飞思卡尔竞赛摄像头组睿思二队.doc
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1、第八届“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邀请赛关保留、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:方根在 钟旭辉 李峰带队教师签名:黎福海日 期:2013-08-3摘要本文以第八届全国大学生智能车竞赛为背景,利用Freescale半导体公司生产的32位单片机MK60DN512ZVLQ10和摄像头的配合来
2、实现自动识别道路,让赛车可以在特定的跑道上行驶。通过摄像头的成像原理,把它采集的数据通过电子线路传送到单片机,在单片机内计算出赛车面对的道路,选择最优行进路线,并采用优化后的模糊控制策略使赛车能够快速安全的行驶。此系统是一个软硬件与机械相结合的复杂整体,其中硬件主要包括电源管理模块、电机驱动模块,速度测量模块、辅助调试模块、图像采集处理模块、舵机控制模块和单片机模块等;软件需要解决单片机初始化程序、速度测量程序、速度设定程序、速度控制程序、舵机控制程序、图像识别程序等方面的内容,另外,本届比赛对机械的改进和创新也成为提高速度必不可少的组成部分。关键词:Freescale、单片机、摄像头、机械设
3、计AbstractIn the background of the 8th National Intelligent Car Contest for College Students, using the 32-bit MCU MK60DN512ZVLQ10 produced by Freescale Semiconductor Company and the camera to identify the road automatically, so that cars can run fast safely on the specific runway Through the cameras
4、 imaging principle, we have the collected data transmitted to the MCU through the electronic circuit In the MCU, the car can know the road in front of it through the program that we design. And then it can choose its own path, decide the speed and ensure safe driving The system is a complicated comb
5、ination of hardware, software and the mechanism structure adjustment, The hardware circuit include the problem about the power management module, motor driver module, the speed of measurement module, auxiliary debugging module, image acquisition and processing module, steering control modules and si
6、ngle-chip module And About the software side, we need to address the single-chip initialization programs, the speed of measurement programs, the speed set-up programs, speed control programs, steering control programs, recognition of image and so on, besides improving and innovating of the mechanism
7、 structure adjustment will be one of the most important thing to improve speed in this contest. Key words: MK60DN512ZVLQ10, Freescale, MCU, Camera, Machine design目 录第一章 引言11.1背景介绍11.2赛车总体介绍1 1.2.1智能车技术参数1 1.2.2智能车硬件电路2 1.2.3智能车软件设计31.3本章小结5第二章 赛车机械结构介绍和改进62.1驱动选择62.2转向轮调整72.2.1转向轮调整72.2.2舵机安装92.3驱动轮
8、调整92.4其他调整102.4.1重心调整102.4.2其他调整102.5本章小结10第三章 硬件设计113.1电源设计113.2传感器选型123.2.1传感器的供电电路123.2.2电机驱动电路133.3电路设计143.3.1电源电路143.3.2传感器的信号处理153.4系统电路板的固定163.5速度测量模块173.6本章小结17第四章 软件设计184.1图像信号处理184.1.1图像信号采集184.1.2图像信号处理194.2转向控制策略234.3速度控制策略234.4软件流程图244.4.1主函数流程图244.4.2行中断流程图254.4.3场中断流程图264.5本章小结26第五章 开
9、发与调试275.1软件开发平台275.2手动设置单元285.3状态指示单元28第六章 总结与展望29参考文献30附录一:电路原理图31 1核心控制电路312电机驱动电路33附录二:程序源代码34第一章 引言第一章 引言1.1背景介绍现在半导体在汽车中的应用原来越普及,汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。受教育部高等教育司委托(教高司函2005201 号文),高等学校自动化专业教学指导分委员会主办“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛,他以迅猛发展的汽车电子为背景,涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞
10、赛车模,自行采用32位微控制器作为核心控制单元,自主构思控制方案及系统设计,包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等,完成智能汽车工程制作及调试,于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次(成绩)由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主,技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。我校在历届“飞思卡尔”杯智能汽车比赛都取得了一定的成绩。在总结了往届的经验和不足后,我们在此基础上重新备战第八届大赛。往界的经验是以稳为主,我们在此基础上,大胆尝试,稳中求快,在电路设计上务求稳定,问题早发现早解决。在已经成熟的技术上做的更加完善和稳定,并对车模的机械结构做出相应的改进与创新,使赛车
11、在稳定的前提下能够更快的完成比赛。1.2赛车总体介绍1.2.1 智能车技术参数此次比赛选用的B型赛车车模,采用反向行驶方式,即驱动轮在车身前侧而转向轮在车身后侧,因此重心位置以及机械性能与往届有所不同,具体车模数据如表1.1:表1.1 赛车主要技术参数项目参数路径检测方法(赛题组)摄像头组车模几何尺寸(长、宽、高)(毫米)28.75cm/16.6cm/7cm前后轮轴离地间隙0.75cm/1.65cm 电机型号 RS-540电机转速20000r/min电路电容总量(微法)1824F传感器种类及个数摄像头/1 速度传感器 /1 陀螺仪/1伺服器型号(舵机) S-D5电池 7.2V/2000mAh赛
12、道信息检测频率(次/秒)60车模重量1.5kg赛道检测精度3mm(近端)、120mm(远端)1.2.2智能车硬件电路我们团队采用摄像头进行道路识别,赛车的硬件电路主要有七个部分组成:MK60DN512ZVLQ10单片机,陀螺仪检测模块,速度检测模块,电机驱动模块,舵机驱动模块,电源管理模块,辅助调试模块。(1) MK60DN512ZVLQ10单片机是系统的核心部分,负责接收赛道图像数据,赛车速度等反馈信息,并对这些信息进行恰当的处理,形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。 (2) 陀螺仪检测模块,是用来检测赛道中出现的坡道和障碍物; (3)速度检测模块,通过编码器读取转速值,实现道路的闭
13、环控制。(4)电机驱动模块,可以实现电机的正反转。(5)舵机驱动模块控制舵机的转向。(6)电源管理模块给整个系统供电,保障系统安全稳定运行。(7)辅助调试模块有Jlink、串口通信等,主要用于赛车系统的程序烧写,功能调试和测试,赛车状态监控,赛车系统参数和运行策略设置等方面。本赛车系统的结构示意图1.2MCU赛道信息速度信息电机控制舵机控制辅助调试图1.2 系统的结构示意图1.2.1 智能车软件设计系统硬件对于赛车来说是最基础的部分,软件算法则是赛车的核心部分。如果把一辆车和一个人做个类比的话,我们可以说,赛车的硬件结构相当于人的身体;赛车的软件算法相当于人的思想。只有“身体健康,思想进步”,
14、才会取得好成绩。所以软件系统对于赛车来说至关重要。首先,赛车系统通过图像采样处理模块获取前方赛道的图像数据,同时通过速度传感器模块实时获取赛车的速度。然后K60 利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线,求得赛车于黑线位置的偏差,接着采用PID 方法对舵机进行反馈控制,并在PID算法的基础上,整合加入模糊控制算法,有利于对小车系统的非线性特性因素的控制。最终赛车根据检测到的速度,结合我们的速度控制策略,对赛车速度不断进行恰当的控制调整,使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。设计赛车系统的软件结构如图1.3所示。图1.3 系统的软件方框图1.3 本章小结本章主要介绍了大赛的背景和赛车整体结构
15、设计的概述,硬件,软件和机械部分的有效融合是赛车能否跑出好成绩的关键因素。赛车采用组委会统一提供的车模,由控制处理芯片MK60DN512ZVLQ10,陀螺仪模块,速度传感模块,舵机驱动模块,电机驱动模块和辅助调试模块组成,通过图像采集、黑线提取、速度控制等环节使赛车在规则下沿赛道快速前进。- 28 -第三章 硬件设计 第二章 赛车机械结构介绍和改进本届比赛使用的是B型车模,并且采用反向行驶的方式,因此在原有车模基本调整(如前后轮调整,重心调整,传动调整等)的基础上,要想使车能够更快的行驶就必须对其本身的各种结构进行必要的改进和优化,尤其是各部分的差速的调整,更成为车模机械好坏的重要部分。2.1
16、 驱动选择 2.2 转向轮调整2.2.1 转向轮调整轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束四个内容。车轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶和转向轻便,并减少汽车在行驶中轮胎和转向机件的磨损。如图2.3图2.3前轮定位原理图(1)从车前后方向看轮胎时,主销轴向车身内侧倾斜,该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时,车轮的最低点将陷入路面以下,但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下,而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度,这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的因而舵机复位容易。此外,主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小
17、,从而减小转向时舵机的拉力,使转向操纵轻便,同时也可减少从转向轮传到舵机上的冲击力。但主销内倾角也不宜过大,否则加速了轮胎的磨损。 (2)从侧面看车轮,转向主销(车轮转向时的旋转中心)向后倾倒,称为主销后倾角。设置主销后倾角后,主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离(称作主销纵倾移距,与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同),使车轮的接地点位于转向主销延长线的后端,车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉,使车轮的方向自然朝向行驶方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能,同时主销纵倾移距也增大。主销纵倾移距过大,会使舵机沉重,而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸。(3)从前后方向看车轮
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