第五届飞思卡尔杯智能汽车竞赛决赛浙江理工大学摄像头天速星队报告.docx
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第五届飞思卡尔杯智能汽车竞赛决赛浙江理工大学摄像头天速星队报告
第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛
技术报告
学校：
浙江理工大学
队伍名称：
浙江理工大学天速星队
参赛队员：
林赛挺
施蒋听
储龙
带队教师：
黄海
王成群
关于技术报告和研究论文使用授权的说明
本人完全了解第四届全国大学生“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：
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带队教师签名：
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日期：
＿＿＿＿＿＿＿＿＿
摘要
本智能车系统以MC9S12XS128微控制器为核心，通过CCD摄像头检测模型车的运动位置和运动方向，采用全程匀速的速度控制策略来控制车速以及使用P控制算法调节舵机的角度，完成对模型车运动速度的开环控制和运动方向的闭环控制。
为了便于对智能小车在行驶过程所经过的路径与所看到的图像进行研究，我们使用了简易的电视盒装置以及模拟小车路径进行在线调试，截图分析。
实验结果表明，该系统设计方案可行。
关键字：
MC9S12XS128，CCD摄像头，全程匀速，P控制
ABSTRACT
Inthispaperwewilldemonstrateasmartcarsystembasedonthemicro-controllerunitMC9S12XS128.Themicro-controlleruseaCCDimagesensortoobtainlaneimageinformationtoadjustthemodelcar’smovingpositionanddirection.WecoverthewholedistanceataspecifiedspeedandusePIDcontrolmethodtoadjustthedirectionofsteeringelectromotor.So,wecompletetheopen-looptothespeed,andtheclosed-looptothedirection.Inordertohaveabetterstudyofthedifferentpicturesandpathsthesmartcarreceivesduringitsdrive,weuseasimpleTVsetandbywayofstimulatingthepossiblecar’spathtodebugon-linetosnatchpicturesforafurtherstudy.Theresultoftestsindicatesthatthedesignschemeofsystemisavailable.
KeyWords：
MC9S12XS128，CCDimagesensor，Allwayaspeed，Pcontrol
摘要………………………………………………………………………………III
ABSTRACT……………………………………………………………………………IV
引言………………………………………………………………………………VI
第一章系统总体设计…………………………………………………………1
1.1系统工作原理分析…………………………………………………………1
1.2智能车整体布局……………………………………………………………1
1.3系统设计结构图……………………………………………………………2
第二章智能车机械系统设计与实现…………………………………………3
2.1车体机械建模………………………………………………………………3
2.2舵机的安装…………………………………………………………………3
2.3摄像头的安装………………………………………………………………4
2.4前轮倾角的调整……………………………………………………………5
2.5底盘的调整…………………………………………………………………7
第三章硬件系统设计与实现…………………………………………………8
3.1硬件设计方案………………………………………………………………8
3.2电路设计方案实现…………………………………………………………8
3.21以S12为核心的单片机最小系统……………………………………8
3.22电源稳压电路…………………………………………………………9
3.23视频同步分离电路……………………………………………………10
3.24电机驱动电路…………………………………………………………11
3.3摄像头的选择……………………………………………………………13
第四章软件系统设计与实现…………………………………………………14
4.1图像处理…………………………………………………………………14
4.11图像采集………………………………………………………………14
4.11.1摄像头工作原理…………………………………………………14
4.12黑线提取………………………………………………………………17
4.13起始道判断……………………………………………………………18
4.2控制算法…………………………………………………………………18
4.21舵机P控制……………………………………………………………18
4.22电机匀速开环控制……………………………………………………19
第五章调试工具开发与使用…………………………………………………20
5.1开发工具…………………………………………………………………20
5.2黑白电视机………………………………………………………………20
第六章模型车的主要技术参数………………………………………………21
第七章总结……………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………………24
附录源程序…………………………………………………………………………I
引言
在长达4个多月的时间里，我们小组从最初对单片机的熟悉，方案的设计，以致到后来的小车第一次上路跑，到最后的快速跑，其间经历了痛苦与快乐。
此份报告展示了我们在小车制作方面的各方面的想法，是我们不断试验，共同努力的结果。
在制车的过程中，我们从其他学校的报告上不断吸收新鲜的设计方案，不断优化自己的方法，可以说是站在巨人的肩膀上学习。
第一章系统总体设计
1.1系统工作原理分析
智能车系统的工作原理是：
CCD摄像头拍摄赛道图像，通过XS128单片机系统内部AD进行模数转换，将得到的数据存入一个二维数组中，再通过一定的黑线提取算法，将提取的黑线中心存入一个一维数组中，通过此数组的某些参数与黑线的中心的偏差来控制车的转向。
在不同的赛道中，使用不同的参数P，实现分段控制。
而全程速度都是一个定值，避免了减速之后的加速过弯所消耗的时间。
1.2智能车整体布局
由于今年的只能车B车与往年的智能车A车在结构上有很大的不同，今年的B车号称越野车，四轮驱动，前后分别有两个弹簧，具有减震作用。
经过我们不断地试验，整体布局如下：
1）架高舵机并直立安装，以提高舵机响应速度；
2）主办位置放低，降低赛车重心；
3）采用轻质，高强度的材料制作摄像头支架；
4）由于电机位置固定，故将电池的位置移到舵机与电机之间，增大前轮抓地力
5）摄像头置于后轮正上方，减少盲区，同时又保证有足够的视野。
1.3系统设计结构图
第二章智能车机械系统设计与实现
今年的车模与去年的有很大的不同，最初拿到车模的时候，感到非常的不适应，感到越野车适合在山路上开的，而不是在平地上开的。
后来几经调整，将底盘放得很低，使车开起来平稳，同时，将前面的弹簧拿掉，换成固定连杆，使车在转弯时能够比较稳定地转向，而后轮的弹簧有减轻过弯摆尾的作用，因此保留着，整体的车的底盘是很低的。
2.1车体机械建模
赛车机械结构使用的是竞赛组委会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，四轮驱动方案。
具体车模数据如下：
车总长：
250mm
车总宽：
150mm
2.2舵机的安装
全国比赛过程中车速很快，这要求舵机转向要非常灵敏，我们使用的是主办方提供的舵机，额定电压为6V。
适当地增加电压能够提高舵机的灵敏度，但是太高了很容易使舵机烧坏，为了保守起见，我们将电压稳定在6.2V。
同时，为了解决舵机滞后问题，将舵机竖直安装，并且使输出杆等长，转角更加精确。
舵机具体安装结构如下图所示：
2.3摄像头的安装
对我们来说，摄像头看得太近或者太远都不是很好。
太近了，就失去了摄像头该有的前瞻性的特定；太远的话，干扰会比较大，而且我们是片内AD转换的，采集的精度不是很高，最远处干扰比较大。
因此，根据不断的测试，我们发现将摄像头架在离地面28cm左右，与杆子的夹角呈78度左右，这样，摄像头就能有1.2m的前瞻了，能够囊括各种不同的赛道。
杆子是用较轻的，并打有多个孔的金属杆做成的，方便我们在不同方位进行测试，找出最佳高度。
同时，杆子呈直角状，底部打的洞能够延伸出一条杆子与舵机相连接，使车身更加稳健。
摄像头具体安装结构如下图所示：
2.4前轮倾角的调整
前轮前束是前轮前端向内倾斜的程度，当两轮的前端距离小后端距离大时为内八字，前端距离大后端距离小为外八字。
由于前轮外倾使轮子滚动时类似与圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。
但由于拉杆的作用使车轮不可能向外滚开，车轮会出现边滚变向内划的现象，从而增加了轮胎的磨损。
前轮外八字与前轮外倾搭配，一方面可以抵消前轮外倾的负作用，另一方面由于赛车前进时车轮由于惯性自然的向内倾斜，外八字可以抵消其向内倾斜的趋势。
外八字还可以使转向时靠近弯道内侧的轮胎比靠近弯道外侧的轮胎的转向程度更大，则使内轮胎比外轮胎的转弯半径小，有利与转向。
但是，如果前轮调成了内倾角，则选用内八字比较好，因为这样两者刚好抵消，因此在调车我们选用了内倾加前束，这样在走直线的时候是比较直的。
在竞赛后，我们对各队的车子进行拍照，发现呈外八状的车子跑得都不是很理想。
这可能与其控制有关，但我感觉与车子的装法多少也有点关系的。
前轮调整图如下图所示：
2.5底盘的调整
为了尽量降低整车的重心，使车子开得比较稳，我们在车子底端加了一点PCB板，使得车子前轮的连接基本上是水平的，对后轮也做相同的处理。
第三章硬件电路系统设计与实现
3.1硬件设计方案
在智能车比赛中，硬件电路的设计目标是：
稳定、可靠、简单。
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。
在制作电路板的过程中，我们尽量将元器件换成可以替代的贴片来减小电路板的体积与重量，只引出被用到的引脚，使电路板简单，有效，可靠
3.2电路设计方案实现
整个智能车控制系统是由三部分组成的：
S12X为核心的最小系统板、主板、电机驱动电路板。
最小系统板直接固定在主板上组成信号采集、处理和电机控制单元。
主板上装有组成本系统的主要电路，它包括如下部件：
电源稳压电路、视频同步分离电路、摄像头接口、舵机接口、电机驱动器接口、编码器接口、键盘接口、电源接口、指示灯、按键、开关等。
3.21以S12为核心的单片机最小系统
单片机最小系统部分使用MC9S12XS128单片机，80引脚封装，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括PWM接口，计数器接口，外部中断接口，若干普通IO接口。
其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、BDM接口。
最小系统板
单片机主要引脚规划如下：
PA0-7：
外部输入端
PB0-7：
LED指示灯
PE1：
行中断信号输入
PT4：
场中断信号输入
PWM1：
舵机角度控制脉冲输出
PWM3，PWM5：
电机速度控制脉冲输出
3.22电源稳压电路
5V电源电路
6V电源电路
12V电源电路
3.23视频同步分离电路
我们的智能车使用黑白CCD摄像头对赛道信息进行采集。
摄像头视频信号中除了包含图像信号之外，还包含场同步信号、场消隐信号、行同步信号、行消隐信号等等。
因为，要对频率信号进行处理，就必须通过视频同步分离电路准确地把握各种信号间的逻辑关系。
我们使用LM1881芯片对视频信号进行同步分离，得到场同步信号与行同步信号。
视频同步分离电路如下图所示：
3.24电机驱动电路
电机驱动采用组委会推荐的MC33886芯片，根据前人的经验，我们直接采用改用两片MC33886并联，使用两片MC33886将堵转时通过电流的极限值提升了，这需要在供电模块中合理的布线解决，以提高整个驱动系统的可靠性，在设计PCB时还要为MC33886添加散热盘，降低其工作时的温度。
驱动电路原理图见下图：
由于反向制动时反向电动势很大，我们在MC33886的输出端加了续流二级管对电路加以保护，如下图所示：
3.3摄像头的选择
基于以往参赛选手的经验，CMOS摄像头动态图像差，智能车在高速行驶时，图像模糊，不利于黑线的提取。
CCD摄像头虽然工作电压为12V，且相对功率大，但图像对比度高，动态特性好，因此，我们选择分辨率为300线的，PAL制式的CCD黑白摄像头。
第四章软件系统设计与实现
4.1图像处理
4.11图像采集
视频采集模块由摄像头、1881视频信号分离芯片以及S12的AD模块构成。
4.11.1摄像头工作原理
摄像头分黑白和彩色两种，根据赛道特点可知，为达到寻线目的，只需提取画面的灰度信息，而不必提取其色彩信息，所以本设计中采用的是黑白摄像头。
摄像头主要由镜头、图像传感芯片和外围电路构成。
图像传感芯片是其最重要的部分，但该芯片要配以合适的外围电路才能工作。
将芯片和外围电路制作在一块电路板上，称为“单板”。
若给单板配上镜头、外壳、引线和接头，就构成了通常所见的摄像头，如聊天用的摄像头；若只给单板配上镜头，这就是“单板摄像头”。
单板摄像头日常生活中不多见，生产单板的公司通常将它们卖给其它公司，其它公司再按自己的要求包装这些单板。
单板通常有三个端子：
电源端、地端和视频信号端（有的还多出一个端子，那是音频信号端）。
电源接的电压要视具体的单板而定，目前一般有两种规格，6-9V或9-12V。
视频信号的电压一般位于0.5V-2V之间。
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（参见图），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。
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，故每秒扫描50场图像。
奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。
摄像头视频信号
摄像头有两个重要的指标：
分辨率和有效像素。
分辨率实际上就是每场行同步脉冲数，这是因为行同步脉冲数越多，则对每场图像扫描的行数也越多。
事实上，分辨率反映的是摄像头的纵向分辨能力。
有效像素常写成两数相乘的形式，如“320x240”，其中前一个数值表示单行视频信号的精细程度，即行分辨能力；后一个数值为分辨率，因而有效像素=行分辨能力×分辨率。
在利用LM1881分离出了行同步信号、场同步信号和奇偶场信号后，可以采用查询方式或者中断方式对视频信号进行采样。
结合前面的电路原理图，主程序采用I/O查询方式判别奇偶场信号跳变，并用中断方式处理行同步引发的外部中断。
当奇偶场信号发生跳变（即新的一场到来）时，对行同步信号计数器清零。
在行中断服务函数中，每来一个行同步则行计数器加1，当行计数等于所需采样行时，开始对此行信号进行AD转换，直到下一个行同步信号到来。
要能有效地对视频信号进行采样，首先要处理好的问题是如何提取出摄像头信号中的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲。
这里有两种可行的方法。
第一，直接通过单片机AD进行提取。
因为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲信号的电平低于这些脉冲以外摄像头信号的电平，所以据此可设定一个信号电平阈值来判断AD采样到的信号是否为上述三类脉冲。
第二，就是给单片机配以合适的外围芯片，此芯片要能够提取出摄像头信号的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲以供单片机作控制之用。
考虑到单片机的速度有限，而一些脉冲的间隔时间又较短，为了减轻其处理负担，采用了第二种方法进行信号提取。
LM1881视频同步信号分离芯片（简称1881）可从摄像头信号中提取信号的时序信息，如行同步脉冲、场同步脉冲和奇、偶场信息等，并将它们转换成TTL电平直接输给单片机的I/O口作控制信号之用。
1881的端口接线方式如图5-4所示。
其中，引脚2为视频信号输入端，引脚1为行同步信号输出端。
引脚3为场同步信号输出端，当摄像头信号的场同步脉冲到来时，该端将变为低电平，一般维持230us，然后重新变回高电平。
引脚7为奇-偶场同步信号输出端，当摄像头信号处于奇场时，该端为高电平，当处于偶场时，为低电平。
事实上，不仅可以用场同步信号作为换场的标志，也可以用奇-偶场间的交替作为换场的标志。
由1881及其外围电路构成的摄像头采样电路如图5-6所示。
摄像头视频信号端接1881的视频信号输入端，同时也接入S12的一路AD转换端口（选用AD0）。
1881的行同步信号端（引脚1）接入外部中断引脚（IRQ），同时将LM1881的场同步信号和奇-偶场同步信号输入到ECT模块中（选用PT1，PT2），这样，既可以采用查询方式获取奇偶场信号跳变，又可以采用脉冲捕捉方式获取电平变化。
通过这样的接线，为软件开发提供了多种选择的机会，使程序更加灵活。
4.12黑线提取
黑线的提取我们参考了去年上海大学的黑线提取方法，在前十行采用边缘提取方法，十行以后的利用跟踪边缘提取方法。
实验测得这种方法只要细节掌握好能够很好的提取出黑线。
下面是具体的黑线提取方法。
如图
1）首先准备提取黑线
2）用检测跳变的方法提取出前十行中每行的两个跳变点，然后求平均值就可以得到前十行的黑线位置。
当搜索到多个跳变的时候，我们根据上一行跳变的位置确定出最优的那个跳变的位置作为本行的黑线跳变位置。
当前十行都没有找到黑线的时候，我们就认为这幅图像的黑线丢失了，然后依据前一幅图像黑线的位置，给这幅图像的整体赋极值。
当只有十行中的几行丢失时，我们就继续搜索黑线直道找完前十行位置。
3）当前十行黑线存在时，我们利用前十行黑线的位置确定第十一行黑线的位置，然后在这个区间搜索黑线，依次类推用前一行黑线的位置确定后一行黑线的位置，当本行黑线没有找到时，此行黑线位置保持上行的值，下行搜索的位置相应的扩大。
有连续3行黑线搜索不到十我们就认为黑线丢失，退出搜索。
这样既可以去除干扰，还可以大大的提高算法的效率。
值得注意的是：
第十行和前一行第九行这个接口位置边缘确定非常重要，要考虑的非常全面，不然有可能就只能搜索到前十行的黑线，后面的黑线因为边缘的问题所有不到。
4）搜索完成后推出搜索。
对搜索到的黑线进行中值滤波和限幅滤波。
只要搜索范围合理，这种算法有很强的抗干扰能力，并且可以滤除十字交叉和三角黑区的干扰。
4.13起始道判断
参照各大学的起始线判断的思路，权衡利弊与联系自己的实际情况，我们最后采取了浙大一队技术报告中的起始线判断方法思想。
具体的方法判断步骤是：
①判断该幅图像为直线时，以得到的黑线左边20点的区域内采用阈值法搜索黑点，若某行有6个黑点，并且黑点与提取到的黑线间有4个或以上的白点，记录该行的行序号，进入步骤②。
②考虑到斜视起始道的情况，如下图所示，在①中得到行的上下各2行范围内搜索黑点，每行在以提取到的黑线点位置为中心，半径为20的范围内搜索。
若满足下列三个条件则判断为起始道：
a．每行在黑线的左和右都有至少两个白点（防止十字交叉道）。
b．左边和右边的黑点数目都必须大于一个常数。
c．起始道右侧的黑线段必须小于一定长度，该长度计算方法如下，在黑线右侧搜索的5行中，找出位置最右和最左的点，并用前者减去后者，得到黑线长度。
这个条件是为了防止斜视十字交叉道的情况
4.2控制算法
4.21舵机P控制
仔细研究过上海交通大学以及其他获得过比较好的名次的学校，发现控制舵机的基本上是采用比较成熟的PID控制方法。
但是效果最好的还是P控制，因为这个控制本身就比较模糊，如果能选择一行比较好的参考行来控制舵机的话，那么车子也依然能够沿着我们预想的轨道跑。
所以我们就采用简单的P算法。
采用不同赛道给不同参考行，也给不同的系数P。
当然这些参数都是要不断调试出来的，而且受摄像头的影响很大，因此摄像头的稳定对舵机的转向具有很大的作用。
4.22电机匀速开环控制
曾今我们使用过光栅来进行测速，可能装的不是很理想，测速精度很差，远远没有我们想要的结果。
在进行测试过弯最大速度的时候，我们使用匀速策略，但是发现整圈跑下来，整体上使用匀速比在弯道减速再加速策略所用的时间更短。
可能我们在弯道的速度控制方面不尽如意，因此，几经试验，我们决定使用匀速策略。
在使用匀速策略的时候，会面临很多问题，尤其是在弯道速度一旦过快的话，就很容易跑出赛道，尤其是过50CM的弯道。
经我们的反复测试，对我们而言，只有在直道进入50CM的弯道时，因速度非常快，转弯半径非常小，而导致这个弯不容易过，相反，如果没有这个弯道，在其它半径的弯道，我们可以把速度加得很大也不容易出去。
我们在我们自己的室内搭了个华北赛区的跑道，还在跑道中加了两个大S弯道，由于没有坡道，使用匀速测试下来，所用时间最快达到13S，平均时间14S，也就是说，如果光跑华北赛区的跑道，使用匀速战略，我们可能打进12S内，甚至更快。
因此在跑没有坡度的赛道上，我们的速度可以达到很大，试验证明使用匀速是可行的，当然这只是对地区赛的预赛与决赛，但是对于全国总决赛，因为有长直道，在直线得很快加速，再加上有很多弯道，半径大小都有，因此，只是利用开环匀速是不可能跑得好的，在全国赛的时候，我们会考虑利用光电编码器来进行速度闭环控制。
第五章调试工具开发与使用
5.1开发工具
程序的开发是在组委会提供的CodeWarriorIDE下进行的，包括源
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