第八届“飞思卡尔”杯全国大学生
智能汽车竞赛
技 术 报 告
1
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竞赛有关保留、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： 带队教师签名： 日 期：
目录
第一章 引言 .............................................................................................................................. 1
1.1 背景介绍 ..................................................................................................................... 1 1.2 赛车整体设计思路 ..................................................................................................... 1 1.3 文章结构 ..................................................................................................................... 2 第二章 机械结构调整 .............................................................................................................. 3
2.1 整体思路 ..................................................................................................................... 3 2.2 底盘调整 ..................................................................................................................... 3 2.3 后轮定位调整 ............................................................................................................. 3
2.3.1 主销后倾角 ....................................................................................................... 4 2.3.2 主销内倾角 ....................................................................................................... 4 2.3.3 车轮外倾角 ....................................................................................................... 4 2.4 舵机安装 ..................................................................................................................... 5
2.4.1 舵机延时分析 ................................................................................................... 5 2.4.2舵机的安装与控制延时解决办法 .................................................................... 7 2.5摄像头支架的设计安装 .............................................................................................. 9 2.6 电路板安装 ................................................................................................................. 9 第三章 硬件设计 .................................................................................................................... 11
3.1 总体方案 ................................................................................................................... 11 3.2 电源模块 ................................................................................................................... 11 3.3 传感器模块 ............................................................................................................... 13
3.3.1 摄像头的选择 ................................................................................................. 13 3.2.2编码器测速模块 .............................................................................................. 13 3.4 主控模块 ................................................................................................................... 14 3.5 电机驱动模块 ........................................................................................................... 14 第四章 软件设计 .................................................................................................................... 16
4.1 黑线的提取和图像中心的计算................................................................................ 16
4.1.1原始图像的特点及校正 .................................................................................. 16 4.1.2黑线的提取和中心的计算 .............................................................................. 17 4.2方向控制方案 ............................................................................................................ 19 4.3 分类进行方向控制算法 ........................................................................................... 20
4.3.1 直道的方向控制算法 ..................................................................................... 20 4.3.2 大弯的方向控制算法 ..................................................................................... 20
4.3.3 急弯的方向控制算法 ..................................................................................... 21 4.3.4 ―大S型‖道的方向控制算法 .......................................................................... 21 4.3.5 ―小S型‖道的方向控制算法 .......................................................................... 21 4.3.8 起跑线的方向控制算法 ................................................................................. 22 4.4速度控制方案 ............................................................................................................ 22
4.4.1 速度控制的重要性 ......................................................................................... 22 4.4.2 速度控制的算法设计 ..................................................................................... 23 4.5 棒－棒控制算法 ....................................................................................................... 25
4.5.1 棒－棒控制算法简介 ..................................................................................... 25 4.5.2 棒－棒控制算法用于该赛车系统 ................................................................. 25 4.5.3 棒－棒控制与PID控制两种方法结合的必要性 ......................................... 25 4.6 PID控制算法 ............................................................................................................. 26
4.6.1 PID控制算法简介 .......................................................................................... 26 4.6.2 数字PID控制算法 ........................................................................................ 27 4.7 经典PID算法实现速度的控制 ............................................................................... 29
4.7.1 经典PID算法实现速度控制的计算机仿真................................................. 29 4.7.2 经典PID算法实现速度控制的具体实现..................................................... 30 4.7.3 PID参数调节 .................................................................................................. 30 4.8 控制系统实时性能分析 ........................................................................................... 31 第五章 仿真与调试 ................................................................................................................ 32
5.1 调试阶段 ................................................................................................................... 32
5.1.1 摄像头调试 ..................................................................................................... 32 5.1.2 软件系统调试 ................................................................................................. 32
第六章 赛车具体参数 ............................................................................................................ 34 第七章 总结与展望 ................................................................................................................ 35
7.1 总结 ........................................................................................................................... 35 7.2 展望 ........................................................................................................................... 36 致 谢 ........................................................................................................................................ 37 参考文献 .................................................................................................................................. 38 程序附录 .................................................................................................................................. 39
第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告
第一章 引言
1.1 背景介绍
全国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制模块，通过增加传感器、电机驱动、编写相应软件以及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。该竞赛是涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械及车辆工程等多个学科的科技创意性比赛。
全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了七届，比赛规模不断扩大、比赛成绩不断提高。通过比赛促进了高等学校素质教育，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。[1]
从20012年9月开始，我们就开始着手准备这项赛事。历时11个月时间，经历了机械构造、硬件方案、算法思路的不断创新，这些创新体现在设计理念上，也贯穿赛车制作过程的始终。由于这些创新，赛车各方面综合性能得到提升，并且获得了良好的赛场表现。本技术报告将详细介绍我们为第八届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛而准备的智能车系统方案。
1.2 赛车整体设计思路
1.2.1 控制系统设计
智能车系统是一个相对复杂的反馈系统。CMOS摄像头采集的赛道图像信息、光电编码器采集到的车体运行速度是反馈控制系统的输入量。执行器（直流电机和伺服舵机）以及模型赛车构成反馈系统的装置。飞思卡尔K60系列的32位单片机是系统的控制器。在智能车系统的搭建到赛车快速、稳定地按照赛道行驶的整个过程中，反馈原理是我们分析问题和解决问题的基本原理。
1.2.2 赛车结构设计
关于赛车的整体结构布局（如图1.1所示），我们主要思路是：减轻车体重量，电路板
第 1 页