双滚珠差速。
电机采用DC7.2V RS540马达，转速20000r/min，内装散热风扇。
舵机采用S-D5数码伺服器，工作电压4.5-5.5V，带堵转保护电路，力矩5.0kg，动作速度≤0.14±0.02sec/60。
2.2车模转向轮的定位与调整本届比赛要求B型车模通过四条轮胎与地面接触，主动轮作为前轮，转向轮作为后轮。
两个前轮同轴受到限位，无法调整，与模型车的前进方向保持平行，因此要改变模型车与地面的接触方式，调试出利于模型车转向、直线的四轮定位，只能通过调整转向轮来实现。
为满足参赛队员对各种机械结构的尝试，组委会同意可以将转向轮的左右轮进行位置调换。