第六届飞思卡尔智能车东北大学-猎豹二队技术报告.doc

个人收集整理 勿做商业用途第六届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛技 术 报 告学 校： 东北大学 队伍名称： 猎豹二队 参赛队员： 常征、童轶凡、杨善宝 带队教师： 肖军、陈述平 关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第六届全国大学生“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： 目录目录III第一章 引言- 1 -1.1 课题背景与意义 1 1.2 智能车竞赛国内外现状- 2 1.3 智能车竞赛的发展趋势- 3 1.4 竞赛相关规则简介- 3 -1。5 技术报告的结构 4 第二章 MC9S12XS128单片机 6 -2。1 单片机功能概述- 6 2.2 主要模块介绍- 8 -2.2。1 PWM模块 8 2.2.2 时钟产生器模块- 10 2。2.3 定时器/计数器模块 11 -2.2。4 SCI异步串行通信模块- 11 2。2。5 I/O口模块- 12 -2。2.6 SCI模块- 13 2。3 本章小结- 14 -第三章 智能车系统架构及硬件电路设计 15 3。1 系统方案设计 15 3.2 电路设计及外部模块- 16 3。2.1 电源部分设计 17 -3。2.2 视频信号采集电路设计- 18 -3。2.3 动态镜像阈值电路的设计- 19 3。2。4 电机驱动电路设计 19 -3.2.5 串口调试模块 20 3。2。6 转速测量模块- 20 -3.3 车体机械结构调整- 21 -3。3.1 前轮调整- 21 3。3。2 悬挂调整- 23 -3。3.3 舵机改装- 24 3.4 本章小结 25 第四章 视频信号采集与图像处理- 27 4.1 摄像头工作原理 27 4.2 程序整体框架 28 4。2.1 软件结构- 28 -4。2.2 开发环境- 30 -4。3 动态阈值的二值化 31 4。4 摄像头信号采集- 32 -4.4.1 采集分析 32 -4。4.2 采集时序 32 4。4.3 采集程序- 36 -4.5 图像信息畸变的矫正 36 4。6 提取黑线- 41 -4.6.1 提取方法- 41 4。6.2 虚线处理 43 4。7 本章小结 44 -第五章 控制策略及算法- 45 -5.1 舵机转向控制策略 45 -5.1。1 舵机控制思想- 45 5.1.2 优化赛车走线 48 5.2 改进的速度控制策略 50 5.2。1 常规PID调节 50 5.2。2 加减速改进- 52 5.3 改进的速度给定调节策略- 53 5。4 后轮差速控制策略 54 -5。5 调试平台- 55 5。6 本章小结 58 第六章 结论- 59 -参考文献- 61 -LXIV第一章 引言1.1 课题背景与意义飞思卡尔智能车竞赛是教育部正式承认的一项正规大学生竞赛，起源于韩国。2000年，韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办了一次以 HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车,在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高,谁就是获胜者.制作智能车涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期的推动作用1。如图1.1所示，第五届智能车竞赛决赛参赛车辆.图1。1 第五届智能车竞赛决赛参赛车辆2005年11月，中国高等学校自动化专业指导分委员会与飞思卡尔半导体公司签署了双方长期合作协议书。首届智能车竞赛于2006年8月20日在清华大学进行，共有来自全国57所高校的112支参赛队参加.从第一届到第五届比赛规模越来越大，赛道变化也越来越多，第五届全国总决赛的赛道如图1。2所示。在前几届智能车竞赛中我校均取得了不俗的成绩。第六届智能车大赛将在古城西安的西北工业大学举行，届时比赛队伍数量及比赛影响又将会达到一个新的高度。图1.2 第五届智能车竞赛决赛现场全国大学生智能车大赛和其他竞赛一样，为了培养大学生实践创新能力和团队精神而开展的.该项赛事与全国大学生数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛齐名，被认定为国家教育部正式承认的第五个大学生竞赛项目1。在国内高校中有着相当广泛的影响力,吸引了国内众多知名高校参加。该竞赛以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。这对进一步深化高等工程教育改革,培养本科生获取知识、应用知识的能力及创新意识，培养硕士生从事科学、技术研究能力具有重要的意义。对于高校相关学科学术领域学术水平的提高也有一定的帮助。1.2 智能车竞赛国内外现状韩国汉阳大学从2000年开始举办智能车比赛,至今已办10届，每年全韩国大约有100余支大学生队伍报名参加并准予比赛,得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐得到了企业界的极大关注.韩国现代公司自2004年开始免费捐助一辆轿车作为赛事的特等奖项，德国宝马公司也提供了不菲的资助，邀请三名获奖学生到德国宝马公司研究所访问。以2004年的比赛为例,该届比赛共有68支队伍参加,使用的赛车模型是MATIZ 1：10的赛车模型，配备标准驱动电机、转向舵机和可充电电池，控制芯片则使用Freescale的16位单片机MC9S12DP256。该届比赛不仅有直道、弯道，还有上下坡.我国从2006年才开始举办智能车竞赛。首届比赛采用MC9S12DG128作为主控芯片，相比于MC9S12DP256有256K的程序存储空间,MC9S12DG128只有128K程序存储空间。赛车模型、舵机和驱动电机与韩国2005年汉阳大学比赛时几乎相同.首届比赛，赛道中只有直道和弯道，没有上下坡。从赛车寻迹技术方案来看，赛道检测方式也大体分为红外发射/接受管检测方式和CCD/CMOS摄像头检测方式两类.但是采用摄像头方案的成绩普遍比采用红外传感器方案的好.在第二届比赛全国总决赛中出现上下坡的限制，因此比赛变得更加复杂。第三、第四、第五届比赛每年都有新规则出现，但是从比赛成绩上看，小车的平均速度每年都有显著地提高，采用摄像头方案的成绩更加明显。今年的第六届比赛在前五届的要求基础上，增加了虚线，更换了车模，不论在速度提高还是检测难度上都有了更高的要求。1.3 智能车竞赛的发展趋势比赛规定由前三届的必须使用MC9S12DG128，第四届可选MC9S12XS128微控制器，到第五届可以选用MC9S12XS128微控制器或是一片16位飞思卡尔DSC芯片,而第六届选择范围又增加了两片8位飞思卡尔微控制器的方案。限制的范围有所放宽。这就给广大的参赛队伍广泛的选择余地。随着智能车比赛的不断发展，对控制器的选择限制也将进一步放宽，这也是对参赛队伍提供更加广大的发挥空间。新的规则也将不断被加入.与第一届比赛相比，第二届比赛就引入了上下坡,第三届比赛又增加了识别起跑线，在完成两圈路程在起跑线3米之内停车的规定，第四届又增加了窄道路段,到了第五届赛道整体宽度全部变成窄道，而且更换了宽体车模，第六届增加了虚线赛道类型，摄像头组采用双电机车模。这无疑增强了比赛的观赏性，也对控制策略提出新的要求。1.4 竞赛相关规则简介参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计,包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等,完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍的名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术报告、制作工程质量评分为辅来决定。大赛根据车模检测路径方案不同分为电磁、光电与摄像头三个赛题组。车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组；车模通过采集赛道图像(一维、二维）进行进行路经检测的属于摄像头组；车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路经检测的属于光电组。1.5 技术报告的结构本文提出了一种基于MC9S12XS128的智能车设计方案，包括硬件设计、机械结构调整、图像采集与处理以及控制算法的实现。下面是本文各章节的安排。(1) 第一章 引言。本章主要讲述了课题的背景和意义，介绍了国内外智能车竞赛的现状以及国内的发展趋势.接着介绍了比赛的相关规则。本章的最后，给出了本文主要的研究内容.(2) 第二章MC9S12XS128。本章首先概述了本系统设计所使用的主控芯片MC9S12XS128的主要功能。接着介绍了一些主要模块，并给出了初始化程序.(3) 第三章 智能车系统架构及硬件电路设计.本章首先给出了系统方案的框架，接着分模块讲述了硬件电路的设计及外部模块的使用。最后介绍了机械结构调整的方法和作用。(4) 第四章 视频信号采集与图像处理。本章首先对摄像头的工作原理给出了详细的介绍。接着介绍了程序的整体框架和开发环境.本章对动态阈值的二值化方案作出了解释和说明，并对摄像头信号的采集、畸变的矫正以及黑线的提取，做了详细的介绍。(5) 第五章 控制策略及算法。本章主要介绍了舵机控制和速度控制算法，描述了模型建立的方法，和实际测试的效果。并对后轮差速控制策略进行了讲解.最后介绍了调试平台及其发挥的作用。(6) 第六章 结论。本章是对整篇论文内容的总结.概括说明模型汽车制作过程整体情况和技术指标。指出其中存在的问题和可以进一步改进方向。 第二章 MC9S12XS128单片机2.1 单片机功能概述MC9S12X系列单片机是HCS12系列的增强型产品，基于S12CPU内核，可达到25MHz的HCS12的25倍的性能。S12X系列增加了172条额外指令，可以执行32位计算，总线频率最高可达40MHz,并且具备完全的CAN功能，改进了中断处理能力。S12X系列的CPU以复杂指令集CISC架构，集成了中断控制器,有丰富的寻址方式。中断有7个优先级并且内核支持优先级的调度，最多可有117个中断源2。见图2。1所示.图2。1 80脚QPF封装的XS128系列单片机图2。2所示为MC9S12XS128的各个模块2:(1) 16位的CPU12X内核；(2) 时钟和复位发生器；(3) 128K FLASH，8K ROM，2K EEPROM；(4) 3个1M bit/s的CAN 模块，支持CAN2.0A、B两种协议；(5) 8个16位输入捕捉或输出比较；(6) 8位/16位脉冲累加计数器；(7) 8个PWM通道;(8) 2个异步串行通讯（SCI）模块;(9) 2个同步串行通讯（SPI)模块；(10) 内部IC总线；(11) 112引脚贴片封装和80引脚贴片封装两种封装形式；图2.2 XS128系列单片机各个模块框图2.2 主要模块介绍2.2.1 PWM模块PWM（Pulse Width Modulate）即脉冲宽度调制，是一种控制波形占空比的方法来对输出电压进行控制的调制方法，主要用来进行电机的控制。MC9S12XS128中的PWM模块有如下特点2：(1) 8个独立可编程的PWM通道；(2) 专用的PWM计数器;(3) 软件选择脉冲极性；(4) 左对其或中心对其方式;(5) 8个8位通道，或4个16位通道；(6) 4个时钟源；在智能车控制系统中,要求舵机的PWM的频率是50100Hz，占空比的调节精度要达到0.05%，所以必须用16位PWM。为了尽量提高控制精度，后轮电机也同样选择16位PWM。PWM波形的两个最重要参数是周期和占空比，通过PWMPERx（PWM周期寄存器)和PWMDTYx（PWM占空比寄存器）两个寄存器可以对其进行设定.为了加大舵机的反应速度，选取舵机的控制频率为100 Hz，为了驱动电机的转速平稳，选取直流电机的频率为20kHz。PWMx通道的周期计算公式是： (2。1)PWMx的占空比计算公式是： (2.2）初始化程序如下:void PWM_Init(void)/通道01右后轮电机前进，通道2右后轮电机倒退;通道45左后轮电机前进，通道3左后轮电机倒退;通道67舵机PWMCTL = 0xD0； /con67=1,con45=1，con23=0.con01=1; 输出三路16位的PWM和两路8位的PWMPWMCAE = 0x00; /输出左对齐PWMPOL = 0xFF； /正极性输出PWMCLK = 0xFF； /Clock SA为01，45通道的时钟，Clock SB为2、3通道的时钟，Clock SB为67通道的时钟PWMPRCLK = 0x31; /时钟源A=BusClock/2=24mhz，时钟源B=BusClock /8=6MHzPWMSCLB = 6； /SB=B/2/6=500KHzPWMSCLA = 4； /SA=A/2/25=3MHz/BTS7960后轮电机PWMPER01 = 1200； /2.5khzPWMDTY01 = 0; /PWM01初始不输出(电机没有转速）PWMPER2 = 200； /2.5khzPWMDTY2 = 0； /PWM2初始不输出（电机没有转速)PWMPER45 = 1200; PWMDTY45 = 0； /PWM45初始不输出(电机没有转速) PWMPER3 = 200; PWMDTY3 = 0； /PWM3初始不输出(电机没有转速)/舵机PWMPER67 = 5000; /PWM67=SA/5000=500000/5000=100HzPWMDTY67 = STEER_MID； /舵机无偏转PWME = 0xFF； /通道使能2.2.2 时钟产生器模块为了达到控制需要，将锁相环频率提高到48MHz。在XS12单片机中，PLL的输出频率PLLCLK由SYNR和REFDV两个寄存器的值以及外部晶振频率OSCCLK决定,计算公式是： （2.3)所使用的开发板上外部晶振频率是16MHz，需要的内部时钟为96MHz，所以SYNR的值为21，REFDV的值为7。初始化程序如下:void CLK_Init（void）CLKSEL=0X00；PLLCTL_PLLON=1；SYNR = 0xd7; /-48M =0x53; -40MREFDV = 0x07; /PLL=2*OSC(SYNR+1）/（REFDV+1)POSTDIV=0；_asm(nop）; _asm(nop）;_asm(nop);_asm（nop)；while(！(CRGFLG_LOCK=1); /等待锁相环稳定CLKSEL_PLLSEL =1； /设置锁相环为内部时2.2.3 定时器/计数器模块MC9S12XS128的定时器/计数器具有定时溢出、输入捕捉、输出比较、脉冲累加等功能.系统用脉冲累加器来记录小车所走的路程以及小车的速度，用模下计数器定时来确定摄像头采集的时间。用输入捕捉来捕捉场/行同步信号.将定时/计数器的功能初始化如下:void TIM_Init（void) TIOS = 0x00； /所有通道做输入捕捉TCTL4 = TCTL4_EDG0A_MASKTCTL4_EDG1B_MASKTCTL4_EDG2A_MASK； TCTL3 = TCTL3_EDG6B_MASK;/channel 0 捕捉上升沿-奇场同步信号/channel 1 捕捉下降沿-偶场同步信号/channel 2 捕捉上升沿-行同步信号/channel 6 捕捉下降沿TSCR2 = 0x00； /定时器禁止中断 自由计数 定时器频率=总线频率 TIE_C0I = 1;TIE_C1I = 1; /channel 1 奇偶场同步中断允许TIE_C2I = 0; /行中断暂时关闭TIE_C6I = 1； TSCR1 = 0x80; /主定时器计时,快速清标志位/TSCR2 = TSCR2_TOI_MASK; /计时器溢出开启中断，正常复位(自由计数），计时时钟频率BusClockPACTL = PACTL_PAEN_MASK|PACTL_PAOVI_MASK； /PA使能，中断打开PACNT = 0； 2.2.4 SCI异步串行通信模块MC9S12XS128内集成了两个SCI模块，分别称之为SCI0和SCI1.其特点是2：(1) 半双工/全双工模式；(2) 13位波特率寄存器;(3) 8位/9位可编程数据位；(4) 独立的发送和接收；(5) 可编程的发送极性；(6) 硬件极性检查；(7) 1/16位时间噪声检测;异步串行通讯模块用来在单片机和上位机之间进行数据的传输，方便小车的调试，可以迅速准确找到原因。设定时需要上位机和下位机之间约定通讯数率、（通常用波特率表示)数据位数、奇偶校验方式、停止位个数等。初始化程序如下:void SCI_Init(void) /初始化SCI0uchar clear; SCI1BDH = 0x01； /波特率=9600，此时需busclock=48MHzSCI1BDL = 0X39； SCI1CR1 = 0x00； /PE=0无校验,8位数据格式位SCI1CR2 = 0x0C; /中断关，使能发送接受SCI1DRH = 0x00; clear = SCI1SR1； /清所有标志 2.2.5 I/O口模块MC9S12单片机具有丰富的I/O口引脚。MC9S12XS128有两种封装方式，80引脚和128引脚。除了一些特殊功能引脚不能用之外，大部分都可以做I/O口输入输出。其中有单纯的输入输出引脚如PORTA，PORTB等；也有复用的I/O口引脚,如PORTP。在做PWM功能用时，是PWM波形的输出通道，在做输入输出时，也可代替普通I/O口.初始化程序如下：void IO_Init(void)/初始化输入输出端口DDRA = 0x00; /PORTA拨码开关DDRB = 0x00； /PORTB拨码开关DDRE = 0xff; /接四个LED灯DDRS_DDRS1 = 1；DDRS_DDRS0 = 1;DDRM_DDRM1 = 1;DDRM_DDRM0 = 1;DDRJ_DDRJ7 = 0; /二值化io输入PUCR_PUPAE = 1; /PORTA上拉电阻使能PUCR_PUPBE = 1; /PORTB上拉电阻使能PORTE = 0x00;2.2.6 SCI模块MC9S12XS128内集成了两个SCI模块，分别称之为SCI0和SCI1。其特点是：(8) 半双工/全双工模式;(9) 13位波特率寄存器；(10) 8位/9位可编程数据位;(11) 独立的发送和接收；(12) 可编程的发送极性;(13) 8中中断类型标志；(14) 接受结构检测；(15) 硬件极性检查；(16) 1/16位时间噪声检测;异步串行通讯模块用来在单片机和上位机之间进行数据的传输，方便小车的调试，可以迅速准确找到原因。设定时需要上位机和下位机之间约定通讯数率、（通常用波特率表示）数据位数、奇偶校验方式、停止位个数等。初始化程序如下：void SCI_Init(void） SCI0BDL = 0X9C; SCI0BDH = 0x00； /波特率=9600,此时需busclock=24MHzSCI0CR1 = 0x00; /PE=0无校验，8位数据格式位SCI0CR2 = 0x0C； /中断关，使能发送接受SCI0DRH = 0x00； SCI0SR1； /清所有标志2.3 本章小结 分析了MC9S12XS128单片机的基本原理，针对MC9S12XS128单片机各个模块的功能进行了调试，最终完成了各个模块的初始化程序.第三章 智能车系统架构及硬件电路设计3.1 系统方案设计智能车系统主要由CMOS摄像头、视频采集辅助电路、测速装置、电机驱动电路、舵机、直流电机和电源几部分组成。系统硬件结构框图如图3。1所示。图3。1 系统硬件总体框图智能车系统控制由MC9S12XS128作为核心.由CMOS 摄像头对路况信息进行采集,并将采集来的信息通过视频信号分离芯片（LM1881）分离出场同步和行同步信号,单片机通过这些信号的指引来执行程序、获取图像数据.同时，测速装置测量电机的速度, MC9S12XS128对反馈进行计数，间接反映车速.MC9S12XS128根据采集来的图像特征，通过一定的算法,来对舵机进行适当的控制。结合反馈通过PID速度调节输出PWM波形到驱动芯片BTS7960驱动直流电机。系统由7.2V电池供电，舵机和BTS7960芯片电源由电池直接供给。经过电源稳压芯片LM2940输出+5V电压给MC9S12XS128和其他芯片供电，通过DC/DC 变换器控制电路MC34063输出9V为摄像头供电。3.2 电路设计及外部模块由于摄像头方案并不需要太多的IO口,所以本系统采用80引脚封装的MC9S12XS128作为核心MCU。负责采集视频信号、获取小车速度反馈,并输出PWM波控制舵机和直流电机。同时为各个模块提供所必需的电源电压、接口，是各个模块连接的中心。系统电路板的设计原理图如图3。2所示。图3.2 系统电路板原理图为了尽量降低小车的重心，电路板设计需尽量紧凑，并在适度范围内，尽量做到电磁兼容,减少自身的电磁干扰。设计完成的电路板实物图见图3.3.图3。3 系统电路板实物图3.2.1 电源部分设计电池的额定电压为7。2V，可以直接给舵机和电机驱动BTS7960供电。使用低压差降压芯片LM2940，为MC9S12XS128和其他IC提供5V稳压.使用DC/DC 变换器控制电路MC34063为摄像头提供8V电源。电源模块的电路原理图设计图3。4所示。图3。4 电源模块的电路原理图3.2.2 视频信号采集电路设计将视频信号经过LM1881分离出奇偶场同步信号，复合同步信号3,分别由MC9S12XS128的输入捕捉引脚PT1，PT2,PT0捕捉，用于同步场中断和行中断。从而准备的采集视频信号。视频信号采集模块的电路原理图设计图3。5所示。图3.5电源模块的电路原理图3.2.3 动态镜像阈值电路的设计将视频信号经过一个PNP三级管8550反相，通过集电极的电位器将反相视频信号调整到合适电位,并将视频信号与反相视频信号同时接到比较器LM3934的两个输入引脚,反相视频信号作为参考电压。比较器的输出即为二值化的视频信号。动态镜像阀值电路原理设计图如图3.6所示。图3。6 动态镜像阀值电路原理图3.2.4 电机驱动电路设计由于C型车模有两个电机，因此需要两个全桥来驱动两个电机，由于BTS7960是半桥芯片，因此，本方案一共需要4片BTS7960。BTS7960具有驱动电流大,内阻小，发热量小的优点6,对于C型车模的电机来说已经足够。电机驱动电路原理图如图3.7所示.图3.7 电机驱动电路原理图3.2.5 串口调试模块无线串口选用了ZTTR43S微功率无线传输模块5,是一种短距离无线数据传输产品,有效传输距离最高可达300米.无线模块实物图如图3.8所示。图3.8 无线模块实物图3.2.6 转速测量模块考虑到速度测量对智能车速度调节的重要性,本方案并没有使用自制的光电码盘以及霍尔元器件，红外传感器等其他的测量手段，而是采用更加稳定可靠的光电编码器。受安装方式以及安装空间影响，本方案决定采用日本品牌NIDEC NEMICON的157线光电编码器。光电编码和实际安装效果如图3。9所示.图3.9光电编码器实际安装效果图3.3 车体机械结构调整3.3.1 前轮调整此套车模在车轮定位方面可以改动的地方有：主销前后倾角、主销内外倾角、前轮前束7。主销前后倾角，如图3。10所示，可以通过改变悬挂上前后黄色小垫片的数量（原车前后各有两个黄色小垫片，主销处于垂直状态），当模型车需过坡道，或在比较颠簸的路面行驶时，主销宜有一定后倾角，但后倾角不能过大，否则会产生过大的回正力矩，导致模型车在出弯进入直道时发生左右摆动。(a) 示意图 (b） 实物图图3.10主销后倾角主销内外倾角,如图3.11所示，可通过旋转悬挂上导向臂螺杆,改变上导向臂螺杆长度，在不同的赛道调试时，主销内外倾角会有不同的设置,在急弯较多的赛道上行驶时,宜使主销有一定的内倾角,提高过弯时的稳定性，但倾角不宜过大。主销的倾角设置应在调试赛车时不断调整,不同的赛道和不同的程序会有不一样的倾角设置,具体的角度设置应视调车时车辆的行驶情况而定.(a) 示意图 (b) 实物图图3。11 主销内外倾角示意图前轮前束，如图3.12所示,是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差,也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损.前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。 (a) 示意图 (b）实物图图3.12 前轮前束示意图3.3.2 悬挂调整模型车悬架上原装的弹簧属于刚度较大的弹簧，如图3.13所示，适用于较高车速，在高速过弯时可以减小车身的侧倾，提高稳定性。但模型车的悬挂上没有阻尼，在高速通过急转弯时，前轮会出现较大的跳动,大大降低车速和行驶稳定性，当出现这种情况时，应选用刚度较小的弹簧。图3.13 前轮悬挂示意图模型车悬挂的下方可以加装垫片，用来降低底盘高度，在没有坡道或比较平顺的路面行驶时，应降低底盘高度，以此降低整车重心高度，这样有利于模型车在高速行驶时的稳定性。当加装垫片后，会使底盘与悬挂连接的螺钉容易松动，应改用较长的螺钉，同时改用螺栓连接或用胶粘来防止螺钉松动.当赛道上有坡道时，底盘就不能过于降低，过低的底盘会在模型车通过坡道时,底盘与赛道发生碰撞,所以底盘高度应调整到通过坡道时底盘不与赛道发生碰撞为宜. 车轮是模型车与地面接触的唯一部件，所以车轮的改装也十分必要，由于规则的限定，只能对轮胎性能做部分改动。可以将轮胎与轮毂用胶粘住,增加轮胎的侧偏刚度，提高车轮高速过弯的能力，粘胎时要十分谨慎，不能让胶撒在轮胎表面上.粘胎用的胶可选用 502，由于502为腐蚀性胶水，长时间使用轮胎会产生裂纹。为提高轮胎与地面的附着力，可将轮胎中间的凸起线剪掉，保持轮胎与地面接触面平整。在跑车时要时刻保持轮胎清洁，必要时要用湿布擦洗，保持轮胎潮湿，但不能有水，可以提高轮胎与地面的附着力.3.3.3 舵机改装原车模的舵机安装是横直势的，舵机转向点不在车的正中间,导致车的两个转向连杆长短不一致，在控制模型车左右车轮转过相同角度时，单片机输出 PWM 波的占空比相对舵机中值（保持模型车直线行驶时单片机输出 PWM波的占空比)不对称，所以给模型车转向控制带来一定的困难；而且原装模型车舵机输出轴与转向拉杆的铰支点间距离较短，使得转向轮转向力大，但响应速度缓慢,试验证明,模型车转向是不需要很大的转向力矩，但当车速较高时，舵机的响应速度就不能满足控制要求，因此需加长舵机输出轴与转向连杆铰支点的距离.在设计舵机输出轴与连杆间的加长臂时,应注意加长臂的尺寸，过长会减小转向力，放大转向连杆铰接点的间隙,导致转向轮晃动，过短会使转向响应速度变慢。经过尝试，选择加长臂的长度在30mm左右比较合适.最终舵机安装效果如图3.14所示。图3。14 舵机安装示意图最终的转向机构应尽量满足内外转向轮的法向延长线与后轴的延长线交于一点,即符合阿克曼转向原理;或至少满足内侧转向轮的转角略大于外侧撞向轮的转角.这样可以使模型车在过弯时转向轮处于纯滚动状态,减少过弯时的阻力，减小轮胎的磨损。理想效果如图3.15所示.图3。15 阿克曼转向原理示意图3.4 本章小结本章主要内容包括了电路的设计和小车机械结构的调整。电路设计包括了电源模块、视频采集模块、电机驱动等；机械结构的调整主要为了达到增加舵机响应速度、降低和调整重心等方面的改进。第四章 视频信号采集与图像处理4.1 摄像头工作原理目前市面上的摄像头分为彩色摄像头和黑白摄像头。由于赛道底板为白色，导航线为黑色，只需提取画面的灰度信息，而不必提取其色彩信息，因此摄像头选用了黑白摄像头。摄像头的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点,当扫描到某点时,就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值,然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言,摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化.当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3V),并保持一段时间。这样相当于,紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志.然后，跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描的）,开始扫描新的一行,如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着会出现一段场消隐区。该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于（即持续时间远长于）其它的消隐脉冲，称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾和下一场的开始部分,得等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来.扫描方式如图4.1所示。PAL制式的摄像头每秒扫描25幅图像，每幅又分奇、偶两场。先奇场后偶场，每场时间20ms。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。水平扫描电子束垂直扫描场消隐时间行消隐时间图4.1 摄像头扫描方式图4.2 程序整体框架4.2.1 软件结构在硬件结构稳定了之后，合理的加减速控制和更好的走线就是软件设计的任务。根据系统需求，设计软件流程如图4.2所示。停车开始初始化采集一场二值化图像数据下一场信号到PID速度调节图象处理舵机控制速度调节完成比赛YYN结束N图4。2 系统软件流程图当各模块初始化完成之后，首先采集一场的图像数据，来确定当前的速度给定，然后等待下一场中断信号的到来。场中断到来后，开始处理上一场的数据.为了保证pid的调节周期稳定在20ms,首先在场同步信号到来之后立即进行pid的调节.随后进行图像处理，提出有用的图像信息,进行舵机控制和速度控制。当识别出起跑线,启动停车程序。整个程序结束。4.2.2 开发环境Codewarrior 是由Metrowerks 公司提供的专门面向Freescale 所有MCU 与DSP 嵌入式应用开发的软件工具8。其中包括集成开发环境IDE、处理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理、C 交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。CodeWarriorIDE 能够自动地检查代码中的明显错误，它通过一个集成的调试器和编辑器来扫描代码，以找到并减少明显的错误，然后编译并链接程序以便计算机能够理解并执行程序。每个应用程序都经过了使用CodeWorrior，这样的开发工具进行编码、编译、编辑、链接和调试的过程.具体到比赛所应用MCS12XS128 的一个显著特点就是片上外围设备众多，每个外围设备对应的寄存器也较多，有的甚至达到三十多个.Metrowerks Codewarrior IDE 中的mc9s12xs128。h 文件对所有寄存器对应的存储映射地址都进行了宏定义，开发者在软件开发时直接调用这些宏就可以了。而且，这些宏的名称都与说明文档上相应寄存器的名称相同或类似，便于对MC9S12XS128 的开发。Codewarrior IDE的操作界面如图4.3所示。图4。3 Codewarrior IDE的操作界面4.3 动态阈值的二值化视频信号的采集在智能车的应用中，通常有两种方式：一是通过AD采集视频信号的电压值，然后在软件中进行阈值处理,将灰度信号转换成二值化信号；二是先设定一个阈值，通过比较器，在硬件上对视频信号进行二值化处理，然后通过IO口读取二值化以后的信号。由于IO口的读取速度要比AD采样快的多，每行能采的点数就可以大幅增加。但是第二种方案缺点是参考电压固定不变,若不经过其他电路或者软件处理，很难实现动态阀值,所以导致图像信号受环境光线强度的影响。造成车子的环境适应能力很差，特别是当车跑的快时，容易丢失信号，造成车子未能正确识别路径.所以此方案虽然有很大的优点，但也有其比较致命的缺点。为了解决第二种方案不能动态阈值的缺