全国大学生智能车大赛作品-智能循迹小车技术文档 .doc

1、MC9S12DG128B MMA1260D CCD 摘要 本文是为参加第二届全国大学生智能小车竞赛而撰写的的技术报告，本文详细介绍了智能寻迹小车的路径检测、转向控制、电机驱动、车速检测、坡度检测、电源管理等功能模块硬件电路及软件控制算法的设计。智能小车以“飞思卡尔”16位微控制MC9S12DG128B为主控制器，采用CMOS摄像头和红外传感器相结合的方法（红外传感器主要用来检测起跑线和“十”字路线）来检测路面信息，运用反射式红外传感器检测小车速度，MMA1260D传感器检测路面坡度信息。同时，采用PWM技术控制舵机的转向和电机转速。系统还扩展了LCD液晶显示屏和键盘模块作为人机操作界面，以便于

2、智能小车的相关参数调整。用串口将采集的路面黑线信息传送到PC进行分析，结合BangBang速度闭环控制等算法，控制小车沿着预设的轨道黑线及时调整车身姿态，准确、快速地跑完全程。 第一章 概述 1.1智能车系统概述及框图 本文详细介绍了智能寻迹小车的路径检测、转向控制、电机驱动、车速检测、坡度检测、电源管理等功能模块硬件电路及软件控制算法的设计。智能小车以“飞思卡尔”16位微控制MC9S12DG128B为主控制器，采用CCD摄像头和红外传感器相结合的方法（红外传感器主要用来检测起跑线和“十”字路线）来检测路面信息，运用反射式红外传感器检测小车速度，MMA1260D传感器检测路面坡度信息。同时，采

3、用PWM技术，控制舵机的转向和电机转速。系统还扩展了LCD液晶显示屏和键盘模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。用串口将采集的路面黑线信息传送到PC进行分析，结合PID等算法，控制小车沿着预设的轨道黑线及时调整车身姿态，准确、快速地跑完全程。根据摄像头和红外传感器结合的方案设计，赛车共包括八大模块：控制处理芯片MC9S12DG128，图像采样模块，车尾红外传感器模块，速度检测模块，坡度检测模块、舵机驱动模块，电机驱动模块和辅助调试模块。以下是赛车硬件系统的框图1.1： 其中S12单片机是系统的核心部分。它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

4、适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。图像采样模块由S12 的AD 模块，外围芯片（LM1881）和电路，与摄像头组成。其功能是获取前方赛道的图像数据，以供S12作进一步分析处理。车尾红外传感器模块由2个TCRT5000红外传感器以及比较器LM324N组成，该模块的功用是检测检测起跑线和“十”字路线，主要目的是为了使小车第一圈以一个较为稳定的速度跑动，检测到第二圈的起跑线时，小车自动切换到一个比较快的速度进行跑动，这样既可以采用“保守”方式获得成绩，又可以尝试其他比较“冒险”的速度或者算法。速度传感器模块由黑白相间的编码盘和反射型红外传感器组成，靠定时检测反射型红外传感器电脉冲脉冲累积数来间接

5、求得赛车的速度值。坡度检测模块主要由MMA1260D芯片组成，通过AD转换感应坡度变化。舵机模块和电机驱动模块分别用于实现赛车转向和前进。辅助调试模块主要由键盘模块和LCD显示模块组成，该模块主要为方便调整赛车系统参数和运行策略等方面而设计。 1.2智能车主要技术参数 智能车的设计主要体现在电路板和机械结构上面，对于机械结构主要调整了主销后倾角和前轮内倾角，另外增加了四块控制电路：第一块是COMOS摄像头电路，其通过支架固定于车头的上方。第二块是主控制电路，固定于车身正上方，其包含了智能车的各功能模块的硬件电路，以及一些辅助电路的接口，包括CMOS摄像头及其它一些辅助调试电路接口。第三块是车尾

6、红外传感器检测模块，其安装在车尾已有的两个螺孔上。第四块是测速模块，主要由反射式红外传感器和编码盘组成，其安装在后轮附近。智能车改造后的主要技术参数如表1.1所示，各部分的安装如下图1.11.6所示。 1.3本文结构安排 本文是该参赛队伍成员在指导老师指导下合作完成，是对参赛的智能小车制作技术方案、设计思路、制作调试过程以及相关技术研究内容形成的总结性报告。本文共分为十三章，第一章为概述部分，主要说明小车的总体情况和全文的安排；第二章讲述系统方案的论证，以及给出本组方案选择的原因；第三章对小车的机械结构的调整做了详细的说明；第四章至第十章分别详细的阐述了电源模块、舵机模块、红外检测模块、电机驱

7、动模块、速度检测模块、坡度检测模块、摄像头采样模块的电路实现和控制算法；第十一章说明了小车系统的整体控制策略和算法实现；第十二章介绍了一些调试模块对小车系统调试的功用以及他们的具体实现，包括键盘模块、LCD显示模块以及MC9S12DG128通过串口与PC实现通讯。最后一章是结论和创新点，同时指出需要进一步努力的地方。 系统整体设计CCD PWM ADC CMOS 为了使小车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能地高速前进，汽车必须具备一套集导引线检测并实时控制汽车速度、姿态的智能处理单元。设计者应首先考虑设计的主控电路，检测电路和控制算法。由于单片机及控制电路部分已经确定，所以本章将重点讨论

8、探测电路的方案设计。 2.1 系统设计要求 小车按照黑线寻迹，比赛最终成绩由时间成绩、报告分数和冲出跑道次数三者决定，具体计算由下面公式给出：比赛最终成绩（秒）Ts*（10.01R）*（1+0.05N）式中Ts为赛车最快单圈时间（秒）；R为技术报告评分（分值范围010）；N 为赛车在最快单圈比赛过程中冲出跑道的次数，且N不大于3。 电路及控制驱动电路的限制： （1）采用限定的飞思卡尔16位微控制器MC9S12DG128作为唯一控制处理器； （2）伺服电机数量不超过3个； （3）传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元共计为1个传感器，CCD传感器计为1个传感器）； （4）直流电源

9、采用大赛统一提供的电池，不得使用DCDC升压电路为驱动电机和舵机提供动力； （5）全部电容容量不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。 赛道基本参数（不包括弯点数目、位置以及整体布局）： （1）赛道路面用纸制作，跑道面积不大于5000mm*7000mm，跑道宽度不小于600mm； （2）跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm； （3）跑道最小曲率半径不小于500mm； （4）跑道可以交叉，交叉角为90度； （5）赛道为二维水平面； （6）赛道有一个长为1000mm的出发区，计时起点两边分别有一个长度100mm 黑色计时起始线，赛车的前端通过起始线作为比赛计时开始

10、或者结束的时刻。 2.2 硬件系统基本方案论证 2.2.1探测电路总体方案 方案一：采用红外传感器 优点：结构简明，实现方便，成本低廉，反应灵敏，便于近距离路面情况的 检测，抗干扰能力强，不会因为周围环境的差别而产生不同的结果。 缺点：只能对路面情况做简单的黑白判别，检测距离和精度有限，传感器高 度位置的差异可能会对其检测造成干扰。另外，由于车模的总长不得大于40CM，所以前瞻距离受到很大的限制。 方案二：采用摄像头 优点：作用距离远，不易出现由于黑线检测不及时而冲出赛道的情况，摄像 头对道路的检测精细，视角范围大不易出现黑线漏检的情况。 缺点：容易被干扰，受周围光线的影响大；数据量大，处理复

11、杂，需要占有MCU的大量资源。 方案三：采用红外传感器与摄像头相结合 优点：它兼顾了红外传感器抗干扰能力强，处理简单以及摄像头作用距离远、视角范围大的优点。 缺点：设计难度大，红外传感器和摄像头需要配合寻迹，它们对舵机和电机在方向和速度上的控制需要巧妙的算法进行分配，运算量也较大，需要占有很多的MCU资源。 由于第一种方案存在物理性能的限制，所以综合考虑后采用第二种或者三种方案。经仔细推敲，本设计采用摄像头为主要探测电路指挥小车运动，用红外传感器检测起跑线，进而指挥小车在第二圈采用其他的算法或参数进行运动。 2.2.2 传感器检测模块 传感器可以分为：可见光传感器、红外传感器、紫外线传感器等。

12、 方案一：可见光传感器是基于可见光源的传感器，它结构简单、设计成熟，但是它工作在可见光波段，容易被外界干扰。 方案二：红外光传感器。红外线是波长为830nm950nm的电磁波，自然环境物理在该波段的辐射量是很微弱的，所以红外反射式传感器受外界干扰较小，可靠性高。设计技术成熟，应用广泛。 方案三：紫外线传感器。在自然环境下该类传感器很难受干扰，可靠性高，但是它价格昂贵。所以我们最终选择方案二，即红外光传感器作为传感器检测模块的基本器件。 2.2.3 摄像头模块 市场上的摄像头常分为CCD摄像头和CMOS摄像头。 方案一：采用CCD摄像头 优点：成像质量高。 缺点：12V供电，功耗相对较大，价格较

13、高。 方案二：采用CMOS摄像头 优点：9V供电，功耗较小，价格较低。 缺点：成像质量不及CCD摄像头。 综合供电，成像效果、稳定性等方面的因素，采用了方案二，即CMOS摄像头。 2.2.4 速度传感器模块 方案一：采用霍尔传感器 要使用这种方法需要在车轮上嵌入若干的永磁铁，这样采用霍尔传感器进行 检测。其优点是检测速度快且不会受光、温度、湿度等因素的影响，但是在车轮狭窄的空间上嵌入永磁铁是相当困难的，即机械改装难度大。另外，霍尔传感器价格昂贵。 方案二：基于光电传感器的编码盘检测 采用这种方法需要在车轮轴上安装黑白相间的编码盘，然后采用红外对管的传感器来记录脉冲的数目，进而通过脉冲数求得小车

14、在一段时间内转的圈数，从而算出速度。 方案三：采用编码器 另外购买光电编码器安装在主驱动齿轮上，通过齿轮传过来的转动信息，获取后轮转角。 优点：获取信息准确，精度高，搭建容易。 缺点：增加后轮负载；光电编码器体积较大，导致车重增加。 经比较最终选择方案二，即基于反射式的光电传感器的编码盘测速方案。 2.3 硬件系统的最终方案 通过上面的分析比较，系统各个模块采用的方案分别如下： （1）采用红外线传感器与摄像头相结合的总体设计； （2）红外检测模块采用收发一体的对管传感器； （3）采用CMOS摄像头做为摄像头模块的基础； （4）基于编码盘的红外对管传感器测速； 舵机、电机驱动芯片、坡度检测芯片采

15、用组委会统一提供的物品，这里就不做论证分析了。电源管理模块将在第四章中详细讲到。 2.4 软件系统的设计 如果说系统硬件对于赛车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的思想。有了健壮、灵敏的躯体还需要有聪明、智慧的大脑。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S12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bangbang控制方法对电机进行反馈控制。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

16、速前进。赛车系统的软件结构如图所示2.1。 只有将上述硬件、软件部分进行有效的融合，进行充分的实验、测试和标定工作，才能使赛车具有一个相对良好的整体驾驶性能。这也就是在接下来的各个分模块中需要做的工作第3章 机械结构调整经过半年的制作发现，本次智能车比赛中，检测黑线的方法和对车模的控制算法是取胜的关键，然而，车模本身的机械性能也是不容忽视的。机械结构是车模的基本性能，当车速提高到一定程度后，这将严重影响车模的行走路线。车架调试的好坏决定了车子转弯的最小半径、转向的灵活性和稳定性。如果车模调试得当，可大大增强智能车的竞争力。 3.1 车模机械参数的调整 本次大赛采用的模型车基本尺寸参数如下： 现

17、代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能够自动回正，并减小轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成了一定的相对安装位置，叫前轮定位，其主要定位参数包括：主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前束，模型车前轮的四项定位参数均可调。以下是车模的调校内容、参数与选用理由： 主销后倾角： 2 主销后倾角，如图3.1，是指主销在汽车的纵向平面内（汽车的侧面）有一个向后的倾角，即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。 由于主销后倾后，小车在车轮偏转后会产生一回力矩，纠正车轮的偏转。后倾角越大，车速越高，车轮偏转后自动回正能力越强。但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛

18、，加速前轮摆振，并导致转向沉重。所以将Caster设为2。 主销内倾角： 0 由于车模行驶速度小、重心低，转向时侧倾极少，所以为了提高转向的灵敏性，车的主销内倾角都设为0。 前轮外倾角： 0 通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角称为“前轮外倾角”。轮胎呈现“八”字形张开时称为“负外倾”，而轮胎呈现“V”字形张开时称为“正外倾”。前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套、轮毂与轴承登出的装载间隙，使车轮接近垂直路面滚动而滑动，同时减小转向阻力，使汽车转向轻便；另一方面还可以防止由于路面对车轮垂直反作用力的轴向分力压向轮毂外段的轴承，减小轴承及其锁紧螺母的载荷

19、，从个人增加这些零件的使用寿命，提高汽车的安全性。一般前轮外倾角为1左右。由于本模型车主要用于竞速，在设计中必然要尽可能减轻重量，所以其底盘承重不大，且前轮外倾角仅有两档可调，故设为0即可，关键是前束角要与之匹配。 前轮束角： 前束1.5 由于我们的比赛车模的车速并不快（20km/h以内），并且跑道平整，所以选 用前束1.5，以便提高车模的转向反应速度。 前轮束角，如图3.2，是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹 角。车轮前端向内倾(内八字)，称为Toe-in;车轮前端向外倾(外八字)，称为Toe- out。Toe-in可以帮助车在加速时保持稳定，同时也会减少车子在进入弯角时的转向反

20、应。 但高速转向时，如果车体侧倾严重，重心明显向外测车轮移动时，也会增加转向。Toe-out可以使车在进入弯角时获得更多的转向。由于转弯时靠近内侧的车轮行驶圆弧的半径较短，所以使内侧车轮比外侧车轮转角稍大一些可以使车的转向更灵活。并且少量的Toe-out可以使车更容易行驶直线。但过大的Toe-out会使车子在加速时、或者通过起伏路面时，变得不稳定，偏离直线。越大角度Toe-in或Toe-out，越会减低车辆在直线行走的速度。 3.2 摄像头安装 3.2.1 摄像头安装示意图 摄像头的安装方式如图3.3所示。 3.2.2 摄像头安装原则 摄像头的安装位置对小车的性能有很大的影响，主要体现在图像采

21、样效果和对小车重心的影响两个方面。安装的低了，易导致视野不够广阔，影响寻线的有效范围；安装得高了，指引线在图像坐标上会变得过窄而无法被检测到。 若安装的太高，系统会因重心抬高而稳定性变差。若安装太靠前，则小车的重心会前移，进而在前行的过程中容易出现“点头”的不稳定情况，重心前移也易导致驱动轮即后轮对地的压力减小，容易出现驱动力不足或者打滑的现象。安装位置合适的一个原则就是：摄像头的安装，首先必须满足头像采样效果的需要。控制策略简单，则所需的拍摄范围就可较小；反之策略复杂，需获得的赛道信息较多，则拍摄范围应大一些。其次，摄像头的安装对小车重心的影响不能导致小车出现运动不稳定的现象。综合考虑后，我

22、们选择如图3.3所示的安装方式。 3.3 电路板及电池的安装 在中避震器前端固定架的左侧固定了一根立柱，它与原先用于固定车壳的两根立柱一同将我们的主电路板固定与车模的上方。我们充分利用了安装防撞板的孔，制作的后排红外检测电路板刚好适合安装，固定方便可靠。电池放在模型车专门设计的电池架上，并用束带拉紧。安装图片如3.4、3.5所示。 3.4 本章小结 小车的机械性能是个不容忽视的问题，尤其是小车重心问题。电路板的安装 和摄像头的安装在满足功能前提下一定要定要考虑小车的机械稳定性和可靠性。另外，经过半年的制作发现，电机的安装（齿轮啮合松紧）和轮胎的摩擦系数对小车的性能也有非常大的影响，制作过程不应

23、忽视该问题。 第四章 电源模块小车供电采用组委会提供的7.2V 2000mAh Ni-cd电池，本系统很多模块还需要其它的电压，电源系统结构如图4.1所示： 4.1 5V电压的获取 （1）LM2576-5V 该芯片为单片降压式开关电压调整器，输出电压5.0V；最大输出电流3A；具有热关闭和限流保护功能。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%90%。该芯片最大允许电流为3A，完全满足需要，而且该芯片热损耗小。该芯片典型应用电路图如4.2所示。 （2）LM2940-5该芯片较LM2576-5而言，能够在低压差的情况下稳定的工作，故该芯片给MCU供电是个不错的选择。从图4.2可以看出

24、，LM2576-5工作电压在7.040V之间，而组委会提供的电池标称电压为7.2V，所以该芯片易出现输出电压低于5V的情况。该芯片的典型应用电路如图4.4所示。 4.2 6V电压的获取 舵机工作电压为6V，而且一定要固定该电压，不然舵机的中心位置对应的PWM 脉宽会变动，致使小车工作不稳定。6V电压的获取是通过LM1085-ADJ得到的。输入电压为7.2V电池电压，输出电压通过调节电位器得到。该芯片的典型应用电路如图4.5所示。 4.3 9V电压的获取 市场上购买的CMOS摄像头额定工作电压在9V，而市场上一般没有从7.2V或者 5V直接升压至9V的电源芯片，所以9V电压的获取本设计考虑了以下

25、几种方案。 （1）利用升压斩波电路自己制作 虽然这样成本低，但是制作周期长，精度差，稳定性也不是很好，所以放弃该方案。 （2）利用MAX632将5V（电池电压通过LM2940-5降压而得）升压到12V，然后利用LM7809或者LM2940-9降压得到9V。该方法可以达到效果，但是这样“绕来绕去”会增加电路的功耗，使电池使用时间减少。所以放弃该方案。 （3）市场上可以订做升压模块，而且为开关式，具有保护功能，输出电压 稳定，价格也可以接受（30元左右）。所以，综合考虑后选择该升压模块，其输入为+5V，输出为+9V。该模块外形如图4.6所示： 4.4 本章小结 电源是系统稳定工作的必要条件，也是尤

26、为重要的前提。电源管理的原则是： 当电池电压逐渐下降时，依然能提供稳定的电压输出，自身热消耗小，使用效率高。 第五章 舵机转向控制转向机构采用 S3010 型舵机进行驱动，其外观图和各项参数如图5.1和表 5.1所示。 在硬件连接上共有三根线，使用方便： （1） 红线：电源线，接+6V供电； （2） 黑线：地线 （3） 白线：控制信号线，接单片机一路PWM输出。 舵机电流变化大，是个很大的干扰源，其供电最好与其他模块分开，本设计 采用LM1085-ADJ输出的+6V电压供电，地线通过一个0欧姆电阻与主电路板共 地。 5.2 软件控制 舵机的控制即是在控制线输入一个周期性的正向脉冲PWM信号，这

27、个周期性 脉冲信号的高电平时间通常在0.5ms2.5ms之间，而舵机的控制频率在50Hz 200Hz之间，其控制要求如图5.2所示。图5.3表示了一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的输出臂位置的关系。 由于车模在转向的时候不仅受到舵机转向极限位置的影响，而且还受到车模 前轮转向硬件条件的影响，通过测试得出，舵机不能转向到其自由的极限位置，系统中其左右极限位置为36度。而其每个转角对应的脉冲宽度近似地成一线性关系，约为45/s，其极限转角对应脉宽约为1.18ms1.82ms，如图5.4所示。因此可以通过软件来限定舵机的左右转向极限位置，防止舵机因堵转而烧坏。舵机的控制线即白线线接到M

28、C9S12DG128B的PWM5口，由MC9S12DG128B的PWM 通道4和通道5联合成16位的PWM控制，提高舵机控制的精度，控制频率采用200Hz以提高舵机的反应速度。 理论依据：舵机脉宽与转角在-45度到+45度范围内大致成线性变化的规律。单片机通过PLL将总线频率倍频到36M，有 ClockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)=BusClock/192 20ms时间需要计数22500。由舵机的线性关系可以知道， PWMDTY01=3450+K*angle（正转的时候） PWMDTY01=3450-K*angle（反转的时候） 舵机有25ms的延迟，5%左右的误差，所以精确到1

29、1.5度是合适的，可以将 angle定义为现实角度的11.5倍。 创新点：通过倍频后，可以提高角度控制的精度，能够满足要求。第六章 红外检测模块6.1 该模块的功用 该模块主要用于检测跑道的起跑线，CMOS摄像头通过软件算法也可以找出起 跑线，但计算起来要麻烦一些，相比而言，通过在车尾安装两个红外传感器更容 易达到目的。检测起跑线的目的是：小车进入第二圈后采用另一种速度方案或算法，通常第一圈采用“保守”的方案前行，确保小车能跑完全程而获得成绩，第二圈可以“冒险性”的尝试新的算法和更快的速度。检测起跑线另一个用处是：当小车跑完全程后能自动停止下来，而不用人为的去“追赶”。 6.2 硬件电路 由于

30、比赛中存在坡道，所以传感器的安装和选型很重要。安装在前排很容易 在上下坡道的时候“搁地”，安装在底盘容易在上坡道后进入平道的转折处搁地，经考虑，本设计选择安装在车尾处，选择检测距离为12cm左右的TCRT5000红外传感器。 该传感器的工作原理和一般红外传感器一样，具有一个红外发射管和一个红外接收管，当发射管的红外线经反射被接收管接收后，接收管的电阻会引起变化，在电路上常体现为电压的变化，进而通过AD转换或者经LM324N等电路整形后得到处理后的结果。电阻的变化取决于接收管所接收的红外线强度，常表现在反射面的颜色和反射面离接收管的距离两个方面。硬件电路原理如图5.1所示： 实际硬件电路及安装位

31、置如图5.2所示： 说明：上述电路板中，我们仅用到最左边与最右边两个传感器来检测起跑线， 两者之间的间隔为：12.3CM。该电路板早期制作的目的是与一个单排9个的红外 传感器电路板一起用来检测跑道信息的，但是后来改成了摄像头方案，所以该电路板就搁置没用了。 6.3 算法实现 由于传感器安装的特殊位置，小车在直道，弯道，S道运动时，两个传感器 不会同时检测到黑线，而仅当通过起跑线，“十”子路时才会出现。当红外传感器检测到黑线后会传给单片机一个逻辑“1”电平（通常为逻辑“0”电平），通过计数就可以判断第二圈是否到来。由于初赛和决赛的赛道有所不同，进而出现两个传感器同时检测到黑线的次数N也不相同，我

32、们通过键盘设定N的值，比如预赛时为4，决赛时为6。小车跑完全程自动停止时的计数，预赛为7，决赛为11，在程序上可以用N+3，N+5表示。第七章 电机驱动模块7.1 硬件电路 电机是小车前行的直接动力源，电机的控制效果直接影响小车的速度以及前行的稳定性。本设计最终选用了Freescale公司的MC33886作为直流电机的驱动芯片，该芯片内部具有过流保护电路，刹车效果好，驱动能力强，接口简单易用等特点。驱动电路由两片MC33886组成，目的是为了得到更大的驱动能力，试验也证明了这一点。驱动电路如图7.1所示，只要通过程序改变IN1与IN2的PWM波形占空比，就能实现电机的调速与正反转。7.2 PW

33、M初始化设置 单片机通过PWM1、PWM3来控制电机的调速与正反转控制，初始化代码代码如 下： 第八章 摄像头采样模块摄像头采集赛道黑线信息是本系统赛道信息获取的主要途径，本章将从摄像头工作原理、图像采样电路设计、和采样程序流程图三个方面进行介绍。 8.1 摄像头工作原理 摄像头常分为彩色和黑白两种摄像头，主要工作原理是：按一定的分辨率， 以隔行扫描的方式采样图像上的点，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成一一对应关系的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。 在示波器上观察可知摄像头信号如图8.1所示。摄像头连续地扫描图像上的 一行，就输出一段连续的电压视频信

34、号，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。当扫描完一行，视频信号端就输出一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，紧接着每行图像对应的电压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方式），开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着就会出现一段场消隐区。此区中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有个脉冲，它远宽于（即持续时间长于）其他的消隐脉冲，该消隐脉冲又称为场同步脉冲，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

35、在上一场的结尾部分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。 8.2 图像采样电路设计 在本次比赛中赛道仅由黑白两色组成，为了获得赛道特征，只需提取探测画 面的灰度信息，而不必提取其色彩信息，所以本设计中采用黑白摄像头。型号为： XB-2001B，分辨率为320*240。为了有效地获取摄像头的视频信号，我们采用LM1881提取行同步脉冲，消隐脉冲和场同步脉冲，电路原理图8.2所示。将视频信号通过一个电容接至LM1881的2脚，即可得到控

36、制单片机进行A/D采样的控制信号行同步HS与奇偶场同步号ODD/EVEN。 摄像头视频信号端接LM1881 的视频信号输入端VIDEO_IN，同时也接入S12 的一个AD转换器口PAD0。LM1881的行同步信号端（引脚1）接入S12的中断口 PT2。之所以选用带中断的I/O口是因为，行同步信号（即对应摄像头信号的行同步脉冲）持续时间较短，为了不漏检到行同步信号，若使用普通I/O口，则只能使用等待查询的方式来检测到行同步信号，这会浪费不少S12 的CPU 资源。LM1881的奇-偶场同步信号输出端接S12中断口PT1由此作为奇-偶场同步信号的换场的标志信号，也可作为场信号到来的标志。上述摄像头

37、、LM1881电路构成了本智能车定位系统的图像采样模块。 8.3 采样程序流程图 摄像头每秒25帧图像，每帧分为奇、偶两场，每秒供50场，奇场时只扫描图 像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。由于奇偶场所得的图像差别很小，故没有对奇场偶场的图像分开分析，即没有区分奇偶场。为了减轻S12的负担，我们没有必要对所有行都进行采样，只需对每场采样 30行即满足要求。由于每场开始的前22行为场消隐信号，故开始采样行需从22行以后开始，我们选择从31行开始，并且每间隔8行采一次。结合图8.2，当PT1有变化时，说明新的一场开始了，并且此时开始对行同步信号重新计数。当PT2口每检测到一个上升沿，表明一个行同步

38、信号刚过去，让 计数变量加一。当计数变量增为30时，表明第31行视频信号开始了，并对此行信号进行采样。然后根据计数变量的值来控制每隔8行采一行视频信号。由于采用中断的方式，单片机不会因为处理其他程序而漏掉赛道的采样。 ECT中断初始化设置如下： 程序流程图如图8.3所示。 8.4 AD采样设置 由于行同步脉冲出现的间隔时间是一定的，约为62us，因此为了保证每行采 集的点数达到有效指导小车前行的数目（取每行40个点），AD采样的周期不应大于62/40=1.43us。每行采样点数的确定原则是：不会出现漏检黑线的情况，保证每行采集的点中至少有12个是黑线信息。选取每行检测40个点是满足要求的。 这

39、里需要注意的是，由于行消隐信号出现每行开始的4.2us内，因此采集的前几个点要去掉，不然可能会误认为是黑线信息。 由此可以看出，AD采样的频率设置是尤为重要的，下面是关于的AD的初始化 设置：第九章 车速检测模块在第二章的方案论证中提到，测速模块的设计欲采用基于反射式的光电编码盘测速模式。在主驱动齿轮的轴上安装一张黑白相间的码盘，将反射型光电传感器安装车尾的架子上，当黑白码盘交替通过时，产生一系列电脉冲，由此获取转动角度。 9.1 传感器的设计与安装 反射型光电传感器检测速度的原理和检测赛道黑白线时的原理是一样的，不 同的是这里只要采用连续工作方式就可以了。经过长时间的测试，收发管选用适合近距

40、离检测的G-105光电传感器，另外发射管的限流电阻为470欧姆，接受管的分压电阻为10K欧，这样选择电阻的好处是发射管电流适中，接受管信号可以不经比较器直接输入S12单片机的引脚，而且得到的信号即为逻辑高低电平。编码盘的制作很方便，在电脑上用AutoCAD软件绘制直径为15CM的圆，然后等分为32份，间隔涂上黑色后打印出来。取一张废旧的电话卡，用双面胶把打印出来的纸质码盘粘上，然后沿边缘剪下。用小刀在码盘中心打孔，然后安装在轮轴上，安装后轮的螺丝会将码盘牢牢的固定住，制作方便可靠。编码盘及传感器的安装如图9.1，图9.2所示： 当圆盘随着齿轮转动时，光电管接收到的反射光将强弱交替变化，由此可以

41、得到一系列高低电脉冲。设置S12的ECT模块，同时捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿。通过累计一定时间内的脉冲数，或者记录相邻脉冲的间隔时间，可以得到和速度等价的参数值。 我们已知：轮胎一圈直径为52mm，编码盘共有32个黑白边缘，即轮胎转动一圈将引起64个脉冲数累积。假设对脉冲数累积的时间为t，在这段时间内共获取了n个脉冲数累积。则赛车速度为 9.2 硬件电路设计 检测电路和制作的电路板如图9.3、图9.4所示： 9.3 ECT 模块初始化设置 本设计采用PT3口作为脉冲信号输入。首先通过设置寄存器TIOS，设置PT3 针脚为输入；然后设置TCTL4 寄存器，选择既获取上升沿又获取下降沿

42、。之后，设置ICOVW_NOVW，保护脉冲累加器的数据。通过ICPAR，对脉冲累加器进行使能，使其开始工作。设置此寄存器之后，脉冲累加器开始计数。之后通过读取PACN3 这个寄存器，获取当前的脉冲累加值。 第十章 坡度检测模块本届智能车竞赛赛道与第一届相比，主要的变化是增加了坡道，由此可以看出比赛的难度将逐年加大。坡道处理的好坏将影响小车最终成绩，因此本参赛队对坡道进行了单独的处理。本章将从方案论证、硬件电路和算法处理三个方面对小车过坡道的情况进行分析。 10.1 方案论证 坡道检测有很多方法，方案确定初期本队伍考虑了三个方案。 方案一：安装不同角度的水银开关管 水银开关是由玻璃管，水银滴和引

43、脚线组成的一个开关元件，主要利用水银的导电性和可流动性原理。如图10.1所示。 为了检测坡道倾斜程度，我们可以安装两个不同倾斜角度的水银开关在车 上，电路处理上只需要接一个电阻形成上拉或下拉，然后引到单片机I/O口即可，非常方便。因为比赛的坡度在12至15之间，故可以将水银开关安装在+12和-12上。 当小车所处的赛道平面与水平面所成的角度大于+12或者小于-12时，水银开关便会将开关打开或者关闭，单片机I/O口的电平也就会跟着变化，进而可以检测处坡道。这里需要注意的是，水银开关的玻璃管长度有所要求，如果过短，那么在小车急加速或者急减速的时候，由于惯性的作用，水银滴可能出现不希望看见的打开或关闭现象，即出现误判。 本方案的优缺点：该方案实现方便，电路以及算法都很容易实现，而且成本低廉。经验证，该方案可以实现+12以上和-12以下的坡度检测。本方案对水银开关安装位置有很严格的要求，由于是离散的检测，如果需要检测更多的、不同的坡度，则需要更多的水银开关和单片机资源。本方案只能进行粗略的检测，精度不够高，但是对于本次比赛这种坡度单一的赛道是完全可以胜任的。 方案二