第二屆飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生

1、第二屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技 術(shù) 報(bào) 告學(xué) 校： 天津工業(yè)大學(xué)隊(duì)伍名稱： 天津工業(yè)大學(xué)二隊(duì)參賽隊(duì)員： 黃加勇 陳華偉 魏翼鷹帶隊(duì)教師： 熊慧第頁(yè)關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解第二屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車邀請(qǐng)賽關(guān)于保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁(yè)上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽模型車的視頻、圖像數(shù)據(jù)，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：帶隊(duì)教師簽名：日 期：第頁(yè)第一章第一章 引言引言.51.11.1智能

2、車車制作情況智能車車制作情況.51.21.2技術(shù)報(bào)告內(nèi)容安排說(shuō)明技術(shù)報(bào)告內(nèi)容安排說(shuō)明.5第二章第二章 賽車整體設(shè)計(jì)賽車整體設(shè)計(jì).72.12.1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì).72.22.2 軟件結(jié)構(gòu)流程軟件結(jié)構(gòu)流程.9第三章第三章 智能車系統(tǒng)方案的選取智能車系統(tǒng)方案的選取.113.13.1 單排紅外發(fā)光二極管方案單排紅外發(fā)光二極管方案.113.1.13.1.1 紅外發(fā)光管布局及安裝紅外發(fā)光管布局及安裝.113.1.23.1.2 數(shù)據(jù)采集處理數(shù)據(jù)采集處理.123.1.33.1.3不足之處不足之處.123.23.2 雙排紅外發(fā)光二極管方案雙排紅外發(fā)光二極管方案.133.2.13.2.1 雙排紅

3、外發(fā)光二極管布局雙排紅外發(fā)光二極管布局.133.2.23.2.2控制策略控制策略.133.2.33.2.3 不足之處不足之處.143.33.3 CCDCCD 攝像頭和攝像頭和 CMOSCMOS 攝像頭方案的選取攝像頭方案的選取.143.3.13.3.1 CCDCCD 和和 CMOSCMOS 光電傳感器的原理光電傳感器的原理.143.3.23.3.2 CCDCCD 和和 CMOSCMOS 光電傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較光電傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較.153.3.33.3.3 方案選取方案選取.15第四章第四章 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整.164.14.1 底盤的調(diào)整底盤的調(diào)整.164.24.2 前輪的調(diào)整前輪

4、的調(diào)整.164.34.3 后輪距及后輪差速的調(diào)整后輪距及后輪差速的調(diào)整.174.44.4 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整.174.54.5 舵機(jī)的改裝舵機(jī)的改裝.184.64.6 攝像頭的安裝攝像頭的安裝.19第五章第五章 圖像采集模塊圖像采集模塊.215.15.1 攝像頭結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出信號(hào)制式攝像頭結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出信號(hào)制式.215.1.15.1.1 攝像頭結(jié)構(gòu)攝像頭結(jié)構(gòu).215.1.25.1.2 工作原理工作原理.21第頁(yè)5.1.35.1.3 輸出圖像結(jié)構(gòu)輸出圖像結(jié)構(gòu).225.1.45.1.4 檢測(cè)黑線原理檢測(cè)黑線原理.255.25.2 CMOSCMOS 攝像頭的選取攝像頭的

5、選取.255.35.3 LM1881LM1881 視頻分離模塊視頻分離模塊.255.45.4 SS2000BSS2000B 黑白攝像頭測(cè)試黑白攝像頭測(cè)試.275.55.5 視頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集視頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集.285.5.15.5.1 視頻采集電路視頻采集電路.285.5.25.5.2 軟件采集流程軟件采集流程.29第六章第六章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.336.16.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).336.26.2 MC33886MC33886 原理：原理：.336.36.3 軟件初始化編程軟件初始化編程.35第七章第七章 舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊.367.17.1 舵機(jī)的結(jié)構(gòu)舵機(jī)的結(jié)構(gòu).36

6、7.27.2 舵機(jī)舵機(jī)工作原理：工作原理：.367.2.17.2.1 舵機(jī)的基本資料：舵機(jī)的基本資料：.377.2.27.2.2 舵機(jī)的控制方法：舵機(jī)的控制方法：.377.37.3 舵機(jī)的初始化編程：舵機(jī)的初始化編程：.38第八章第八章 電源分配模塊電源分配模塊.398.18.1 5V5V 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路.408.28.29V9V 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路.43第九章第九章 測(cè)速模塊測(cè)速模塊.439.19.1 測(cè)速的硬件部分測(cè)速的硬件部分.439.29.2 測(cè)速模塊使用的電路如下：測(cè)速模塊使用的電路如下：.439.39.3 測(cè)速的軟件部分測(cè)速的軟件部分.43第十章第十章 攝像頭數(shù)據(jù)處理算法攝像頭數(shù)據(jù)

7、處理算法.4810.110.1 攝像頭行數(shù)據(jù)的處理攝像頭行數(shù)據(jù)的處理.4810.210.2 攝像頭幀數(shù)據(jù)的處理攝像頭幀數(shù)據(jù)的處理.48第頁(yè)第十一章第十一章 總結(jié)總結(jié).51參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).52第頁(yè)第一章第一章 引言引言1.1智能車車制作情況智能車的制作從 2007 年 3 月到 2007 年 8 月，傾注了隊(duì)員的汗水和心血。系統(tǒng)方案由單排紅外管到雙排紅外管識(shí)別路徑，再到 CCD 攝像頭和 CMOS 攝像頭的路徑識(shí)別傳感器的選取，歷經(jīng)了漫長(zhǎng)的過(guò)程，以及電機(jī)使用 MC33886 驅(qū)動(dòng)和隊(duì)員設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選取。三名隊(duì)員克服了測(cè)速模塊 74LS14 史密特觸發(fā)器產(chǎn)生波形的上升沿有毛刺的干擾、使用

8、 QCUP12 無(wú)線模塊進(jìn)行調(diào)試、CMOS 傳感器輸出 PAL 電視機(jī)制式的原理以及圖像數(shù)據(jù)的采集和處理、多個(gè)中斷聯(lián)合使用的時(shí)序問(wèn)題、廣角鏡頭最遠(yuǎn)處照射范圍廣干擾大以及多個(gè)不同焦距鏡頭的選取等許多問(wèn)題，在制作過(guò)程中并對(duì)智能車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如舵機(jī)的架高、舵機(jī)臂的加長(zhǎng)、前輪傾角的調(diào)整、后輪差速模塊的調(diào)節(jié)、整車重心的設(shè)計(jì)及調(diào)整等。同時(shí)隊(duì)員在制作過(guò)程，不斷克服困難，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并做了相應(yīng)的筆記。本隊(duì)在華北賽區(qū)取得了第三名的優(yōu)異成績(jī)，有幸參加在上海交通大學(xué)舉辦的全國(guó)總決賽?，F(xiàn)向組委會(huì)提交本隊(duì)技術(shù)報(bào)告，本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)方案的選取、整車的參數(shù)、傳感器的選取及個(gè)數(shù)、MC9S12DG128 單片機(jī)

9、最小系統(tǒng)，各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)及工作原理，硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)、軟件的控制策略等。1.2技術(shù)報(bào)告內(nèi)容安排說(shuō)明此技術(shù)文檔的正文部分大致分為十二個(gè)部分：第一章，引言部分，介紹比賽背景，技術(shù)報(bào)告內(nèi)容安排說(shuō)明，智能車制作情況等。第二章，賽車整體設(shè)計(jì)，從硬件及軟件方面簡(jiǎn)單的介紹了賽車結(jié)構(gòu)。第三章，智能車系統(tǒng)方案的選取，介紹了單排紅外光電管方案、雙排紅外光電管方案、CCD 攝像頭方案以及智能車的最終方案 CMOS 攝像頭方案。第四章，賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整，具體介紹了對(duì)賽車各個(gè)機(jī)械部分的調(diào)整，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。第五章，圖像采集模塊，對(duì)攝像頭的原理、選購(gòu)、測(cè)試，輸出信號(hào)，視頻采集作了詳細(xì)的闡述和分析。第六章，電機(jī)驅(qū)

10、動(dòng)模塊，介紹了 MC33886 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的原理，即對(duì) MC33996 的初始化。第七章，舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊，介紹了舵機(jī)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，以及舵機(jī)的控制方法和程第頁(yè)序初始化。第八章，電源分配模塊，介紹了系統(tǒng)各個(gè)部分的電源分配和電路設(shè)計(jì)。第九章，測(cè)速模塊，介紹了測(cè)試模塊的硬件設(shè)計(jì)，電路和程序初始化。第十章，攝像頭數(shù)據(jù)處理算法，側(cè)重介紹了行數(shù)據(jù)處理和幀數(shù)據(jù)處理，這是控制賽車的基礎(chǔ)。第十一章，賽車控制策略，介紹了控制賽車舵機(jī)，賽車調(diào)速，以及對(duì) MC33886 的保護(hù)等。第十二章，總結(jié)，參賽隊(duì)員對(duì)參加比賽的體會(huì)和感想，存在的不足之處。第頁(yè)第二章第二章 賽車整體設(shè)計(jì)賽車整體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)圖 2.1 系

11、統(tǒng)硬件模塊圖我們采用攝像頭圖像采集的方式控制小車循跡，在這個(gè)基礎(chǔ)上，通過(guò)舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向，通過(guò)電機(jī)控制小車的速度。在功能模塊上，可將整個(gè)賽車分為六大部分：攝像頭圖像采集模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊，測(cè)速模塊、輔助調(diào)試模塊。下面就這五個(gè)模塊分別作出簡(jiǎn)要地介紹：攝像頭圖像采集模塊：攝像頭的信號(hào)通過(guò) LM1881 視頻分離芯片向 DG128產(chǎn)生行信號(hào)中斷和場(chǎng)信號(hào)中斷，以控制圖像 AD 值的采集；然后通過(guò)邊沿提取算法提取出每行黑線的位置，通過(guò)提取連續(xù)行重新購(gòu)建一幀圖像的算法對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行處理。通過(guò) LM2576 開關(guān)型穩(wěn)壓芯片將電池電壓穩(wěn)壓到 5V，給單片機(jī)及視頻分離電路和測(cè)速電路供電；通過(guò) M

12、C34063 降壓型穩(wěn)壓芯片將電池電壓穩(wěn)壓到 9V，給第頁(yè)攝像頭提供電源。驅(qū)動(dòng)模塊：通過(guò)組委會(huì)提供的 MC33886 直流電壓驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這里我們采用 4 片并聯(lián)的方式，提高了驅(qū)動(dòng)能力，并編寫了相應(yīng)的保護(hù)程序，避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流過(guò)大，燒毀 MC33886。測(cè)速模塊：以光電耦合管和自制的碼盤作為測(cè)速的傳感器，光耦合管的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò) 555 定時(shí)器組成的斯密特觸發(fā)器整形得到一定頻率的矩形波信號(hào)，再經(jīng)過(guò) DG128 的輸入捕捉功能提取出小車的速度值。無(wú)線調(diào)試模塊：在輔助調(diào)試模塊中我們使用 DG128 的 SCI 串行通訊功能，對(duì)賽車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試，測(cè)量參數(shù)。第頁(yè)2.2 軟件結(jié)構(gòu)流程Y

13、系統(tǒng)初始化（包括倍頻的設(shè)置及用到的寄存器的設(shè)置）將舵機(jī)轉(zhuǎn)到中間位置；設(shè)置電機(jī)占空比初始值為 50%；攝像頭行信號(hào)處理子函數(shù)幀信號(hào)處理子函數(shù)攝像頭已采集行信號(hào)是否處理完Y攝像頭是否采集完一幀N光電測(cè)距碼盤是否產(chǎn)生外部中斷調(diào)速子函數(shù)NN第頁(yè)在系統(tǒng)程序中，主要包含了攝像頭圖像信號(hào)的采集，在行中斷間歇中用邊沿提取法提取黑線的位置以及其他子函數(shù)，當(dāng)一幀完成后，對(duì)一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將間斷的行連接成一個(gè)連續(xù)的路徑。三個(gè)變量來(lái)控制舵機(jī)的值：part_1、part_2、part_3。part_1 對(duì)應(yīng)圖像的斜率；part_2 對(duì)應(yīng)小車相對(duì)于黑線的位置；part_3 對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向的超前校正，它由圖像前端的斜率求得。

14、小車速度采用 PI 加 Bang-Bang 控制。第頁(yè) 第三章 智能車系統(tǒng)方案的選取智能車所選取的系統(tǒng)方案直接關(guān)系到智能車的性能好壞，本隊(duì)隊(duì)員在制作過(guò)程中，結(jié)合本校研究生的研究論文1對(duì)單排紅外發(fā)光二極管方案、雙排紅外發(fā)光二極管方案、CCD 攝像頭方案、CMOS 攝像頭方案等進(jìn)行了充分的理論分析和實(shí)踐證明。3.1 單排紅外發(fā)光二極管方案3.1.1 紅外發(fā)光管布局及安裝結(jié)合本校研究生的研究論文1，本方案從“一”字型布局， “”字型布局， “”字型布局中選取了個(gè)發(fā)光二極管和接收管“一”字型布局。圖 3.1“一”字型布局兩個(gè)紅外發(fā)光二級(jí)管相距 2.5cm，正好為黑線的寬度，接收管在發(fā)光管的正下方，這樣

15、可以減小干擾。圖 3.2 帶傾角安裝傳感器2.5cm第頁(yè)為使智能車的前瞻性得到提高，采用了帶傾角安裝傳感器方案，采用了TIP5001 高性能發(fā)光二極管，經(jīng)實(shí)際測(cè)試得到發(fā)光二極管與水平線傾角 65 度，距地高 12cm，最遠(yuǎn)探照距離為 20cm 為最優(yōu)方案，使得小車能提前進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、減速等一系列動(dòng)作， 。3.1.2 數(shù)據(jù)采集處理對(duì)紅外接收管數(shù)據(jù)的采集主要分為數(shù)字模式和模擬模式。為達(dá)到精確的偏離黑線的距離，本方案選用了模擬模式，使用位 AD 值對(duì)紅外接收管的電壓進(jìn)行采集，得到小車偏離黑線的距離，通過(guò) MC9S12DG128 特有的模糊算法模塊，針對(duì)每個(gè)發(fā)光二極管和接收管的參數(shù)不同，建立動(dòng)態(tài)的隸屬度函

16、數(shù)，計(jì)算出小車偏離黑線的位置。建立隸屬度函數(shù)如下：圖 3.3 隸屬度函數(shù)隸屬度函數(shù)的 point1、point2、poingt3 是根據(jù)不同發(fā)光管和接收管而定，從而建立動(dòng)態(tài)的隸屬度函數(shù)。實(shí)踐證明該方案能較好的克服因發(fā)光管和接收管不同參數(shù)引起的波動(dòng)。3.1.3 不足之處由于使用紅外發(fā)光二極管，其最遠(yuǎn)探照距離為 20cm,作用距離相當(dāng)有限，而且受限于 16 個(gè)檢測(cè)傳感器，在彎道處可能會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)不到黑線的情況，不能做到提前轉(zhuǎn)彎和彎道減速，以至于使小車沖出跑道。雖然建立動(dòng)態(tài)隸屬度函數(shù)，但仍然不能很好的克服各個(gè)發(fā)射管和接收管參數(shù)不同所帶來(lái)的誤差。第頁(yè)3.2 雙排紅外發(fā)光二極管方案3.2.1 雙排紅外發(fā)光

17、二極管布局由于單排紅外發(fā)光二極管的探照距離有限，速度達(dá)到 2m/s 時(shí)就遇到瓶頸，不能再提高速度，為克服方案一中的不足之處和提高小車的整體速度，我們?cè)O(shè)計(jì)了第二個(gè)方案：應(yīng)用雙排紅外發(fā)光二極管，布局如圖：圖 3.4 雙排紅外發(fā)光管排列 第一排為 8 個(gè)發(fā)光管二極管和接收管，依然保持 70 度的傾角。第二排為7 個(gè)發(fā)光管二極管和接收管保持 45 度傾角。3.2.2 控制策略本方案為提高小車整體速度，如上圖所示距離和傾角排列兩排得紅外管和接收管。第一排檢測(cè)彎道，依此進(jìn)行小車減速，第二排為小車提供轉(zhuǎn)角值 。同時(shí)根據(jù)兩排所采集到的 AD 數(shù)據(jù)計(jì)算出彎道的斜率。經(jīng)測(cè)試這種紅外管排列能很好的檢測(cè)彎道和起跑線。

18、控制策略為：因?yàn)橐詢扇χ袝r(shí)間最短的為有效時(shí)間，故采取第一圈以較低速度行駛，從起跑線開始，記錄彎道的個(gè)數(shù)以及是左彎道還是右彎道，同時(shí)根據(jù)測(cè)速模塊記錄彎道相隔的距離。第二圈根據(jù)第一圈記錄的數(shù)據(jù)，并于兩排紅第頁(yè)外光電管所檢測(cè)到的路徑進(jìn)行比較，計(jì)算出兩者的偏差值，與設(shè)定的閾值比較，大于閾值就按紅外光電管所檢測(cè)到的路徑行駛，小于閾值時(shí)，將兩者加權(quán)所得到的數(shù)據(jù)送給轉(zhuǎn)向模塊和速度模塊。3.2.3 不足之處使用紅外光電管還是沒(méi)能克服探照距離近的障礙，同時(shí)整個(gè)比賽成績(jī)的優(yōu)異太過(guò)于依賴第一圈的穩(wěn)定性，如果第一圈記錄路徑出現(xiàn)了較大的誤差，將影響整個(gè)比賽成績(jī)。即使第一圈很穩(wěn)定，到第二圈速度也達(dá)不到理想的速度，速度還是

19、受到了限制。故放棄了該方案。3.3 CCD 攝像頭和 CMOS 攝像頭方案的選取3.3.1 CCD 和 CMOS 光電傳感器的原理CCDCCD 電荷耦合器件電荷耦合器件CCD 利用光電效應(yīng)制作的半導(dǎo)體器件，起步早，技術(shù)已相當(dāng)成熟，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。構(gòu)成 CCD 的基本單元是 MOS (金屬- 氧化物- 半導(dǎo)體) 結(jié)構(gòu)。CCD 的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時(shí),需要在金屬柵極加一定的偏壓,形成勢(shì)阱以容納電荷,電荷的多少基本與光強(qiáng)成線性關(guān)系。電荷讀出時(shí),在一定相位關(guān)系的移位脈沖作用下,從一個(gè)位置移動(dòng)到下一個(gè)位置,直到移出 CCD ,經(jīng)過(guò)電荷- 電壓變換,轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。CMO

20、SCMOS 光電傳感器光電傳感器CMOS 是一種高集成度大規(guī)模集成電路，仍使用光敏元件為感光器件，光敏元件在排列方式上與 CCD 電荷耦合器件相同，只是在光電轉(zhuǎn)換后信息傳送方式不。CMOS 芯片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器,通過(guò)總線編程來(lái)對(duì)自動(dòng)增益、自動(dòng)曝光、白色平衡、 校正等功能進(jìn)行控制,編程簡(jiǎn)單、控制靈活。直接輸出的電視機(jī)制式圖像信號(hào)可以很方便地和后續(xù)處理電路接口,供處理器 AD 模塊對(duì)其進(jìn)行采集和處理器處理。3.3.2 CCD 和 CMOS 光電傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換第頁(yè)CMOS 和 CCD 使用相同的感光元件，具有相同的靈敏度和光譜特性，但光電轉(zhuǎn)換后的讀取信號(hào)方式不同。CMOS

21、 光傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換直接產(chǎn)生電壓信號(hào)，讀取十分簡(jiǎn)單，特別的在監(jiān)控領(lǐng)域，CMOS 傳感器的信號(hào)輸出大部分是 PAL 電視機(jī)制式，信息讀取十分方便。而 CCD 存儲(chǔ)的電荷信息的轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源配合，較為復(fù)雜。信息的讀取速度信息的讀取速度CCD 電荷耦合器需要在同步時(shí)鐘控制下以行為單位一位一位輸出信息，速度較慢，而 CMOS 光電傳感器在采集光信號(hào)的同時(shí)就輸出電壓信號(hào)，速度比 CCD快。電源及耗電量電源及耗電量CCD 電荷耦合器大部分需要三組電源供電，耗電量高，一般需要 12V 以上供電電壓。而 CMOS 光電傳感器只需要一個(gè)電源，耗電量低，一般供電范圍是69V ,功

22、耗相對(duì) CCD 有很大的降低。成像效果成像效果 CCD 技術(shù)起步早，技術(shù)比較成熟，消噪效果好，成像質(zhì)量相對(duì) CMOS 光電傳感器好。3.3.3 方案選取 綜合以上 CCD 和 CMOS 的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然 CCD 在成像質(zhì)量上優(yōu)于 CMOS，但對(duì)于只需在白色的背景下識(shí)別黑線，CMOS 以能勝任，并且著重考慮到功耗，最終我們選用了 CMOS 攝像頭作為識(shí)別路徑的傳感器。第頁(yè)第四章第四章 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整為了讓賽車能在直道和彎道上高速穩(wěn)定的通過(guò)，而且轉(zhuǎn)彎比較靈巧，快速，除了有相應(yīng)的軟件和硬件電路的設(shè)計(jì)之外，賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)其也有很重要的影響。所以我們對(duì)賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)也做了一些相應(yīng)的調(diào)整

23、。4.1 底盤的調(diào)整由于這次比賽規(guī)定初賽時(shí)沒(méi)有坡道，而決賽時(shí)賽道直線部分可以有坡度在15 度之內(nèi)的坡面道路，包括上坡與下坡道路。所以決賽時(shí)的大部分賽道還是二維的路面，由于我們采取攝像頭采集路面信息的策略，攝像頭安裝位置比較高，所以導(dǎo)致整車的重心偏高，在高速過(guò)彎時(shí)則向心力比較大，同時(shí)由于慣性則車很容易向一側(cè)翻倒。為了避免次類事情的發(fā)生，我們把車的后輪底盤放低（在以前買來(lái)的新車模的基礎(chǔ)上） ，從而降低整車的重心，防止車翻倒。而車頭的底盤高度不變，這是為了使車能順利的上坡而不至于由于底盤過(guò)底使底盤擦到賽道。4.2 前輪的調(diào)整前輪的調(diào)整包括前輪主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角，前輪外傾角，前輪前束的調(diào)整。在調(diào)試

24、過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)參數(shù)對(duì)賽車直線的穩(wěn)定性和彎道靈巧性都有很重要的影響。主銷后傾角是前輪主銷與前輪垂直中心線之間的夾角，也就是主銷上端向后傾斜的角度。在賽車上是通過(guò)四個(gè)黃色的小墊片來(lái)調(diào)整的。減小主銷后傾角可以減小前輪的回正力矩。也就是如果車輪向右轉(zhuǎn)，后傾角可以產(chǎn)生一個(gè)向左的回正力，使車輪回正比較快，但又使轉(zhuǎn)向更為費(fèi)力。設(shè)黃色墊片 2：2（即前2 后 2）為 0，1：3（前 1 后 3）為 23，則我們改為 3：1（前 3 后 1） ，使其傾角為負(fù) 23。這樣則可以減小回正力矩的作用，使轉(zhuǎn)向更為靈活，但也會(huì)使回正比原來(lái)稍慢。主銷內(nèi)傾角是前輪主銷在賽車水平面內(nèi)向內(nèi)傾斜的角度，雖然增大內(nèi)傾角也可以

25、增大回正的力矩，但增大內(nèi)傾角會(huì)在賽車轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，增大賽車與路面的滑動(dòng)，從而加速輪胎的磨損，由于輪胎對(duì)地的附著力對(duì)防止側(cè)滑有很重要第頁(yè)的影響，所以如果輪胎磨損則得不償失，所以內(nèi)傾角調(diào)整為 0。前輪外傾角是前輪的上端向外傾斜的角度，如果前面兩個(gè)輪子呈現(xiàn)“V”字形則稱正傾角，呈現(xiàn)“八”字則稱負(fù)傾角。由于前輪外傾可以抵消由于車的重力使車輪向內(nèi)傾斜的趨勢(shì)，減少賽車機(jī)件的磨損與負(fù)重，所以賽車安裝了組委會(huì)配備的外傾角為 1的配件。前輪前束是前輪前端向內(nèi)傾斜的程度，當(dāng)兩輪的前端距離小后端距離大時(shí)為內(nèi)八字，前端距離大后端距離小為外八字。由于前輪外傾使輪子滾動(dòng)時(shí)類似與圓錐滾動(dòng)，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開。但由于拉

26、桿的作用使車輪不可能向外滾開，車輪會(huì)出現(xiàn)邊滾變向內(nèi)劃的現(xiàn)象，從而增加了輪胎的磨損。前輪外八字與前輪外傾搭配，一方面可以抵消前輪外傾的負(fù)作用，另一方面由于賽車前進(jìn)時(shí)車輪由于慣性自然的向內(nèi)傾斜，外八字可以抵消其向內(nèi)傾斜的趨勢(shì)。外八字還可以使轉(zhuǎn)向時(shí)靠近彎道內(nèi)側(cè)的輪胎比靠近彎道外側(cè)的輪胎的轉(zhuǎn)向程度更大，則使內(nèi)輪胎比外輪胎的轉(zhuǎn)彎半徑小，有利與轉(zhuǎn)向。4.3 后輪距及后輪差速的調(diào)整由于速度高，賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)容易翻倒，為了增加整車的平衡能力，可用組委會(huì)提供的配件把后輪改為大輪距。在拐彎時(shí)由于彎道內(nèi)側(cè)輪比外側(cè)輪的拐彎半徑小，則內(nèi)側(cè)輪比外側(cè)輪的速度小，這就使兩輪胎有一定的速度差，稱為差速。而賽車的差速機(jī)構(gòu)安裝在后輪

27、軸上的，所以只可以調(diào)整后輪的差速。經(jīng)多次調(diào)試觀察發(fā)現(xiàn)差速對(duì)賽車轉(zhuǎn)彎有很大的影響。如果差速過(guò)緊，即兩輪胎的速度很接近時(shí)，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候內(nèi)側(cè)輪很容易打滑，從而產(chǎn)生側(cè)滑，使賽車滑出賽道。當(dāng)差速過(guò)松時(shí)，會(huì)使直道的時(shí)候兩輪打滑，大大的減小了賽車的驅(qū)動(dòng)能力。所以差速調(diào)整要適當(dāng)，才會(huì)使直道驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，彎道轉(zhuǎn)彎靈巧。我們調(diào)試差速的經(jīng)驗(yàn)是把賽車放在賽道上捏住一個(gè)輪胎不動(dòng)讓另一個(gè)輪胎能在賽道上半滑動(dòng)時(shí)為佳。4.4 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整大賽提供的電機(jī)輸出軸齒輪數(shù)為 18 個(gè)，后輪輸出軸齒輪數(shù)為 76 個(gè)，則齒輪比為 9：38。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整就是調(diào)整電機(jī)輸出軸的齒輪與后輪軸上齒輪之間的耦第頁(yè)合程度。當(dāng)耦合比較松時(shí)由于兩

28、齒輪之間存在較大的縫隙，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的兩齒輪之間的碰撞聲音，這樣會(huì)大大增加齒輪的磨損。當(dāng)耦合的比較緊時(shí)齒輪之間的摩擦力變大，這樣就會(huì)使電機(jī)分出一部分驅(qū)動(dòng)力克服齒輪之間的摩擦力做功，電機(jī)的負(fù)載無(wú)形中就增強(qiáng)，從而減小了電機(jī)對(duì)后輪的驅(qū)動(dòng)能力。為了使齒輪的調(diào)整比較適當(dāng)，經(jīng)過(guò)多次的調(diào)試，我們發(fā)現(xiàn)用聽齒輪之間的聲音的辦法來(lái)調(diào)整其耦合程度效果不錯(cuò)。當(dāng)齒輪耦合較松或兩齒輪之間不平行時(shí)的聲音很響，也就是齒輪之間撞擊的聲音很大，當(dāng)齒輪耦合比較緊時(shí)聲音很沉悶并且遲滯，最佳狀態(tài)是基本上沒(méi)有撞擊的聲音，聲音清脆并且沒(méi)有遲滯現(xiàn)象。4.5 舵機(jī)的改裝組委會(huì)提供的舵機(jī)為 S3010，由于賽車轉(zhuǎn)向時(shí)舵機(jī)的響應(yīng)速度是一個(gè)

29、很重要的因素，為了加快舵機(jī)的響應(yīng)速度，我們做了以下三個(gè)方面的改進(jìn)。第一，用電池電壓即 7.2V 直接給舵機(jī)供電，第二，增加從舵機(jī)到連桿之間的長(zhǎng)度，這樣與以前的長(zhǎng)度相比讓前輪轉(zhuǎn)過(guò)同樣的角度舵機(jī)只需轉(zhuǎn)過(guò)比以前更小的角度，雖然舵機(jī)本身的動(dòng)作的速度沒(méi)有變，但對(duì)于轉(zhuǎn)向來(lái)說(shuō)則比以前更快了。第三，把舵機(jī)倒過(guò)來(lái)放置，使舵機(jī)位于兩輪的中心線上，再把連接兩輪胎到舵機(jī)的連桿改為一樣長(zhǎng)，使舵機(jī)左右轉(zhuǎn)向時(shí)受力比較均勻，使舵機(jī)能靈活的轉(zhuǎn)向。通過(guò)以上這些改造舵機(jī)的響應(yīng)速度提高許多，為快速靈巧的轉(zhuǎn)向提供了硬件的保證。示意圖如下：圖 4.1 舵機(jī)改裝后示意圖車輪舵機(jī)車輪加長(zhǎng)連桿改為等長(zhǎng)倒裝舵機(jī)第頁(yè)4.6 攝像頭的安裝攝像頭安裝

30、的原則是：輕，穩(wěn)，靈活。即首先是整個(gè)安裝構(gòu)架要輕，其次是安裝后攝像頭在一個(gè)位置固定好后在賽車前進(jìn)時(shí)不會(huì)前后左右的擺動(dòng)，位置穩(wěn)定，由于需要調(diào)試出攝像頭安裝的最佳位置，所以需要攝像頭能靈活的上下調(diào)整。安裝示意圖如圖：圖 4.2 賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖所示，攝像頭的安裝支架為兩根很輕的碳素鋼管，底座為有機(jī)材料，攝像頭用螺絲 1 固定在攝像頭支架上，螺絲 1 也可起到調(diào)節(jié)攝像頭角度的作用，第頁(yè)而攝像頭支架通過(guò)兩薄片用螺絲 2 固定在碳素鋼管上，支架在碳素鋼管上的位置可以用螺絲 2 調(diào)節(jié)，螺絲 3 用于固定底座。由于這種雙立柱的結(jié)構(gòu)，使攝像頭在一個(gè)位置固定后會(huì)比較穩(wěn)，基本上不會(huì)出現(xiàn)前后左右擺動(dòng)的情況，再就是

31、材料輕，螺絲 1 和螺絲 2 則用來(lái)調(diào)整攝像頭的位置。綜上基本上達(dá)到了輕，穩(wěn)，靈活的三個(gè)原則。為攝像頭的有效采集提供了硬件的保證。 第頁(yè)第五章第五章 圖像采集模塊圖像采集模塊小車最終方案選取了 CMOS 攝像頭方案，CMOS 攝像頭分為黑白和彩色，由于彩色攝像頭的輸出信號(hào)比較復(fù)雜，不易采集處理，比賽時(shí)只需分辨賽道的灰度，黑白攝像頭已經(jīng)足夠。 所選取的 CMOS 攝像頭基本參數(shù)為： 表 5.1 performance indexSpex and modelresolution ratie supply voltage consumed powerilluminationoutput standa

32、rd lens focus and visual angle6-9vSS2000B white and black series350 line90mW0.5luxPAL/NTSC3.6mm 69。為使提高這個(gè)系統(tǒng)速度和易于數(shù)據(jù)采集及處理，在選取攝像頭是，我們盡量采用線數(shù)低的攝像頭。5.1 攝像頭結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出信號(hào)制式5.1.1 攝像頭結(jié)構(gòu)攝像頭一般由鏡頭、傳感器芯片、外圍電路組成。傳感器芯片不能單獨(dú)工作，還需外圍電路支持，才能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光線經(jīng)物體發(fā)射，通過(guò)鏡頭聚焦，焦點(diǎn)恰好在傳感器芯片的感光元件上，從而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。輸出信號(hào)制式為 PAL 電視機(jī)制式的攝像頭，一般有四條線：

33、正極，地線，音頻輸出線，視頻輸出線。CMOS 攝像頭供電電壓一般為 6-9V,視頻信號(hào)峰峰值為 1V。5.1.2 工作原理針對(duì)于比賽，黑線吸收光線，將不會(huì)反射，傳感器感光元件陣列相對(duì)應(yīng)的感光元件不產(chǎn)生電壓信號(hào)，即一個(gè)低壓信號(hào)，而對(duì)應(yīng)白線反射光線，通過(guò)鏡頭第頁(yè)聚焦，在相對(duì)應(yīng)的感光元件出產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)高電壓信號(hào)，一般峰峰值為 1V。常用的攝像頭視頻輸出信號(hào)是 PAL 電視機(jī)制式，它的工作原理與電視機(jī)的工作原理相似：在一定分辨率下，每秒掃描 25 幀圖像，每幀圖像含有 625 行信息，分為奇、偶場(chǎng)，進(jìn)行個(gè)隔行掃描，總共每秒 50 場(chǎng)信號(hào)，每場(chǎng)有 312.5行信息，從奇數(shù)行開始掃描，即依次掃描第 1、3

34、、5、7、9，當(dāng)掃描完奇數(shù)場(chǎng)后，再開始掃描偶數(shù)場(chǎng)，構(gòu)成一幀圖像。如圖所示：圖 5.1奇數(shù)場(chǎng)圖 5.2偶數(shù)場(chǎng)5.1.3 輸出圖像結(jié)構(gòu)如圖、所示，每一行有正程和逆程，每一場(chǎng)有正程和逆程，逆程是每一行和每一場(chǎng)的消隱，行消隱是電視機(jī)的電子槍從電視機(jī)屏幕的最左端回到最右端所需的時(shí)間，場(chǎng)消隱是電視機(jī)的電子槍從電視機(jī)屏幕的最末段到起始段所需要的時(shí)間。輸出信號(hào)主要包含三個(gè)部分：第頁(yè)圖 5.3 輸出信號(hào)組成部分圖 5.4 輸出信號(hào)波形組成圖像信號(hào)、復(fù)合消隱信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)，同時(shí)其中包括行消隱、場(chǎng)消隱、行同步、場(chǎng)同步。行信號(hào)行信號(hào)每一行各個(gè)信號(hào)時(shí)間為：行掃描時(shí)間為行掃描時(shí)間為 6464 ss 圖像信號(hào)圖像信號(hào)

35、52.252.2 ss消隱信號(hào)消隱信號(hào) 11.811.8 ss +250+250 nsns行同步信號(hào)寬度行同步信號(hào)寬度 4.74.7 s+100s+100 nsns 行延遲行延遲 1.31.3 s+250s+250 nsns如圖所示：圖像信號(hào)復(fù)合消隱信號(hào)復(fù)合同步信號(hào)行消隱行消隱場(chǎng)消隱場(chǎng)消隱行同步行同步場(chǎng)同步場(chǎng)同步第頁(yè)0.7V1V0V52.2 s11.8s行行延延遲遲1.3 s行行同同步步信信號(hào)號(hào)寬寬度度4.7 s逆逆程程11.8 s0.7V1V0V52.2 s11.8s行行延延遲遲1.3 s行行同同步步信信號(hào)號(hào)寬寬度度4.7 s逆逆程程11.8 s圖 5.5 行信號(hào)分析圖場(chǎng)信號(hào)場(chǎng)信號(hào)每一場(chǎng)信號(hào)

36、包括 312.5 行， 其中有場(chǎng)消隱信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，各個(gè)信號(hào)的時(shí)間計(jì)算如下： 一幀一幀 = = 奇數(shù)場(chǎng)奇數(shù)場(chǎng) + + 偶數(shù)場(chǎng)偶數(shù)場(chǎng) 625625 行行= = 312.5312.5 + + 312.5312.5場(chǎng)消隱信號(hào)場(chǎng)消隱信號(hào) = = 2525 6464 + + 11.811.8 = = 16001600 + + 11.811.8 = = 1611.81611.8 ss 場(chǎng)同步場(chǎng)同步 = = 3 3 6464 = = 192192 ss信號(hào)峰峰值信號(hào)峰峰值標(biāo)準(zhǔn)電視機(jī)信號(hào)峰峰值為 1V，以同步信號(hào)作為 100%，黑電平和消隱電平為 70%，白電平為 0%，圖像信號(hào)介于白電平和黑電平之間，根據(jù)

37、圖像的灰度而第頁(yè)變化。 在標(biāo)準(zhǔn)的在標(biāo)準(zhǔn)的 1V1V 全電平信號(hào)中全電平信號(hào)中 同步信號(hào)同步信號(hào) 0.7V-1V0.7V-1V 0.3V+9mV0.3V+9mV 圖像信號(hào)圖像信號(hào) 0V-0.7V0V-0.7V 0.7V+20mV0.7V+20mV通過(guò)示波器觀測(cè)到的波形是其倒像， 同步信號(hào)同步信號(hào) 0.0V-0.3V0.0V-0.3V 0.3V+9mV0.3V+9mV 圖像信號(hào)圖像信號(hào) 0.3V-1V0.3V-1V 0.7V+20mV0.7V+20mV5.1.4 檢測(cè)黑線原理路徑識(shí)別中，黑線和白色底板存在很多大灰度比，在圖像信號(hào)上會(huì)形成相應(yīng)高低不同的電壓值，當(dāng)檢測(cè)到黑線是，圖像信號(hào)中將形成一個(gè)“凹

38、”形槽，通過(guò) DG128 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)數(shù)據(jù)處理，就可以得到黑線相對(duì)小車的位置，一幀完成后，能計(jì)算出路徑的整個(gè)斜率和偏離量。5.2 CMOS 攝像頭的選取在掌握 3.1 中 CMOS 攝像頭的基本知識(shí)后，我們到市場(chǎng)上選購(gòu)所需的攝像頭。目前，市場(chǎng)上的攝像頭一般都是在 320 線以上，而根據(jù) MC9S12DG128 Datesheet 中的說(shuō)明，DG128 的 AD 最高采集頻率為 2MHz，可以采集到的像素點(diǎn)有： 6464/（1212 1/21/2）= = 1010 （個(gè)）（個(gè)）由計(jì)算可知，在最高采集頻率，8 位 AD 的情況下，只能采集到 300 以上個(gè)像素中的 10 個(gè)，橫向上的分辨率

39、十分低，不足以滿足識(shí)別路徑的要求。所以在選購(gòu) CMOS 攝像頭時(shí)，盡量選取像素較低的，同時(shí)考慮到功耗，我們選購(gòu)了 6-9V 供電的 350 線 SS2000B 黑白攝像頭。5.3 LM1881 視頻分離模塊MC9S12DG128 要對(duì)攝像頭輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行采集，必須將信號(hào)中的行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)分離出來(lái)，作為中斷，使 MC9S12DG128 AD 模塊采集視頻信號(hào)。第頁(yè)LM1881 可以從攝像頭的視頻信號(hào)中分離出行同步、場(chǎng)同步信號(hào)、奇偶場(chǎng)信號(hào)等。LM1881 引腳圖如下：圖 5.6LM1881 引腳圖引腳 2 位視頻信號(hào)輸入端，經(jīng) LM1881 芯片處理，引腳 1 輸出行同步信號(hào)，引腳3

40、輸出場(chǎng)同步信號(hào)，引腳 7 輸出奇偶場(chǎng)信號(hào)，引腳 5 輸出滯后行信號(hào) 5.8s的后肩區(qū)同步信號(hào)。它們的輸出波形如下：圖 5.5 視頻分離信號(hào)（）視頻信號(hào)（）行同步信號(hào)（）場(chǎng)同步信號(hào)（）后肩區(qū)同步信號(hào)（）奇偶場(chǎng)同步信號(hào)行同步信號(hào)對(duì)應(yīng)與視頻信號(hào)，它是判斷是否進(jìn)行 AD 采集的標(biāo)志，圖像信號(hào)滯后行同步信號(hào)的上升沿 5.8s；后肩區(qū)同步信號(hào)上升沿滯后行同步信號(hào)5.8s，所以它與圖像信號(hào)同步。奇偶場(chǎng)同步信號(hào)中，偶場(chǎng)為低電平，奇場(chǎng)為高電平，場(chǎng)同步信號(hào)的下降沿與奇偶場(chǎng)同步信號(hào)上升沿同步。我們可以用場(chǎng)同第頁(yè)步信號(hào)或奇偶場(chǎng)同步信號(hào)作為場(chǎng)的變換中斷，用行同步 信號(hào)或后肩區(qū)同步信號(hào)作為行變換的中斷。5.4 SS200

41、0B 黑白攝像頭測(cè)試購(gòu)買 SS2000B 黑白攝像頭后，我們對(duì)它的輸出信號(hào)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試。將攝像頭視頻輸出接在 LM1881 引腳 2 上，示波器探頭分別懸掛在 LM1881 引腳1、3、5、7 進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表：表 5.2行信號(hào)時(shí)間行信號(hào)時(shí)間64s64s行同步脈沖時(shí)間行同步脈沖時(shí)間4.4s4.4s圖像信號(hào)滯后行脈沖時(shí)間圖像信號(hào)滯后行脈沖時(shí)間5.8s5.8s場(chǎng)信號(hào)時(shí)間場(chǎng)信號(hào)時(shí)間19.8ms19.8ms圖像信號(hào)起始行圖像信號(hào)起始行第第 2525 行行圖像信號(hào)截止行圖像信號(hào)截止行第第 300300 行行在程序測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)場(chǎng)中斷產(chǎn)生時(shí)，行中斷標(biāo)志從零開始計(jì)數(shù)，當(dāng)行中斷標(biāo)志為 23 時(shí)開

42、始采集的數(shù)據(jù)才為有效數(shù)據(jù)，當(dāng)行中斷標(biāo)志為 300 時(shí)，為有效數(shù)據(jù)的截止行。第頁(yè)5.5 視頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集5.5.1 視頻采集電路LM1881 提取出行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，將其作為 MC9S12DG128 AD 采集的中斷，AD 模塊能正確采集圖像信號(hào)。LM1881 與 MC9S12DG128 的電路連接如下所示：圖 5.8 視頻采集電路視頻信號(hào)接在 LM1881 的視頻輸入端，同時(shí)接在 MC9S12DG128AD 采集端口（PAD0 口）。如圖所示，我們將能產(chǎn)生場(chǎng)中斷的場(chǎng)同步信號(hào)和奇偶場(chǎng)同步信號(hào)分別連接到 J2 的 1、3 插針上，2 號(hào)插針與芯片的 PH4 口相連接，將能產(chǎn)生行中斷的行同步信

43、號(hào)和后肩區(qū)同步信號(hào)分別連接到 J3 的 1、3 插針上，2 號(hào)插針與芯片的 PJ0 口相連接。在該方案中我們使用場(chǎng)同步信號(hào)作為場(chǎng)中斷，行同步信號(hào)作為行中斷（用跳線冒短接 J2 的 2、3，用跳線冒短接 J3 的 2、3），因?yàn)閳D像信號(hào)滯后行同步信號(hào) 5.8s，當(dāng)行中斷產(chǎn)生時(shí)，需要運(yùn)行一部分判斷程序，大概需要 5.8s，當(dāng)運(yùn)行完這部分程序后，恰好打開 AD 中斷，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，即采集到有效圖像信息。在這里 PH4 I/O 口 PJ0 I/O 口都以中斷的方式接收 LM1881 分離出的行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，這樣很方便的就能使芯片對(duì)視頻信息中的圖像信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集。第頁(yè)5.5.2 軟件采

44、集流程縱向采集個(gè)數(shù)測(cè)試縱向采集個(gè)數(shù)測(cè)試由 3.4 中的測(cè)試可得有效視頻信號(hào)是從第 25 行開始，到第 300 行結(jié)束，如果采集每一行信息，將超出 MC9S12DG128 的處理能力和存儲(chǔ)空間。同時(shí)在縱向不需要怎么高的分辨率。同時(shí)我們對(duì) 2.5cm 寬的黑線采集點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試方法如下：圖 5.9 采集示意圖將貼有黑線的跑道與攝像頭的縱向垂直，對(duì)每行視頻信號(hào)信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)采集分析，總共有 8 行數(shù)據(jù)采集到 2.5cm 的黑線，故我們編寫程序從第 25行開始每 6 行采集一次，一共能采集 46 行有效數(shù)據(jù)。第頁(yè)數(shù)據(jù)采集流程：數(shù)據(jù)采集流程：如上面的流程圖所示，整個(gè)程序中，場(chǎng)信號(hào)和行信號(hào)都以中斷

45、的方式產(chǎn)生，這樣可以優(yōu)化程序的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng) PH4 端口產(chǎn)生場(chǎng)中斷時(shí)，運(yùn)行場(chǎng)中斷函數(shù)，行計(jì)算變量清零，打開行中斷，若 PJ0 端口產(chǎn)生了行中斷，執(zhí)行行中斷函數(shù)，第頁(yè)行計(jì)算變量加一，判斷行計(jì)算變量是否滿足大于 25 且除以 6 取余是否為 0，若滿足說(shuō)明可以對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集。程序中采取在行中斷中以查詢的方式采集視頻信號(hào)，而不使用 AD 中斷方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因?yàn)橛?AD 中斷方式將增多中斷數(shù)量，各個(gè)中斷的時(shí)序不以控制，以致于出現(xiàn)錯(cuò)誤采集、漏采集數(shù)據(jù)的情況，同時(shí)可以提高 AD 采集的速度。當(dāng)采集完以后數(shù)據(jù)后，每隔 6 行中間大概有 0.3ms 的時(shí)間，在這段時(shí)間里，我們用來(lái)對(duì)采集的行信號(hào)進(jìn)行數(shù)

46、據(jù)處理，提取黑線位置，并存儲(chǔ)在一個(gè)一維數(shù)組中。在一場(chǎng)中，行中斷產(chǎn)生一次行計(jì)數(shù)變量增加 1 一次，一直到行計(jì)數(shù)變量大于 300 為止，當(dāng)其大于 300 時(shí)，說(shuō)明該場(chǎng)結(jié)束，進(jìn)入面處理函數(shù)模塊，對(duì)采集到的 46 行黑線位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制舵機(jī)、后輪電機(jī)運(yùn)作。之后，準(zhǔn)備下一場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。 第頁(yè)第六章第六章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊賽車的速度是決定比賽成績(jī)的重要因素，而驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的選取決定了賽車速度所能達(dá)到的最高極限。所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是賽車最重要的模塊之一。電機(jī)是組委會(huì)提供的 RS380,而驅(qū)動(dòng)電路采用了 4 片由 freescale 公司提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。6.1

47、 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)圖 6.1 MC33886 原理圖這是一片 MC33886 的外圍電路，四片就是把四個(gè) 33886 并聯(lián)起來(lái)用。單片機(jī)通過(guò) IN1,IN2 給 33886 輸入一定占空比（）的 PWM 波，33886 的 OUT1和 OUT2 輸出一個(gè)大小為（*V+）的電壓，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。用四片的原因：由于一片 33886 的額定輸出流為 5A，而且此芯片比較發(fā)熱。組委會(huì)所提供的電機(jī)在額定電壓下（即 7.2V）堵轉(zhuǎn)時(shí)電流為 16，這個(gè)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 33886 所承受的電流，所以如果用一片來(lái)驅(qū)動(dòng)當(dāng)電機(jī)賭轉(zhuǎn)時(shí)間稍長(zhǎng)時(shí)，第頁(yè)芯片會(huì)由于電流過(guò)大而燒掉。當(dāng)用四片 33886 時(shí)，雖然每一片所承受電流大小

48、有限，但四片所能承受的電流會(huì)很大，則如果達(dá)到電機(jī)電流極限也就是 16時(shí)，理想狀態(tài)下每片平均分配 4的電流，所以每片所需要的輸出電流很小，這樣能有幾方面的作用，第一，能減少每一片的發(fā)熱量，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，每次跑了很多圈，在芯片不加任何散熱片的情況下，也只是有很小的發(fā)熱量。第二，能減小每一片 33886 的帶載，反過(guò)來(lái)也增加了驅(qū)動(dòng)能力。但其也有缺點(diǎn)和不足，主要是首先四片所占面積比較大，不好安裝，其次是驅(qū)動(dòng)能力加強(qiáng)了，但電池電壓下降較快，也就是感覺(jué)電池用不了多久就會(huì)下降到 7V 左右，從而不能驅(qū)動(dòng)賽車前進(jìn)，但對(duì)于比賽時(shí)跑兩圈已經(jīng)足夠了。6.2 MC33886 原理：MC33886 是單片理想的 H

49、 橋式小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。其特性為：工作電壓：5-40V導(dǎo)通電阻：120 毫歐姆輸入信號(hào)：TTL/CMOSPWM 頻率： 10KHz具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)具有錯(cuò)誤報(bào)告端口等；由于芯片內(nèi)集成了兩個(gè)半橋，為了增大驅(qū)動(dòng)能力，我們把兩個(gè)橋并聯(lián)使用，并通過(guò)芯片資料上給芯片散熱的方法，安裝了適量的散熱片。由于四片所以不需要太多的散熱片。在錯(cuò)誤報(bào)告端口即 FS 端口外還加了上拉電阻，當(dāng) FS 被拉低時(shí)表明芯片出現(xiàn)了短路保護(hù)、欠壓保護(hù)或過(guò)溫保護(hù)，則需及時(shí)給 D1 和 D2 置位，讓芯片輸出高阻態(tài)，防止芯片進(jìn)一步過(guò)熱，以至于燒壞芯片。芯片封裝：第頁(yè)圖 6.2 MC33886 芯片外部引腳的封裝圖各

50、引腳的功能：表 6.1引腳引腳名稱 功能1AGND數(shù)字地2FS/錯(cuò)誤狀態(tài)端口3IN1邏輯輸入控制 14，5，16V+ 電源供電6，7OUT1 H 橋輸出 18，20 DNC 不連912PGND 模擬地13 D2/使能端 214，15OUT2 H 橋輸出 217 CCP 電荷泵電容18 D1 使能端 119 IN2 邏輯輸入控制 26.3 軟件初始化編程如下：PORTB_BIT5=1;/D2第頁(yè)P(yáng)ORTB_BIT6=0;/D1 PWME_PWME2 = 0; /disable pwm2 PWMPOL_PPOL2 = 1;/PWM 通道 2 輸出一個(gè)周期開始的極性為高電平 PWMCLK_PCLK2

51、 = 1;/PWM 通道 2 時(shí)鐘源選用 Clock SB PWMPRCLK = 0X00; / bus clock 不分頻; PWMCAE_CAE2 = 0; /為左對(duì)齊方式. PWMSCLB = 12;/SB24M/(12*2)=1M(周期 1us) PWMCNT2 = 0; /計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù) PWMPER2 = 100; /PWM2 周期= PWMPER2=1us*100=100us (10kHz) PWMDTY2 = 0; /占空比 = PWMDTY2 / PWMPER2 * 100% 可以通過(guò)設(shè)置寄存器 PWMDTY2 的值從 0100 來(lái)設(shè)置單片機(jī)輸出 PWM 波的占空比（分別

52、對(duì)應(yīng)為占空比為 0%100%）。第頁(yè)第七章第七章 舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊舵機(jī)的轉(zhuǎn)向模塊是賽車上的重要模塊，賽車靈巧的轉(zhuǎn)向是其能快速過(guò)彎的保證，所以如何加快舵機(jī)的響應(yīng)速度是進(jìn)行舵機(jī)改造時(shí)要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。所以我們進(jìn)行了幾個(gè)方面的改造，這幾方面在賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整一節(jié)已經(jīng)詳細(xì)闡述，在這里就不再?gòu)?fù)述了。在這里主要介紹以下舵機(jī)的原理及應(yīng)用。7.1 舵機(jī)的結(jié)構(gòu)舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k，直流電機(jī)、控制電路板等；圖7.1 舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)7.2 舵機(jī)工作原理：控制信號(hào)控制電路板電極轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組減速舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)位置反饋電位計(jì)控制電路板反饋；7.2.1 舵機(jī)的基本資料：型號(hào)：S3010尺寸：40.0*20*

53、38.1(mm) (L*W*H)重量：41（g）動(dòng)作速度：6.0V 時(shí) 0.160.02Sec/60 度輸出扭矩：6.0V 時(shí) 6.51.3Kg.cm第頁(yè)動(dòng)作角度: 6010 度使用電壓：4.0V6.0V7.2.2 舵機(jī)的控制方法：三線連接法：黑線：地線紅線：電源線（7.2V）白線：信號(hào)線（PWM 信號(hào)）圖 7.2 舵機(jī)插頭當(dāng)單片機(jī)信號(hào)是 1ms 正脈沖時(shí), 舵機(jī)轉(zhuǎn)向-60 度位置當(dāng)單片機(jī)信號(hào)是 1.5ms 正脈沖時(shí), 舵機(jī)轉(zhuǎn)向度 0 度位置當(dāng)單片機(jī)信號(hào)是 2ms 正脈沖時(shí), 舵機(jī)轉(zhuǎn)向+60 度位置圖 7.3 舵機(jī)控制信號(hào)第頁(yè)對(duì)于賽車而言，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)前輪轉(zhuǎn)到最大時(shí)舵機(jī)只能轉(zhuǎn)到大約4

54、0 度。對(duì)應(yīng)的正脈沖為 1.18ms 到 1.82ms。在我們對(duì)舵機(jī)進(jìn)行了一系列的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造后，當(dāng)前輪轉(zhuǎn)到最大時(shí)，舵機(jī)對(duì)應(yīng)正脈沖約為 1.32ms 到1.68ms，也就是舵機(jī)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)22 度左右，就可以使前輪轉(zhuǎn)到最大位置。這樣就大大節(jié)約了舵機(jī)轉(zhuǎn)向的時(shí)間，加快舵機(jī)的響應(yīng)速度。7.3 舵機(jī)的初始化編程：由于用一個(gè)通道 PWM 只有 8 位其范圍為 0255，所以精度只有 1/255，這個(gè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足調(diào)節(jié)的要求，所以用 PWM0 和 PWM1 聯(lián)合組成 16 位的寄存器，調(diào)節(jié)的精度可升高到 60/500，極限角度可從 1000 到 2000 連續(xù)調(diào)節(jié)，則完全可以滿足舵機(jī)調(diào)節(jié)的精度要求。把 P

55、WM0 口懸空，用 PWM1 口輸出，即可控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。為了進(jìn)一步加大舵機(jī)的響應(yīng)速度，把 PWM 周期從以前的 20ms 改為 10ms，其初始化編程如下：/pwm0.pwm1 PWMCTL_CON01=1; /0 和 1 聯(lián)合成 16 位 PWMPWMCAE_CAE1=0; /選擇輸出模式為左對(duì)齊輸出模式 PWMCNT01 = 0; /計(jì)數(shù)器清零PWMPOL_PPOL1=1; /先輸出高電平，計(jì)數(shù)到 DTY 時(shí)，反轉(zhuǎn)電平PWMPRCLK = 0; /clock A 不分頻，即 clock A=busclok PWMSCLA = 12; /對(duì) clock SA 進(jìn)行 24 分頻，PWM clo

56、ck=clockA/24=1MHz PWMDTY01 = 1500; /初始高電平時(shí)間 1.5ms PWMPER01 = 10000; /周期為 10ms;100Hz PWMCLK_PCLK1 = 1; /選擇 clock SA 作時(shí)鐘源 PWME_PWME1 = 1; /開啟 PWM第頁(yè)第八章第八章 電源分配模塊電源分配模塊本作品在電源分配上，主要采用 LM2567-5V 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到 5V和用 MC34063 升壓到 9V。其中 5V 給單片機(jī)、測(cè)速模塊、無(wú)線發(fā)送模塊供電；9V 給攝像頭供電，而舵機(jī)和直流電機(jī)都由電池電壓直接驅(qū)動(dòng)。電源分配圖如下：MC34063直流電機(jī)電池電壓7

57、.2VLM2576-5v舵機(jī)單片機(jī)測(cè)速模塊無(wú)線模塊視頻分離直流電機(jī)圖 8.1 電源分配8.1 5V 穩(wěn)壓電路本作品采用 LM2576 將電池電壓穩(wěn)壓到 5V ，LM2576 具有外圍電路簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高，波形穩(wěn)定等特點(diǎn)。電路圖如下：第頁(yè)圖 8.2 5V 穩(wěn)壓電路8.29V 穩(wěn)壓電路本作品試用的攝像頭的額定電壓為 9V,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)電壓低于 7.0V 時(shí)，攝像頭幾乎就不能工作了，并且攝像頭對(duì)電壓的穩(wěn)定性也要求很高。在這里我們通過(guò) MC34063 升壓型穩(wěn)壓芯片給攝像頭提供 9V 電壓，并且用 5V 電壓作為MC34063 的輸入，這樣有利于提高 9V 電壓的穩(wěn)定性。MC34063 同樣具有外

58、圍電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其電路圖如下：圖 8.3 9V 穩(wěn)壓電路通過(guò)滑動(dòng)變阻器 R23 來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，即可得到 9V 的電壓。第頁(yè)第九章第九章 測(cè)速模塊測(cè)速模塊9.1 測(cè)速的硬件部分本作品采用光電耦合管配合自制的碼盤，產(chǎn)生一系列數(shù)字脈沖，然后通過(guò)輸入捕捉來(lái)采集速度值。圖 9.1 碼盤結(jié)構(gòu)如上圖，將自制碼盤放在光電耦合管的槽內(nèi)，同時(shí)又和賽車的電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連。光電耦合管的發(fā)射端發(fā)射的紅外光，通過(guò)碼盤的間隙到達(dá)接收端。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接收端便以一定的頻率接收到紅外光線。9.2 測(cè)速模塊使用的電路如下：發(fā)射端接收端自制碼盤第頁(yè)圖 9.2 測(cè)試模塊電路當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)、會(huì)在 555 定時(shí)器的第 2 個(gè)端口

59、產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)（大致為正旋波），頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。經(jīng)過(guò) 555 定時(shí)器組成的斯密特觸發(fā)器的整形，out_put 端會(huì)產(chǎn)生同頻率的矩形波信號(hào)，這樣的信號(hào)就可以被單片機(jī)采集了。以上 555 斯密特觸發(fā)器電路的閾值電壓為 VCC/3 和 VCC*2/3。因此需要通過(guò) R1 和 R2 的選取將 In_put 的低電平電壓調(diào)到 VCC/3 以下，高電平電壓調(diào)到VCC*2/3 以上。滿足這個(gè)條件，測(cè)速模塊的電路就能很好的工作了。 9.3 測(cè)速的軟件部分通過(guò) DG128 單片機(jī)的輸入捕捉功能測(cè)取矩形波信號(hào)上升沿和下一個(gè)上升沿之間的時(shí)間 T（對(duì)應(yīng)于碼盤轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)空需要的時(shí)間）。已知電機(jī)傳動(dòng)比為18：76

60、（小齒輪的齒數(shù)為 18 個(gè)、大齒輪的齒數(shù)為 76 個(gè)），測(cè)得后輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周對(duì)應(yīng)的行駛距離為 0.17m，設(shè)碼盤的孔數(shù)為 N，則速度可由以下公式求得：Speed=(0.17*18)/(76*N*T)上面的公式事實(shí)上是一種理想情況，它需要滿足的條件是：碼盤的 N 個(gè)孔分布均勻，同時(shí)每個(gè)孔對(duì)應(yīng)得弧角也都相同，但事實(shí)上碼盤很難滿足這個(gè)條件。為了提高測(cè)速的準(zhǔn)確性，我們采用了求平均的方法，即在每次輸入捕捉中斷時(shí)取最近 N 次的時(shí)間 T 值相加，取平均得出最終的 T 值代入上式。因?yàn)榇a盤第頁(yè)N 個(gè)孔對(duì)應(yīng)的弧角和為 360 固定不變，這種方法避免了由碼盤孔分布不均產(chǎn)生的誤差，但也同時(shí)增加了測(cè)速的滯后性。經(jīng)過(guò)計(jì)算