1、智能小车讲座课程论文专业班级 学号 学生姓名 指导老师 王击 目录引言.3第一章 设计概览 .31 设计概述 .31.1 整车设计思路 .31.2 车模整体造型 .3图 1.2 车模整体造型 .4第二章 硬件设计 .52 硬件设计 .52.1 机械结构 .52.1.1 舵机改装 .52.1.2 电池固定 .52.1.3 电机定位 .62.1.4 底盘固定 .62.1.5 差速调节 .62.2 硬件电路 .62.2.1 电源设计 .62.2.2 电池电压检测模块 .72.2.3 驱动电路设计 .82.3 摄像头选型 .8第三章 系统软件设计 .93 软件设计 .93.1 程序整体设计 .93.2
2、 图像提取与处理 .103.3 控制策略 .123.3.1 整体控制 .123.3.2 PID 算法的引入与改进 .123.3.3 增量式 or 位置式 .14第四章 调试工具 .154 调试工具 .15第五章 总结 .165 总结 .16参考文献 .17引 言我 对 智 能 小 车 特 别 特 别 感 兴 趣 ， 我 自 己 也 组 队 准 备 参 加 智 能 车 比 赛 ， 但是 大 二 的 时 候 由 于 特 殊 的 原 因 终 止 了 我 的 只 能 车 之 旅 ， 只 能 无 奈 放 弃 了 。 通过 这 段 时 间 王 老 师 和 学 长 们 的 讲 课 内 容 ， 我 对 智 能
3、 车 又 有 了 进 一 步 的 了 解 和热 爱 。 下 面 写 论 文 的 时 候 我 将 会 把 我 了 解 到 的 智 能 车 知 识 和 我 当 时 做 小 车 时候 的 设 计 思 路 来 展 开 写 。全 国 大 学 生 智 能 汽 车 竞 赛 是 以 智 能 汽 车 为 研 究 对 象 的 创 意 性 科 技 竞 赛 ，是 面 向 全 国 大 学 生 的 一 种 具 有 探 索 性 工 程 实 践 活 动 ， 是 教 育 部 倡 导 的 大 学 生科 技 竞 赛 之 一 。 本 竞 赛 以 “立 足 培 养 ， 重 在 参 与 ， 鼓 励 探 索 ， 追 求 卓 越 ”为 指
4、导 思 想 ， 旨 在 促 进 高 等 学 校 素 质 教 育 ， 培 养 大 学 生 的 综 合 知 识 运 用 能 力 、基 本 工 程 实 践 能 力 和 创 新 意 识 ， 激 发 大 学 生 从 事 科 学 研 究 与 探 索 的 兴 趣 和 潜能 ,倡 导 理 论 联 系 实 际 、 求 真 务 实 的 学 风 和 团 队 协 作 的 人 文 精 神 ， 为 优 秀 人 才的 脱 颖 而 出 创 造 条 件 。第 一 章 方 案 设 计1.1 系统总体方案的选定在 最 开 始 的 设 计 中 ， 要 考 虑 诸 多 因 素 ， 如 机 械 结 构 ， 电 路 板 形 状 ， 传 感
5、 器 位 置 ， 所 选用 的 传 感 器 重 量 和 各 类 芯 片 。 我 们 使 用 了 K60 单 片 机 配 合 线 性 CCD 进 行 道 路 识 别 ，控 制 舵 机 进 行 转 向 ， 控 制 电 机 进 行 控 速 。1.2 系统总体方案的设计智 能 汽 车 系 统 采 用 飞 思 卡 尔 的 32 位 微 控 制 器 MK60DN512ZVLQ10 单 片 机 作 为 核 心 控制 单 元 用 于 智 能 汽 车 系 统 的 控 制 。 在 选 定 智 能 汽 车 系 统 采 用 光 电 传 感 器 方 案 后 ， 赛 车的 位 置 信 号 由 摇 头 舵 机 上 安 装
6、的 线 性 CCD， 经 K60 MCU 的 AD 口 接 收 后 ， 用 于 赛 车 的运 动 控 制 决 策 ， 同 时 内 部 发 出 PWM 波 ， 驱 动 直 流 电 机 对 智 能 汽 车 进 行 加 速 和 减 速 控制 ， 以 及 伺 服 舵 机 对 赛 车 进 行 转 向 控 制 ， 使 赛 车 在 赛 道 上 能 够 自 主 循 迹 行 驶 。 为 了 对赛 车 的 速 度 进 行 精 确 的 控 制 ， 在 智 能 汽 车 电 机 输 出 轴 上 安 装 光 电 编 码 器 ， 采 集 编 码 器转 动 时 的 脉 冲 信 号 ， 经 K60 捕 获 后 定 时 进 行
7、数 字 PID 闭 环 控 制 。 此 外 ， 还 增 加 了 液 晶键 盘 和 拨 码 开 关 作 为 输 入 输 出 设 备 ， 用 于 智 能 汽 车 的 速 度 和 控 制 策 略 选 择 。 系 统 总 体结 构 方 框 图 如 图 1.1。第一章 设计概览1 设计概述1.1 整车设计思路智能车主要由三个部分组成：检测系统，控制决策系统，动力系统。其中检测系统采用CMOS数字摄像头ov7620，控制决策系统采用MK60作为主控芯片，动力系统主要控制舵机的转角和直流电机的转速。整体的流程为，通过视觉传感器来检测前方的赛道信息，并将赛道信息发送给单片机。同时，通过光电编码器构成的反馈渠道
8、将车体的行驶速度信息传送给主控单片机。根据所取得的赛道信息和车体当前的速度信息，由主控单片机做出决策，并通过PWM信号控制直流电机和舵机进行相应动作，从而实现车体的转向控制和速度控制。摄像头控制决策系统动力系统光电编码器检测系统速度信息赛道信息P W M 波图 1.1 智能车系统总体结构框图1.2 车模整体造型我们车模的整体设计简洁，轻便，可靠美观。如下图：图 1.2 车模整体造型第二章 硬件设计2 硬件设计2.1 机械结构2.1.1 舵机改装舵机直接控制小车的转向，因此舵机安装及调整对小车转向性能有巨大影响。首先考虑的是舵机左右位置的精准定位。左右不对称就可能导致车模左转右转性能的差异，这种
9、差异直接导致小车在连续的大 s 中累计偏左或偏右的误差，路径变差。我们适当加长了舵机连片的长度，使其动态响应性能有所提升。过长的连片会使舵机力臂加长，转向吃力。连片采用特制 pcb 板，既可精确定位也可减轻重量。如图图 2.1 舵机安装2.1.2 电池固定电池的固定我们采用了最简洁的固定方式-两块铝片和一个塑料柱。为了尽量降低重心，我们的电池是紧贴车底盘的。电池用一块可旋的塑料片卡住，非常方便装卸。如下图图 2.2 电池安装2.1.3 电机定位电机的定位主要影响前轮的齿轮动力传动。必须调整电机传动轴与轮轴平行，且要调整好合适的齿轮间距，否则会导致齿轮磨损严重，并发出刺耳的噪声。经过我们大量的调
10、整试验发现了找最适合的齿轮间距的方法：压紧两齿轮，中间夹一张 A4 纸，固定好后抽掉纸则得到最佳齿间距。2.1.4 底盘固定由于小车行驶道路比较平整，车模位置有限，我们没有使用悬挂装置。但是我们发现底盘连接要有一定的刚性裕度，过硬的连接会导致车模转向时前轮上下震动，转向困难。为了降低重心，底盘上所有螺丝均为沉头螺丝，保证底盘的绝对平整。2.1.5 差速调节差速是决定车模转向的灵活性和直线加速的迅猛性的重要环节。我们发现过紧的差速使转弯变的迟钝，在高速情况下容易侧翻。当然，差速过松的情况下转弯甩尾。2.2 硬件电路2.2.1 电源设计小车电源主体分为 4 部分-核心板、摄像头、电机驱动、舵机。电
11、机直接使用电池电压给驱动供电。而 sd-5 舵机需要 6v 电压，摄像头需要 5v 供电，故采用了超低压差线性稳压芯片 lt1963。它的最低压差为 0.5v，芯片稳压输出电压可通过两个电阻调节。而核心板 k60 工作电压 3.3v，我们采用市场上价格低廉，技术成熟的 tlv1117-3.3v 稳压芯片。电源模块如图：图 2.3 3.3v 稳压图 2.4 5v 稳压图 2.5 6v 稳压2.2.2 电池电压检测模块电池耗尽时，时常需要用万用表检测。为了方便监测电池电压，我们自主设计了电压低电提示电路。当电池电压低于设定值时，对应 led 灯会亮起。电路如图：图 2.6 电池电压检测2.2.3
12、驱动电路设计我们用两个半桥电路构成 h 全桥驱动电机正反转。BTS7960 这款芯片非常适合电机驱动。它具有过压过流过热等保护，驱动电流可达 43A，满足摄像头车对速度的渴望。电路如图：2.3 摄像头选型在众多的摄像头中我们选择了 CMOS 的 OV7620，属于数字摄像头。模拟摄像头有更好的动态特性，在车子高速行驶时，图像更清晰，但是它需要额外的一块 AD 转换模块，增加了主板的开销。我们在对比了车子在 3 米和 3 米 3 之间的模拟摄像头和数字摄像头的图像时，发现在用 DMA 采集的图像没有什么大的差别，提取的中线差不多，故我们毅然决然选择了比较简洁的数字摄像头OV7620。第三章 系统
13、软件设计3 软件设计3.1 程序整体设计如图所示，为系统软件整体结构框图，主要包括：系统参数的手动调节；CCD 数据处理模块；角度传感器模块；路径控制模块；舵机控制模块；电机控制模块。系统初始化系统参数手动调节C C D 数据处理模块路径控制模块舵机控制模块 电机控制模块角度传感器光电编码器（ 速度反馈 ）控制系统接通电源后，经初始化；通过系统参数的手动调节，使系统能够按照准确的设想方式运行；然后通过 CMOS 摄像头传感器采集数据，经过相应处理得出当前赛道路径信息；同时，电机测速模块测得模型车当前的运行速度，反馈给系统；最后，经路径控制系统综合当前赛道路径信息和车模速度值作出相应的处理，来控制电机和舵机的运行。3.2 图像提取与处理摄像头组的核心部分为左右边线的提取，从而推算出中心线的位置，引导车子的行进方向。我们使用了 ov7620 这款数字摄像头，返回的是灰度图像，远方图像较模糊，难以提取黑线。所以我们使用了边沿锐化算法，根据一定的阈值，对返回的灰度图像进行遍历，运算处理，得到反映图像边沿的二值图像，远方的信息也能较好地得到，再进行左右边线的提取。
