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第三届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
1.2 智能车整体简介
智能车系统是一个各部分协调运作的控制系统。系统要完成从传感器采集信息、微控制器对信息进行处理和计算并控制执行机构动作的整个过程。系统设计要求微控制器把路径的迅速判断、相应的转向伺服电机控制以及直流电机的控制紧密地结合在一起。从传感器数据采集、信息处理、转向伺服电机控制、电机转速控制，任何一个环节出现问题都会导致车模不能很好的跟踪赛道行驶甚至偏离赛道。因此智能车各个部分之间的协调工作是其正常行驶的基础。
在结构上智能车包括：电源模块、传感器模块、微控制器模块、电机及其驱动模块及控制转向的舵机等。该智能车使用飞思卡尔半导体公司的16位微控制器作为核心控制模块，通过设计相应的外围电路、编写驱动程序、控制程序以及装配、调整车模等，制作一个能够自主识别赛道，并沿赛道行驶的模型汽车。智能车通过图像传感器感知赛道信息，控制赛车的行进方向。使用摄像头能够采集比光电传感器更多的信息，但信息处理更加复杂。
1.2.1 硬件设计概要
智能车控制系统以MC9S12DG128微控制器为核心，包括电源模块、赛道图像采集模块、车速测量模块、电机驱动模块等几部分。赛道信息采集采用CMOS 图像传感器，图1.1为系统控制总图。
图1.1 控制系统总图
下面对各主要部分做简要介绍： （1）微控制器
本系统使用飞思卡尔16位MC9S12DG128微控制器作为核心控制单元。MC9S12DG128微控制器是MC9S12系列中的一款，它是飞思卡尔（Freescale）以
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第一章 绪论
StarCore为核心的十六位微控制器。
MC9S12DG128微控制器有着丰富的内部资源，它包含8KB RAM、128KB Flash ROM、2KB EEPROM、2个SCI、2个SPI、2路CAN总线、16路10位A/D转换器、1个I2C总线、8路8位/4路16位PWM口、8路16位定时器，有80和112引脚两种封装。其中很多端口都可以作为普通I/O口使用。
MC9S12DG128主频为16MHz，总线频率为主频一半。通过设置锁相环可将总线频率最高提高至48MHz。
（2）电机驱动模块
MC33886是飞思卡尔的一款H桥电机驱动芯片。它的开关频率很高，可以达到10KHz。它的导通内阻很小，只有120mΩ，可以提供5A的电流。电机驱动采用两块33886并联方式，可以减小单片芯片输出电流，减小芯片的发热。
（3）舵机
舵机内部有驱动控制电路，只需为其提供直流电压和PWM波就可以使其动作，不同的PWM波占空比对应着不同的转角。工作电压越高舵机反应越迅速，为了尽可能提高舵机反应速度，将舵机直接接到+7.2v电源上（组委会要求不可使用DC-DC升压为舵机供电）。
（4）测速模块
采用光电对管和自制码盘组成测速传感器，此种方法简单，测速精度已经可以满足要求，并且比市场上的光电编码器要便宜得多。由于车模无需反转，因此不用检相环节，结构简单。
（5）摄像头
由于赛道为白色，中间有黑色引道线，因此只需提取画面的灰度信息就可以实现寻线目的，而不需色彩信息。另外由于微控制器A/D口的转换速率和其内部RAM空间的限制，我们选择了320×240的CMOS黑白摄像头。
1.2.2 软件设计概要
软件部分主要包括：信息提取、路径识别、转向控制和速度控制几个部分。软件流程可分为以下几个部分：初始化，获得赛道信息并计算出角度和位置偏差，根据偏差和当前速度控制电机转速和舵机转动。软件结构框图如图1.2下：
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图1.2 主程序流程图
（1）视频图像信号采集方法
视频图像信号采集作为路径识别功能的基础，具有重要的地位。在主程序中采用软件查询的方法，得到场同步信号；采用中断方法捕捉行同步信号。通过A/D口将模拟视频信号转换成数字量并根据行计数变量按照原图像位置将信息存储于RAM中。整幅图像采集完毕后将完成标志位置位。
（2）路径识别方法
在判断图像采集完成后，进入路径识别计算。从最近一行图像开始检测，并记录下黑点的中心左右边界位置。根据该行获得的黑线的中心位置来确定下一行检测的起始点。如此循环直到处理完整幅图像。
（3）转向及速度控制算法
根据检测到的黑线中心位置，可知当前车相对于赛道的位置偏差和角度偏差，进而控制舵机转向。使用最小二乘法和分段线性化的方法获得赛道的曲率信息，然后再结合位置和角度偏差量控制车速的大小，使赛车在直道上的速度较快，弯道上的速度较慢，从而保证了赛车在整个行驶过程的稳定性。车速的调节采用遇限削弱积分PID调节算法。
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第二章 车模机械结构调整
赛车使用竞赛规定的车模套件，车模套件包括：车模底盘、舵机和电机。控制采用前轮转向，后轮驱动方案。
2.1 前轮定位
现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，转向后能自动回正，并减少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一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要参数包括：主销后倾，主销内倾，车轮外倾和前束。Matiz车模轮的四项定位参数均可调[1]。
在调整车模时，使其前轮略微前束，其余倾角都保持0°。
2.2 后轮差速机构调整
差速机构的作用是：在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动，并且可使车转弯时阻力更小。
车模右后轮轮轴轮处装有差速器。当车辆转弯时，内外两侧车轮的转弯半径明显不同，车轮不打滑的前提就是两侧车轮转速不同。在摩擦力的作用下，差速机构发挥作用，使两侧车轮都能与地面无滑动的转动，这对于保持车身的稳定性十分重要，同时也能减小轮胎的磨损。由于车模使用的差速机构是由滚珠组成，在两端预紧力较小时，差动效果较好，但齿轮容易与车轴间打滑，影响速度控制；如果两端预紧力过大，则又使差速效果很差。在调整差速机构的预紧力时，应该使其大小合适，既不会影响速度又不会使差速失效。
2.3 重心位置的调整
汽车重心指汽车重力的作用点，其位置的改变会影响汽车的动力性，制动性，操纵稳定性，平顺性，通过性和舒适性等重要特性[1]。通过参阅相关文献和测试得出：重心靠近后轴，对车模的动力性能有益；重心靠近前轴，对车模的制动性和操纵稳定性有益。车模所需要达到的最快车速也远没有现实中那么高，只有4m/s。所以我们在安装传感器，CMOS摄像头，电池和电路板时，都尽量布置于车身中间略靠近前轴。因为电池是车中可以改变位置的部件中最重的，因此我们将电池前置，使车的重心明显前移。经过反复的测试和赛区的初赛我们认
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