基视频导航智车系统设计实现
The smart car system based on video navigation design and implementation
摘
课题第十三届全国学生智车竞赛背景通优化车程序算法继提高智车速度稳定性智车系统软硬件机械结构组合成复杂系统恩智浦半导体公司生产生产32位单片机MK60N512ZVLQ10作控芯片通MT9V032摄头采集回赛道视频图图噪二值化处理清晰灰度图提取出中心线智车身积分计算减软件算法计算量电机驱动采PID控制算法中PD两项进行速度控制I项置零角转安全计算量简便采保守策略舵机采PID控制算法中P项固定值进行控制整智车系统通控芯片合理控制终实现直道全速行驶弯道安全通控制
关键词：智车 摄头 中心线 PID控制算法
Abstract
This topic in the thirteenth session of the national college students＇ smart car competition as the background main cars by optimizing the program algorithm and improve the speed and stability of the smart car The intelligent car system is a complex system composed of hardware software and mechanical structure The 32bit singlechip computer MK60N512ZVLQ10 produced by NXP semiconductor company is used as the main control chip The track video image is collected through MT9V032 camera Because the smart car itself is a very big integral calculation so in order to reduce the amount of calculation software algorithm the PID control algorithm of motor drive speed control of PD two will I set to zero In order to ensure the safety of Angle steering and make the calculation easy a conservative strategy is adopted The steering gear is controlled by the fixed value of P in PID control algorithm Through the reasonable control of the master control chip the whole intelligent car system can finally achieve the control of straight road full speed safe curve through
Key words smart car camera center line PID control algorithm
目录
第1章 绪 1
11 背景 1
12 智车研究发展现状方 2
121 国外研究发展现状 2
122 国研究发展现状 3
123发展方 3
13 文研究容 3
第二章 智车系统总体设计 4
21 总体设计概述 4
211 机械系统 4
212 硬件系统 4
213 软件系统 5
22 总体设计框图 5
第三章 机械结构设计 6
31 电池位置 6
32 编码器安装 6
33 摄头安装位置 6
34 硬件电路板安装 6
第四章 电路硬件设计 7
41 电源模块电路设计 7
411 33V稳压电源模块 7
412 6V稳压电源模块 8
413 12V稳压电源模块 8
42 重接口模块 8
43 MOS单路驱动 9
第五章 软件算法优化 10
51 开发工具 10
52 图采集 11
53 图处理 12
531 图噪处理 13
532 图二值化 14
54 提取中心线 15
55 路径识 16
56 直流电机控制 16
57 舵机控制 18
第六章 结 20
参 考 文 献 21
致 谢 22
附 录 23
第1章 绪
11 背景
着种样智技术快速发展越越行业领域高新技术应行业产品服务等物质变更加安全便利继推动国研究智技术知道社会发展汽车普导致交通拥挤现象已成全世界范围困扰问题全世界快速发展赖着互联网计算机等科技技术支撑生活水断提高基家户会私家车出行高峰期便会出现交通拥挤现象解决问题许国家纷纷研究智汽车种先进智技术带汽车领域中智化汽车仅仅解决日常生活交通拥挤问题更体现国家汽车技术快速提高标志国家济水增长世界处断变化着生活方面汽车智化现企业集团纷纷研究智技术研究成果商场博览会中会遇解决问题图机器机器餐厅断出现实现点餐缴费炒菜做饭出餐体化天猫京东智配送机器年双十减少企业损失快递员工作压力智化汽车仅汽车行业发生翻天覆改变行业紧着发展变化相信久更智产品会出现生活中生活更安全便利
着智技术发展日常生活遇种交通问题企业纷纷涌入智车领域现代社会计算机技术带汽车行业中断加强智车研究20世纪初时国家已开始研究智车技术做法汽车行驶公路中间铺设磁块汽车着公路磁块进行导航种想法技术具行性考虑成高昂利面积铺设等问题放弃眼睛扇窗户开五彩斑斓世界文学中描述中知道眼睛东西智技术找款产品者研究种技术代眼睛呢？通视觉传感器研究发现具诸优点行性图处理技术利摄头进行视频导航断应智车技术研究中
果您名驾驶员开车会知道开车时通双眼获取道路状况道路标志车辆数目路口行等92道路环境信息通分析想类通视觉获取东西通机器视觉获取道路环境信息进处理识样减少驾驶员行驶汽车程中环境等素导致交通事计算机技术发展未成熟年代机器视觉获取实时图处理计算力十分限着国研发员计算机技术研究现计算机技术广泛应行业实时图处理技术提高首先计算机技术广泛应体现技术成熟相关处理器传感器降价价格降更研究关图处理技术次技术成熟传感器价格降视频导航技术仅应汽车行业中应物流制造等行业汽车安全辅助驾驶驾驶等智车视频导航体现相信数年更场合会出现智车身影智车会代类完成高难度危险工作例危险工作区采样宇宙星球探险军事探测等社会发展仅仅GDP济体现生活工作变便捷中智车技术应方面会变备受关注研究视频导航技术必非常价值
12 智车研究发展现状方
智车已成智交通系统重点研究象汽车企业断研究驾驶安全辅助等智汽车产品智汽车仅仅民方面解决交通拥挤问题未应行业领域中非常发展前景例太空星际探测危险工作区域采样物流仓库巡逻军事防护等等
20世纪中国家家户户温饱奔波时候国外已出现驾驶汽车样差距仅没中国气馁反中国断努力进步国研究智车技术发达国家相提起步较晚相关科学技术研究总体水会略落发达国家没停止智车技术研究国家民生活水断提高时国汽车变智化国高校汽车公司纷纷开始研究智车技术例 国成功研制第辆驾驶轿车型号7B8军事领域具种传感器等外2002年国开始重视智交通系统启动项目计划开始研究车辆安全辅助驾驶国家智车研究提供科技济支持高校纷纷涌现出智化相关专业
高校中学校紧社会进步步伐纷纷出现嵌入式开发软件工程电子信息工程等智技术相关专业专业老师断鼓励学生参加学生创新创业合泰杯恩智浦智车等创新项目做法仅学生校学代社会先进潮流技术相关知识培养学生智技术兴趣爱进培养出相关技术学生通学致学知识应行业领域变智化起相信未国智车技术远超发达国家
121 国外研究发展现状
2000年首届学生智模型车竞赛举办方——韩国汉阳学场学生课外科技竞赛该竞赛需学生行设计硬件电路HCS12单片机软件开发应智车系统核心控制器飞思卡尔公司资助年100支左右高校队伍参赛组委会提供三件套分车模充电式电池直流电机然利三件套结合学科知识创作出够识赛道路径智车果参赛队伍想成终冠军仅需智车出赛道情况短时间行驶完官方指定路径参赛队伍技术报告评分高整智车系统包括机械结构设计硬件电路设计软件编程设计需参赛队伍成员学智车系统相关知识工具2004年开始韩国现代公司促进更学生积极参赛捐赠辆轿车作竞赛特等奖
韩国高校举办赛事成功证明智车科技竞赛体现学生未智技术热爱学校社会支持仅提高学校教学整体水终学生创新力应企业汽车产品研究中
122 国研究发展现状
受韩国智模型车竞赛影响举办5届2006年8月国清华学举办首届学生智模型车竞赛时邀请57院校112支队伍前参赛仅受院校热情参教育部非常重视改赛事列入教育部办全国五竞赛体现该竞赛学生创新力重性该竞赛已成功举办14届非常受学生关注许年该竞赛仅仅针学生中学生获参赛资格该竞赛涉众学科专业知识仅学生学知识融会贯通培养动手创新力提高高校智车研究水推动社会智汽车产品研究发展
123发展方
驾驶智车未科技发展重方视频导航技术研究断提高视频导航智车普通汽车基础高科技辅助行业领域断拓展成熟广泛应例星际探测危险工作区域采样物流仓库巡逻军事防护等等
13 文研究容
（1）摄头采集图做处理提取出中心线
（2）优化算法提高车原速度稳定性
（3）减软件算法计算量舵机PD控制算法转变P项
（4）减硬件面积
第二章 智车系统总体设计
通章节智车介绍相信家智车系统组成解没错机械硬件软件构成章中智车总体设计概述作出阐述画出总体框图
21 总体设计概述
智车总体工作模式：型号MK60N512ZVLQ1032位单片机作核心控制器电机舵机进行控制然利型号MT9V032摄头采集赛道图进识出赛道路径继相互结合控制车速度转完成规定赛道行驶机械结构稳定硬件电路安全情况通优化算法提高车速度稳定性做直道全速行驶弯道安全通出赛道情况快速度完成赛
211 机械系统
根第十三届赛规规定竞速光电四轮组车模必须指定B型车模该车模官方指定B型车模长285cm宽178cm底部距离面35cm
提高智车方面性机械结构需重新设计中包括B型车模改装处理舵机编码器摄头电池等零件安装
212 硬件系统
智车控制系统台硬件系统MK60N512ZVLQ10控制模块电源模块重接口电机驱动电路组成
MK60N512ZVLQ10控制模块：该智车系统采官方指定 MK60N512ZVLQ10 作控制核心具144引脚中100供外部处理摄头采集信号根PID控制算法做出电机转速舵机角转决策终完成智汽车循迹高速运行
电源模块：根模块需电压值设计电源稳压电路模块采芯片型号SPX1117M3该芯片价格便宜性高分33V5V电源电路进行稳压
重接口摄头速度采集舵机OLED显示屏等接口模块组成（1）摄头模块：采 MT9V032完成赛道信息采集电压33V（2）速度采集模块：MINI512 线编码器完成速度检测速度值反馈MK60继控制车加减速（3）舵机模块：舵机型号SD5电压6V（4）OLED显示屏模块：该模块调参数进行显示图显示方便实时观察摄头采集赛道信息软件开发员需调试摄头高度广角时手推车行驶时实时观察摄头采集赛道图
电机驱动模块：B型车模单电机设计单路电机模块
213 软件系统
该智车软件控制台图传感器型号MT9V032图分辨率60*120摄头利场中断行中断进行图采集采集回图噪二值化处理然提取出中心线微控制器车速度转进行控制实现导航完成指定赛道行驶图中心线提取提高车速辅助电机通输出PWM占空车速度进行控制设计中车身积分计算量采PID控制算法中PD两项进行控制车速度舵机采固定值P项进行控制车角转整软件系统中图采集处理中心线提取电机速度控制舵机角转控制算法非常重
22 总体设计框图
智车赛道行驶赖模块功作总体框图图示：
图22 智车系统框图
第三章 机械结构设计
合理机械结构设计硬件电路软件算法提供稳定性支撑章中会智车机械结构模块配件位置摆放重心调整进行分节介绍例车静止赛道时四轮胎否稳摆放跑道行驶时会发生侧翻轮甩尾需质量保证车机械结构机械结构仅提高车稳定性车行驶时转弯速度图采集效果
31 电池位置
车电机固定安装轮处整辆车动力电池身质量车模身质量相接增加车质量考虑果电池安装车模前桥会车重心前移增车行驶程中出现甩尾现象应电池安装车模部分贴底盘仅结构提高车运行速度稳定性车头舵机更加灵活转
32 编码器安装
课题研究车编码器快速精确采集电机正反速度编码器安装需齿轮电机齿轮相耦合样采集精确车种路径行驶速度
33 摄头安装位置
避免摄头拍摄出现盲区应摄头安装车模中间电池前方位置车模原固定想车模孔情况位置适合摄头支杆材料碳纤维素具极强稳固性
34 硬件电路板安装
课题研究车硬件电路均设计减车质量固定电路板铜柱换成塑料材质板驱动板安装元器件接触免短路降低车重心板安装车模底板相贴位置凹槽卡住摄头支杆处驱动板需安装散热处位置长塑料柱高高架起驱动板安装车桥电机方车子重心移增加车轮抓力防止甩尾
第四章 电路硬件设计
硬件电路车系统基础组成没存软件算法车驱动起强硬件电路保障系统安全稳定前提设计硬件电路时需模块电路做接滤波等工作时高速数字电路模拟电路分开章中介绍车质量会车速造成良影响设计硬件电路时减电路板面积减电路板面积呢？设计原理图时减少元器件数量合理布局PCB图样减电路板面积减轻车子质量章节简单介绍硬件电路中模块供电驱动重接口模块电路设计
41 电源模块电路设计
根恩智浦智车竞赛规辆车供电电源统官方指定72V充电镍镉电池硬件电路设计中模块需电源工作72V电源分模块供电少V呢？面介绍车电源模块电路设计
图41 电源模块电路设计
411 33V稳压电源模块
33V电源系统板MK60速度采集摄头串口OLED等模块供电原理图设计：
图4111 系统板K60电源模块
412 6V稳压电源模块
B车模舵机型号SD5舵机需电源6V
图412 舵机6V稳压电源
413 12V稳压电源模块
B车模电机需设计单驱动电路需电源12V
图413 电机12V稳压电源
42 重接口模块
硬件电路中许重接口模块分速度采集编码器摄头模块OLED显示屏模块等重接口模块部分接口模块原理图示：
图4112 速度采集编码器接口
图4113 摄头接口
图4114 OLED接口
43 MOS单路驱动
H桥驱动电路种非常典型实参考电路供户参考课题单电机驱动电路设计参考电路4MOS电机组成MOS芯片型号IRLR7843TRPBF角线MOS导通电机便会转动MOS导通电流方决定电机正反转动
图43 驱动电路
第五章 软件算法优化
智车导航系统基思路首先摄头传感器采集赛道图然图进行处理处理赛道图信息反馈MK60微控制器微控制器车速度方做出步控制动作
智车视频导航什实现程呢？现简单描述首先车行驶程中摄头传感器提前获取道路前方信息然摄头传感器前方道路进行图采集然图处理提取出赛道中心线继赛道路径作出识控制车速度转
智车视频导航系统软件算法课题设计中重点需考虑素首先考虑通摄头传感器采集图采集回图需设置合理呢？次摄头采集回原始图存干扰需采集图进行处理区分车道边界黑线背景图噪二值化处理图应提取出中线控制器车速度方做出控制疑问章节中做出解答软件算法总体流程图：
图5 软件算法总体流程
51 开发工具
课题编程开发工具IAR Embedded Workbench IDE工具新学者说款操作简单手快等优点编程开发工具里需提示点NXP公司收购飞思卡尔公司新版IARoption选项中已没freescale项款软件新建工程进行配置时需NXP选项里进行单片机型号选择选择具简洁灵活易硬件操作移植性高等特点C语言作软件开发编程语言
52 图采集
课题研究智车图采集传感器基MT9V032芯片设计摄头灰度值范围0255拍摄广角120°摄头采集图宽度范围1752MK60允许采集图宽度超170选择宽度120图高度范围1480选择高度60采集图60*120图图分辨率灰度值范围指摄头图信息含256灰度级图摄头采集图速度50场秒输出信号仅场步信号行步信号间消隐信号摄头模块MT9V032芯片具视频步分离功分离输出信号终场步信号行步信号时序信息进行控制行中断采集该行信号时时间求中断优先级较高HREF中断请求入口作行步信号输入口VSYNC场步信号输入口摄头秒采集图速度单片机处理数速度固定帧数保证车高速情况行驶采集图失真仅捕捉场信号降
摄头拍摄距离达3米远避免摄头拍摄赛道外元素邻赛道造成误判干扰等问题调试设定摄头拍摄前方12米距离样会拍摄余图会影响控制器车速度转做出控制摄头采集原始图眼东西样处清晰远会变模糊图形中梯形摄头拍摄前轮前方20cm处盲区会导致车起跑时未采集起跑线防止种现象发生剩1米效范围取25cm少采集行幅图少采集40行减误差采集行数增设定60行行采集点数120
采集图思路：首先判断场中断图缓区否空果空开启行中断计数行采集然累计行数幅图行数相等便关闭行中断图缓区置满清零计数器等幅图采集具体流程图：
图521 判断场中断
图522 采集图基思路
53 图处理
车高速行驶时图处理速度需快时图处理方法需图中标志进行取舍提取图中心线简单光线均匀赛道路径等影响素需图进行处理快速提取出中心线提高系统处理速度保证系统实时性需原始图进行噪二值化处理提取出中心线
图噪处理二值化处理提取中心线重支持节两种处理方法进行说明图噪处理采集回原始图进行中值滤波掉周围素灰度值差较素点中值取代赛道白色PV板背景蓝色图进行二值化处理图进行灰度化灰度化图黑白两种颜色灰度值0代表黑色255代表白色
531 图噪处理
摄头采集回原始图数字化传输程中会受外界环境噪声等干扰素影响处理会影响续中心线提取采图噪处理减少数字图中噪声程噪处理方法种样次中值滤波噪方法中值代掉周围素灰度值差较素点
图5311 未噪处理原始图
图5312 未噪处理分析图
图 5313 噪处理图
532 图二值化
二值化图黑白两种颜色素点灰度值02550代表黑色255代表白色二值化图处理思想特征素点分割区域中找出素点相似特征呢？引入阈值图二值化时阈值直变化知道摄头采集图时相邻两张图间时间间隔参考张图计算出阈值图二值化常算法固定阈值二值化适应阈值法
果解恩智浦智车竞赛会知道赛道固定结构明显白色赛道蓝色背景研究员利赛道颜色差特点选择适合二值化算法基重特点简化算法选固定阈值法图进行二值化处理阈值固定阈值确定显尤重关系整幅图二值化处理效果阈值更新代码：
void Get_threshold(void)
{
uint8 i j
Sumof_threshold0
for(i0 i for(j0 j
Sumof_threshold+image[i][j]
if(image[i][j]>Update_threshold)
Image_user[i][j]1
else
Image_user[i][j]0
if(j119 || j0)
Image_user[i][j]0
}
Update_thresholdSumof_threshold(ROW*COL)
}
54 提取中心线
分析采集图知赛道左右边线中心线连续智车稳定行驶赛道中间必须中心线提取出
提取中心线方法先行第列第点开始遍历图宽度高度设置赛道左右边界线然左右两边界点加起2算出中点点连成线继形成中心线非采集图左右边界线例车进入S弯时采集赛道左右边界线进行边丢线者补线求出中心线车进入十字路口者圆环时摄头采集幅空白图行开始遍历行左右边线做丢线处理延伸开始行中心线提取核心代码：
void Draw_midline_algorithm(void)
{
uint8 ij
for(i59 i>0 i)
{
ADD_Left[i]0
ADD_Right[i]0
for(jMid[i] j<120 j++)
{
if(Image_user[i][j] && Image_user[i][j+1])
{
Right[i]j
break
}
}
for(jMid[i] j>0 j)
{
if(Image_user[i][j] && Image_user[i][j1])
{
Left[i]j
break
}
}
图54 提取出中心线图
55 路径识
路径识基础需摄头采集回图处理然提取出中心线届智车赛中赛道路径直道S弯道S弯道十字路口起跑线路障识年增加路径新元素圆环圆环规格分50cm100cm150cm圆环元素图信息变更复杂复杂图信息中提取出效中心进行循环较困难车行驶入圆环时摄头采集回图中表现底部面积空白选择高点面行空白块作判断圆环标志
56 直流电机控制
中学物理中学物体质量越惯性越速度会越课题中研究智车身车模加电池质量已超500g更况加硬件配件质量质量车速度会造成影响选择优算法减智车身惯性极重物体静止时速度零车刚准备启动时速度零时电机输出会什时候电机输出会呢？车跑道稳匀速行驶时候考虑车行驶时惯性身质量电池电量会车速度造成漠视影响选择闭环控制算法车速度控制
直流电机进行控制呢？实车速度进行控制车做直道全速行驶弯道安全通短时间跑完全程PID鲁棒控制算法结合速度进行完美控制车速控制通道时间滞较车速身积分环节PID算法中积分项省略采PD控制算法说加入鲁棒控制算法完美控制车速度呢？车行驶跑道直道弯道等种路径时车需短时间路径进行加减速度控制鲁棒控制算法优点果编码器读取速度值目标速度相差时该算法会PWM占空迅速变加快调节系统速度引进鲁棒控制算法原
具线性关系两变量会定例关系种素车速PWM成非线性关系果线性关系调速会变容易例车前速度15msPWM45设定目标速度3ms直接PWM提高90完全忽略外界干扰素类似道物理题计算忽略摩擦力然线性关系应控制PWM车速度达设定速度？车控制系统加复杂外界素PWM速度间存什关系法确定前速度快时间达设定目标速度引入PID控制算法调整车行驶时速度
PID控制算法位置式增量式部分会选择增量式PID作车控制系统算法原：位置式算法控制变量状态关需偏差值进行量累加增量式次偏差值关位置式算法输出全量输出样车动作影响较两者区图示：
图561 位置式增量式控制算法区
PID控制算法公式中P例输入偏差常数I积分输入偏差进行积分运算D微分输入偏差进行微分运算里说输入偏差指读出控制象值减设定值例开发员想控制车速3ms编码器中读取出速度值15ms3ms设定值15ms读出控制象值
PID算法速度调整起控制作次课题研究中PD两项I项置0调速程中发现P项参数增时控制车速度果昧提高车速车行驶程中会发生严重抖动现象D项车速度控制系统中起调节时间作现车直道行驶时总弯时速度行驶吧？D项短时间车速度提高
综述PID原结三点：（1）车短时间达快速度（2）车行驶程中会外界素影响变稳定（3）车速度控制系统闭环满足整系统稳定求
通智车速度控制系统PID算法进步研究原赛车速度作出调整短时间原均17ms速度提高2ms段时间电机PID调参总结技巧（1）通届赛道路径发现起跑时直道起跑时PWM输出全速直（2）果想车急刹车I项值设会出现车甩尾驱动板发热现象表格列举出速度调整前U(k)项参数PWM占空值：
调整前速度
P项
I项
D项
PWM占空值
17ms
054
100
047
60
2ms
083
0
02
80
表56 调速前参数值
57 舵机控制
舵机智车系统中作通角转弯控制车行驶方通阅读种文献发现研究智车会舵机PD控制算法段时间调试发现果车速度未达25ms采舵机PD控制算法会增加调试D项工作量速度未达25ms时需P参数车进行稳定角转弯反复调试PD两参数确实稳定控制效果P项调整达定程度D项会影响车行驶稳定性需慢慢调试耗费力时间果PD控制建议调参时先P值调刚刚舵机点转方然D值P值百倍数值课题中车速度17ms提升2ms未达25msP定值车路径中稳定行驶表列举出路径方P值：
P值
路径
左转P值
右转P值
直道S弯十字路口
70
70
圆环
80
65
表57 舵机P值
控制舵机核心程序：
void Geer_PID_algorithm(void)
{
if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain80
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain65
}
else
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain70
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain70
}
}
第六章 结
课题第十三届全国学生智车竞赛背景该智车系统通摄头采集赛道图采集图进行噪二值化处理然提取出中心线控芯片通摄头信号赛道元素作出判断终电机速度舵机角做出控制保证智车出赛道情况短时间行驶完全程回顾次毕业设计文方面进行总结：
1 智车系统硬件设计重点单路电机驱动电路进行设计初布线时未考虑单路电机驱动电流电流线进行加粗终导致短路烟
2 调节电机PWMPID算法进行调速终提高车速
3 舵机PID控制算法中采固定值P项进行控制减系统运算量提高车稳定性
4 优化圆环图处理算法
车系统做出改进存着足：
1 车快速度行驶时会偶尔出现甩尾现象智车系统稳定性提高
2 车速达25ms需重新调试舵机PID参数
3 根实际测试发现官方规定镍铬电池电源电压稍微低72V时会车稳定性造成影响利车长时间行驶调试摄头采集图问题目前未合理解决
参 考 文 献
[1] 黄凯龙 基飞思卡尔单片机智车调试系统设计[D]湖南学2014
[2] 胡房武 基图采集智车系统设计[D]连海事学2011
[3] 李久芳基二值化边缘图滤波方法[J]电子工业专设备201039(02)2527
[4] 许寰鲁五赵治摄头路径识车控制策略[J]计算机工程科 学200931(05)110111+115
[5] 罗丛波 基视频导航飞思卡尔智车系统设计实现[D]吉林学2016
[6] 王泽元 基CMOS图传感器视觉系统智车设计实现[D]吉林学2011
[7] 王洋 基视觉导航智车系统研究[D]南昌学2008
[8] 邹华东贾瑞清张畅飞思卡尔智车赛道识控制策略研究[J]机床液 压201846(15)9498
[9] 陈思宇张倩钱程熊扬扬基飞思卡尔K60二值化图线传输[J]科技风2019(07)66
[10] 张瑾孟利利梁剑飞基飞思卡尔单片机MK60DN512ZVLQ10智车设计[J]黑龙江 科技信息2016(32)108
[11] 王宏旭 基飞思卡尔智车视频导航控制技术研究[D]沈阳理工学2014
[12] 马启瑞田洪亮基飞思卡尔智车线图处理实时监控系统设计[J]线互联科 技2013(11)60+69
致 谢
次文够利完成首先感谢指导老师沈宏锐2019年文选题开始指导老师直时刻保持联系心力指导着学老师指导着查阅文献编写开题报告中文献综述直文定稿历程粗心意写文时出现格式错误老师针见血批注出严谨治学态度深深影响相信历次毕设阶段做事方面变更加细心特指导老师——沈宏锐老师表示诚挚感谢
次感谢广东东软学院领导老师学校领导老师付出学四年期间学专业知识参加许锻炼身专业水竞赛学生活变彩样老师渊博知识严谨教风直断激励前迈进精勤博学学致东软学院四年学学生活里断成长进步感谢校园中默默付出领导老师
感谢家学朋友做毕设期间遇困难心情受影响鼓励支持重新振作起里感谢写文期间参考文献作者学术研究成果启发感谢位付出追求理想生道路会直想着关爱奉献温暖会直前
附 录
附录1
控板原理图：
图1 控板原理图
驱动板原理图：
图2 单驱动原理图
附录2
程序mainc：
#include headfileh
#define Smotor_P_gain 5
#define Smotor_I_gain 1
#define Smotor_D_gain 0
uint8 Geer_P_gain50
#define Geer_I_gain 0
#define Geer_D_gain 700
**
**获更新阈值
*
uint8 Image_user[ROW][COL]
uint8 Update_threshold120
uint32 Sumof_threshold0
void Get_threshold(void)
{
uint8 i j
Sumof_threshold0
for(i0 i for(j0 j
Sumof_threshold+image[i][j]
if(image[i][j]>Update_threshold)
Image_user[i][j]1
else
Image_user[i][j]0
if(j119 || j0)
Image_user[i][j]0
}
Update_thresholdSumof_threshold(ROW*COL)
}
**
**电机PID
*
int16 Smotor_perror0
int16 Smotor_daterror0
int16 Smotor_pidout0
int16 Want_speed1000
void Smotor_PID_algorithm(void)
{
Smotor_perrorWant_speedspeed
Smotor_pidout Smotor_P_gain * Smotor_perror +
Smotor_I_gain * (Smotor_perror+Smotor_daterror) +
Smotor_D_gain * (Smotor_perrorSmotor_daterror)
Smotor_daterrorSmotor_perror
}
**
**电机控制
*
int16 Smotor_duty0
void Smotor_control(void)
{
Smotor_dutySmotor_pidout
if(Smotor_duty>0)
{
if(Smotor_duty > 8000 ) Smotor_duty8000
if(Smotor_perror > 400) Smotor_duty6000
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch10)
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch0Smotor_duty)
}
else if(Smotor_duty<0)
{
Smotor_dutySmotor_duty
if(Smotor_duty> 8000 ) Smotor_duty8000
if(Smotor_perror < 400) Smotor_duty6000
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch1Smotor_duty)
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch00)
}
}
**
**舵机PID
*
int16 Geer_perror0
int16 Geer_daterror0
int16 Geer_pidout0
void Geer_PID_algorithm(void)
{
if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain80
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain65
}
else
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain70
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain70
}
Geer_pidout (int)Geer_P_gain * Geer_perror +
(int)Geer_I_gain * (Geer_perror+Geer_daterror) +
(int)Geer_D_gain * (Geer_perrorGeer_daterror)
Geer_daterrorGeer_perror
}
**
**舵机控制
*
uint16 Geer_duty7400
void Geer_control(void)
{
Geer_duty 7400 + Geer_pidout
if(Geer_duty>11900) Geer_duty11900
else if(Geer_duty<2900) Geer_duty2900
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch7Geer_duty)
}
**
**起跑线识
*
uint8 stop0
uint8 starting_line0
void Seek_Starting_Line(void)
{
uint8 i j
starting_line0
for(i55 i>45 i)
{
for(j60 j<80 j++)
{
if(image[i][j] < Update_threshold && image[i][j+1] > Update_threshold)
starting_line++
if(image[i][j] > Update_threshold && image[i][j+1] < Update_threshold)
starting_line++
}
for(j60 j>40 j)
{
if(image[i][j] < Update_threshold && image[i][j1] > Update_threshold)
starting_line++
if(image[i][j] > Update_threshold && image[i][j1] < Update_threshold)
starting_line++
}
}
if(starting_line > 50)
stop1
}
**
**程序入口
*
void main(void)
{
get_clk()电必须运行次函数获取频率信息便面模块参数设置
uart_init (uart2 115200) 初始换串口电脑通信
camera_init()
pit_init_ms(pit0 50)
初始化正交采集模块
ftm_quad_init(ftm1)
开启拉电阻
port_init_NoAlt (A12 PULLUP )
port_init_NoAlt (A13 PULLUP )
enable_irq(PIT0_IRQn)
EnableInterrupts
ftm_pwm_init(ftm0ftm_ch0100000)
ftm_pwm_init(ftm0ftm_ch1100000)
ftm_pwm_init(ftm0ftm_ch7507400)
Init_Road()
while(1)
{
if(mt9v032_finish_flag)
{
mt9v032_finish_flag 0
Get_threshold()
Draw_midline_algorithm()
Seek_Starting_Line()
Geer_PID_algorithm()
Geer_control()
if(stop)
{
if(Starting_Line_Distance > 4000)
Want_speed0
else if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
Want_speed1200
else if(Mid[45] >68 || Mid[45]<52)
Want_speed1200
else if(Mid[25] >70|| Mid[25] <50)
Want_speed1200
else if(Geer_duty>7000 && Geer_duty <8000)
Want_speed1500
else
Want_speed1500
}
else
{
if(speed_m>10)
Want_speed0
else if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
Want_speed1200
else if(Mid[45] >68 || Mid[45]<52)
Want_speed1300
else if(Mid[25] >70|| Mid[25] <50)
Want_speed1300
else if(Geer_duty>7000 && Geer_duty <8000)
Want_speed1500
else
Want_speed1500
}
Smotor_PID_algorithm()
Smotor_control()
Uart_Send_Image()
}
}
}
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基视频导航智车系统设计实现
The smart car system based on video navigation design and implementation
摘
课题第十三届全国学生智车竞赛背景通优化车程序算法继提高智车速度稳定性智车系统软硬件机械结构组合成复杂系统恩智浦半导体公司生产生产32位单片机MK60N512ZVLQ10作控芯片通MT9V032摄头采集回赛道视频图图噪二值化处理清晰灰度图提取出中心线智车身积分计算减软件算法计算量电机驱动采PID控制算法中PD两项进行速度控制I项置零角转安全计算量简便采保守策略舵机采PID控制算法中P项固定值进行控制整智车系统通控芯片合理控制终实现直道全速行驶弯道安全通控制
关键词：智车 摄头 中心线 PID控制算法
Abstract
This topic in the thirteenth session of the national college students＇ smart car competition as the background main cars by optimizing the program algorithm and improve the speed and stability of the smart car The intelligent car system is a complex system composed of hardware software and mechanical structure The 32bit singlechip computer MK60N512ZVLQ10 produced by NXP semiconductor company is used as the main control chip The track video image is collected through MT9V032 camera Because the smart car itself is a very big integral calculation so in order to reduce the amount of calculation software algorithm the PID control algorithm of motor drive speed control of PD two will I set to zero In order to ensure the safety of Angle steering and make the calculation easy a conservative strategy is adopted The steering gear is controlled by the fixed value of P in PID control algorithm Through the reasonable control of the master control chip the whole intelligent car system can finally achieve the control of straight road full speed safe curve through
Key words smart car camera center line PID control algorithm
目录
第1章 绪 1
11 背景 1
12 智车研究发展现状方 2
121 国外研究发展现状 2
122 国研究发展现状 3
123发展方 3
13 文研究容 3
第二章 智车系统总体设计 4
21 总体设计概述 4
211 机械系统 4
212 硬件系统 4
213 软件系统 5
22 总体设计框图 5
第三章 机械结构设计 6
31 电池位置 6
32 编码器安装 6
33 摄头安装位置 6
34 硬件电路板安装 6
第四章 电路硬件设计 7
41 电源模块电路设计 7
411 33V稳压电源模块 7
412 6V稳压电源模块 8
413 12V稳压电源模块 8
42 重接口模块 8
43 MOS单路驱动 9
第五章 软件算法优化 10
51 开发工具 10
52 图采集 11
53 图处理 12
531 图噪处理 13
532 图二值化 14
54 提取中心线 15
55 路径识 16
56 直流电机控制 16
57 舵机控制 18
第六章 结 20
参 考 文 献 21
致 谢 22
附 录 23
第1章 绪
11 背景
着种样智技术快速发展越越行业领域高新技术应行业产品服务等物质变更加安全便利继推动国研究智技术知道社会发展汽车普导致交通拥挤现象已成全世界范围困扰问题全世界快速发展赖着互联网计算机等科技技术支撑生活水断提高基家户会私家车出行高峰期便会出现交通拥挤现象解决问题许国家纷纷研究智汽车种先进智技术带汽车领域中智化汽车仅仅解决日常生活交通拥挤问题更体现国家汽车技术快速提高标志国家济水增长世界处断变化着生活方面汽车智化现企业集团纷纷研究智技术研究成果商场博览会中会遇解决问题图机器机器餐厅断出现实现点餐缴费炒菜做饭出餐体化天猫京东智配送机器年双十减少企业损失快递员工作压力智化汽车仅汽车行业发生翻天覆改变行业紧着发展变化相信久更智产品会出现生活中生活更安全便利
着智技术发展日常生活遇种交通问题企业纷纷涌入智车领域现代社会计算机技术带汽车行业中断加强智车研究20世纪初时国家已开始研究智车技术做法汽车行驶公路中间铺设磁块汽车着公路磁块进行导航种想法技术具行性考虑成高昂利面积铺设等问题放弃眼睛扇窗户开五彩斑斓世界文学中描述中知道眼睛东西智技术找款产品者研究种技术代眼睛呢？通视觉传感器研究发现具诸优点行性图处理技术利摄头进行视频导航断应智车技术研究中
果您名驾驶员开车会知道开车时通双眼获取道路状况道路标志车辆数目路口行等92道路环境信息通分析想类通视觉获取东西通机器视觉获取道路环境信息进处理识样减少驾驶员行驶汽车程中环境等素导致交通事计算机技术发展未成熟年代机器视觉获取实时图处理计算力十分限着国研发员计算机技术研究现计算机技术广泛应行业实时图处理技术提高首先计算机技术广泛应体现技术成熟相关处理器传感器降价价格降更研究关图处理技术次技术成熟传感器价格降视频导航技术仅应汽车行业中应物流制造等行业汽车安全辅助驾驶驾驶等智车视频导航体现相信数年更场合会出现智车身影智车会代类完成高难度危险工作例危险工作区采样宇宙星球探险军事探测等社会发展仅仅GDP济体现生活工作变便捷中智车技术应方面会变备受关注研究视频导航技术必非常价值
12 智车研究发展现状方
智车已成智交通系统重点研究象汽车企业断研究驾驶安全辅助等智汽车产品智汽车仅仅民方面解决交通拥挤问题未应行业领域中非常发展前景例太空星际探测危险工作区域采样物流仓库巡逻军事防护等等
20世纪中国家家户户温饱奔波时候国外已出现驾驶汽车样差距仅没中国气馁反中国断努力进步国研究智车技术发达国家相提起步较晚相关科学技术研究总体水会略落发达国家没停止智车技术研究国家民生活水断提高时国汽车变智化国高校汽车公司纷纷开始研究智车技术例 国成功研制第辆驾驶轿车型号7B8军事领域具种传感器等外2002年国开始重视智交通系统启动项目计划开始研究车辆安全辅助驾驶国家智车研究提供科技济支持高校纷纷涌现出智化相关专业
高校中学校紧社会进步步伐纷纷出现嵌入式开发软件工程电子信息工程等智技术相关专业专业老师断鼓励学生参加学生创新创业合泰杯恩智浦智车等创新项目做法仅学生校学代社会先进潮流技术相关知识培养学生智技术兴趣爱进培养出相关技术学生通学致学知识应行业领域变智化起相信未国智车技术远超发达国家
121 国外研究发展现状
2000年首届学生智模型车竞赛举办方——韩国汉阳学场学生课外科技竞赛该竞赛需学生行设计硬件电路HCS12单片机软件开发应智车系统核心控制器飞思卡尔公司资助年100支左右高校队伍参赛组委会提供三件套分车模充电式电池直流电机然利三件套结合学科知识创作出够识赛道路径智车果参赛队伍想成终冠军仅需智车出赛道情况短时间行驶完官方指定路径参赛队伍技术报告评分高整智车系统包括机械结构设计硬件电路设计软件编程设计需参赛队伍成员学智车系统相关知识工具2004年开始韩国现代公司促进更学生积极参赛捐赠辆轿车作竞赛特等奖
韩国高校举办赛事成功证明智车科技竞赛体现学生未智技术热爱学校社会支持仅提高学校教学整体水终学生创新力应企业汽车产品研究中
122 国研究发展现状
受韩国智模型车竞赛影响举办5届2006年8月国清华学举办首届学生智模型车竞赛时邀请57院校112支队伍前参赛仅受院校热情参教育部非常重视改赛事列入教育部办全国五竞赛体现该竞赛学生创新力重性该竞赛已成功举办14届非常受学生关注许年该竞赛仅仅针学生中学生获参赛资格该竞赛涉众学科专业知识仅学生学知识融会贯通培养动手创新力提高高校智车研究水推动社会智汽车产品研究发展
123发展方
驾驶智车未科技发展重方视频导航技术研究断提高视频导航智车普通汽车基础高科技辅助行业领域断拓展成熟广泛应例星际探测危险工作区域采样物流仓库巡逻军事防护等等
13 文研究容
（1）摄头采集图做处理提取出中心线
（2）优化算法提高车原速度稳定性
（3）减软件算法计算量舵机PD控制算法转变P项
（4）减硬件面积
第二章 智车系统总体设计
通章节智车介绍相信家智车系统组成解没错机械硬件软件构成章中智车总体设计概述作出阐述画出总体框图
21 总体设计概述
智车总体工作模式：型号MK60N512ZVLQ1032位单片机作核心控制器电机舵机进行控制然利型号MT9V032摄头采集赛道图进识出赛道路径继相互结合控制车速度转完成规定赛道行驶机械结构稳定硬件电路安全情况通优化算法提高车速度稳定性做直道全速行驶弯道安全通出赛道情况快速度完成赛
211 机械系统
根第十三届赛规规定竞速光电四轮组车模必须指定B型车模该车模官方指定B型车模长285cm宽178cm底部距离面35cm
提高智车方面性机械结构需重新设计中包括B型车模改装处理舵机编码器摄头电池等零件安装
212 硬件系统
智车控制系统台硬件系统MK60N512ZVLQ10控制模块电源模块重接口电机驱动电路组成
MK60N512ZVLQ10控制模块：该智车系统采官方指定 MK60N512ZVLQ10 作控制核心具144引脚中100供外部处理摄头采集信号根PID控制算法做出电机转速舵机角转决策终完成智汽车循迹高速运行
电源模块：根模块需电压值设计电源稳压电路模块采芯片型号SPX1117M3该芯片价格便宜性高分33V5V电源电路进行稳压
重接口摄头速度采集舵机OLED显示屏等接口模块组成（1）摄头模块：采 MT9V032完成赛道信息采集电压33V（2）速度采集模块：MINI512 线编码器完成速度检测速度值反馈MK60继控制车加减速（3）舵机模块：舵机型号SD5电压6V（4）OLED显示屏模块：该模块调参数进行显示图显示方便实时观察摄头采集赛道信息软件开发员需调试摄头高度广角时手推车行驶时实时观察摄头采集赛道图
电机驱动模块：B型车模单电机设计单路电机模块
213 软件系统
该智车软件控制台图传感器型号MT9V032图分辨率60*120摄头利场中断行中断进行图采集采集回图噪二值化处理然提取出中心线微控制器车速度转进行控制实现导航完成指定赛道行驶图中心线提取提高车速辅助电机通输出PWM占空车速度进行控制设计中车身积分计算量采PID控制算法中PD两项进行控制车速度舵机采固定值P项进行控制车角转整软件系统中图采集处理中心线提取电机速度控制舵机角转控制算法非常重
22 总体设计框图
智车赛道行驶赖模块功作总体框图图示：
图22 智车系统框图
第三章 机械结构设计
合理机械结构设计硬件电路软件算法提供稳定性支撑章中会智车机械结构模块配件位置摆放重心调整进行分节介绍例车静止赛道时四轮胎否稳摆放跑道行驶时会发生侧翻轮甩尾需质量保证车机械结构机械结构仅提高车稳定性车行驶时转弯速度图采集效果
31 电池位置
车电机固定安装轮处整辆车动力电池身质量车模身质量相接增加车质量考虑果电池安装车模前桥会车重心前移增车行驶程中出现甩尾现象应电池安装车模部分贴底盘仅结构提高车运行速度稳定性车头舵机更加灵活转
32 编码器安装
课题研究车编码器快速精确采集电机正反速度编码器安装需齿轮电机齿轮相耦合样采集精确车种路径行驶速度
33 摄头安装位置
避免摄头拍摄出现盲区应摄头安装车模中间电池前方位置车模原固定想车模孔情况位置适合摄头支杆材料碳纤维素具极强稳固性
34 硬件电路板安装
课题研究车硬件电路均设计减车质量固定电路板铜柱换成塑料材质板驱动板安装元器件接触免短路降低车重心板安装车模底板相贴位置凹槽卡住摄头支杆处驱动板需安装散热处位置长塑料柱高高架起驱动板安装车桥电机方车子重心移增加车轮抓力防止甩尾
第四章 电路硬件设计
硬件电路车系统基础组成没存软件算法车驱动起强硬件电路保障系统安全稳定前提设计硬件电路时需模块电路做接滤波等工作时高速数字电路模拟电路分开章中介绍车质量会车速造成良影响设计硬件电路时减电路板面积减电路板面积呢？设计原理图时减少元器件数量合理布局PCB图样减电路板面积减轻车子质量章节简单介绍硬件电路中模块供电驱动重接口模块电路设计
41 电源模块电路设计
根恩智浦智车竞赛规辆车供电电源统官方指定72V充电镍镉电池硬件电路设计中模块需电源工作72V电源分模块供电少V呢？面介绍车电源模块电路设计
图41 电源模块电路设计
411 33V稳压电源模块
33V电源系统板MK60速度采集摄头串口OLED等模块供电原理图设计：
图4111 系统板K60电源模块
412 6V稳压电源模块
B车模舵机型号SD5舵机需电源6V
图412 舵机6V稳压电源
413 12V稳压电源模块
B车模电机需设计单驱动电路需电源12V
图413 电机12V稳压电源
42 重接口模块
硬件电路中许重接口模块分速度采集编码器摄头模块OLED显示屏模块等重接口模块部分接口模块原理图示：
图4112 速度采集编码器接口
图4113 摄头接口
图4114 OLED接口
43 MOS单路驱动
H桥驱动电路种非常典型实参考电路供户参考课题单电机驱动电路设计参考电路4MOS电机组成MOS芯片型号IRLR7843TRPBF角线MOS导通电机便会转动MOS导通电流方决定电机正反转动
图43 驱动电路
第五章 软件算法优化
智车导航系统基思路首先摄头传感器采集赛道图然图进行处理处理赛道图信息反馈MK60微控制器微控制器车速度方做出步控制动作
智车视频导航什实现程呢？现简单描述首先车行驶程中摄头传感器提前获取道路前方信息然摄头传感器前方道路进行图采集然图处理提取出赛道中心线继赛道路径作出识控制车速度转
智车视频导航系统软件算法课题设计中重点需考虑素首先考虑通摄头传感器采集图采集回图需设置合理呢？次摄头采集回原始图存干扰需采集图进行处理区分车道边界黑线背景图噪二值化处理图应提取出中线控制器车速度方做出控制疑问章节中做出解答软件算法总体流程图：
图5 软件算法总体流程
51 开发工具
课题编程开发工具IAR Embedded Workbench IDE工具新学者说款操作简单手快等优点编程开发工具里需提示点NXP公司收购飞思卡尔公司新版IARoption选项中已没freescale项款软件新建工程进行配置时需NXP选项里进行单片机型号选择选择具简洁灵活易硬件操作移植性高等特点C语言作软件开发编程语言
52 图采集
课题研究智车图采集传感器基MT9V032芯片设计摄头灰度值范围0255拍摄广角120°摄头采集图宽度范围1752MK60允许采集图宽度超170选择宽度120图高度范围1480选择高度60采集图60*120图图分辨率灰度值范围指摄头图信息含256灰度级图摄头采集图速度50场秒输出信号仅场步信号行步信号间消隐信号摄头模块MT9V032芯片具视频步分离功分离输出信号终场步信号行步信号时序信息进行控制行中断采集该行信号时时间求中断优先级较高HREF中断请求入口作行步信号输入口VSYNC场步信号输入口摄头秒采集图速度单片机处理数速度固定帧数保证车高速情况行驶采集图失真仅捕捉场信号降
摄头拍摄距离达3米远避免摄头拍摄赛道外元素邻赛道造成误判干扰等问题调试设定摄头拍摄前方12米距离样会拍摄余图会影响控制器车速度转做出控制摄头采集原始图眼东西样处清晰远会变模糊图形中梯形摄头拍摄前轮前方20cm处盲区会导致车起跑时未采集起跑线防止种现象发生剩1米效范围取25cm少采集行幅图少采集40行减误差采集行数增设定60行行采集点数120
采集图思路：首先判断场中断图缓区否空果空开启行中断计数行采集然累计行数幅图行数相等便关闭行中断图缓区置满清零计数器等幅图采集具体流程图：
图521 判断场中断
图522 采集图基思路
53 图处理
车高速行驶时图处理速度需快时图处理方法需图中标志进行取舍提取图中心线简单光线均匀赛道路径等影响素需图进行处理快速提取出中心线提高系统处理速度保证系统实时性需原始图进行噪二值化处理提取出中心线
图噪处理二值化处理提取中心线重支持节两种处理方法进行说明图噪处理采集回原始图进行中值滤波掉周围素灰度值差较素点中值取代赛道白色PV板背景蓝色图进行二值化处理图进行灰度化灰度化图黑白两种颜色灰度值0代表黑色255代表白色
531 图噪处理
摄头采集回原始图数字化传输程中会受外界环境噪声等干扰素影响处理会影响续中心线提取采图噪处理减少数字图中噪声程噪处理方法种样次中值滤波噪方法中值代掉周围素灰度值差较素点
图5311 未噪处理原始图
图5312 未噪处理分析图
图 5313 噪处理图
532 图二值化
二值化图黑白两种颜色素点灰度值02550代表黑色255代表白色二值化图处理思想特征素点分割区域中找出素点相似特征呢？引入阈值图二值化时阈值直变化知道摄头采集图时相邻两张图间时间间隔参考张图计算出阈值图二值化常算法固定阈值二值化适应阈值法
果解恩智浦智车竞赛会知道赛道固定结构明显白色赛道蓝色背景研究员利赛道颜色差特点选择适合二值化算法基重特点简化算法选固定阈值法图进行二值化处理阈值固定阈值确定显尤重关系整幅图二值化处理效果阈值更新代码：
void Get_threshold(void)
{
uint8 i j
Sumof_threshold0
for(i0 i
Sumof_threshold+image[i][j]
if(image[i][j]>Update_threshold)
Image_user[i][j]1
else
Image_user[i][j]0
if(j119 || j0)
Image_user[i][j]0
}
Update_thresholdSumof_threshold(ROW*COL)
}
54 提取中心线
分析采集图知赛道左右边线中心线连续智车稳定行驶赛道中间必须中心线提取出
提取中心线方法先行第列第点开始遍历图宽度高度设置赛道左右边界线然左右两边界点加起2算出中点点连成线继形成中心线非采集图左右边界线例车进入S弯时采集赛道左右边界线进行边丢线者补线求出中心线车进入十字路口者圆环时摄头采集幅空白图行开始遍历行左右边线做丢线处理延伸开始行中心线提取核心代码：
void Draw_midline_algorithm(void)
{
uint8 ij
for(i59 i>0 i)
{
ADD_Left[i]0
ADD_Right[i]0
for(jMid[i] j<120 j++)
{
if(Image_user[i][j] && Image_user[i][j+1])
{
Right[i]j
break
}
}
for(jMid[i] j>0 j)
{
if(Image_user[i][j] && Image_user[i][j1])
{
Left[i]j
break
}
}
图54 提取出中心线图
55 路径识
路径识基础需摄头采集回图处理然提取出中心线届智车赛中赛道路径直道S弯道S弯道十字路口起跑线路障识年增加路径新元素圆环圆环规格分50cm100cm150cm圆环元素图信息变更复杂复杂图信息中提取出效中心进行循环较困难车行驶入圆环时摄头采集回图中表现底部面积空白选择高点面行空白块作判断圆环标志
56 直流电机控制
中学物理中学物体质量越惯性越速度会越课题中研究智车身车模加电池质量已超500g更况加硬件配件质量质量车速度会造成影响选择优算法减智车身惯性极重物体静止时速度零车刚准备启动时速度零时电机输出会什时候电机输出会呢？车跑道稳匀速行驶时候考虑车行驶时惯性身质量电池电量会车速度造成漠视影响选择闭环控制算法车速度控制
直流电机进行控制呢？实车速度进行控制车做直道全速行驶弯道安全通短时间跑完全程PID鲁棒控制算法结合速度进行完美控制车速控制通道时间滞较车速身积分环节PID算法中积分项省略采PD控制算法说加入鲁棒控制算法完美控制车速度呢？车行驶跑道直道弯道等种路径时车需短时间路径进行加减速度控制鲁棒控制算法优点果编码器读取速度值目标速度相差时该算法会PWM占空迅速变加快调节系统速度引进鲁棒控制算法原
具线性关系两变量会定例关系种素车速PWM成非线性关系果线性关系调速会变容易例车前速度15msPWM45设定目标速度3ms直接PWM提高90完全忽略外界干扰素类似道物理题计算忽略摩擦力然线性关系应控制PWM车速度达设定速度？车控制系统加复杂外界素PWM速度间存什关系法确定前速度快时间达设定目标速度引入PID控制算法调整车行驶时速度
PID控制算法位置式增量式部分会选择增量式PID作车控制系统算法原：位置式算法控制变量状态关需偏差值进行量累加增量式次偏差值关位置式算法输出全量输出样车动作影响较两者区图示：
图561 位置式增量式控制算法区
PID控制算法公式中P例输入偏差常数I积分输入偏差进行积分运算D微分输入偏差进行微分运算里说输入偏差指读出控制象值减设定值例开发员想控制车速3ms编码器中读取出速度值15ms3ms设定值15ms读出控制象值
PID算法速度调整起控制作次课题研究中PD两项I项置0调速程中发现P项参数增时控制车速度果昧提高车速车行驶程中会发生严重抖动现象D项车速度控制系统中起调节时间作现车直道行驶时总弯时速度行驶吧？D项短时间车速度提高
综述PID原结三点：（1）车短时间达快速度（2）车行驶程中会外界素影响变稳定（3）车速度控制系统闭环满足整系统稳定求
通智车速度控制系统PID算法进步研究原赛车速度作出调整短时间原均17ms速度提高2ms段时间电机PID调参总结技巧（1）通届赛道路径发现起跑时直道起跑时PWM输出全速直（2）果想车急刹车I项值设会出现车甩尾驱动板发热现象表格列举出速度调整前U(k)项参数PWM占空值：
调整前速度
P项
I项
D项
PWM占空值
17ms
054
100
047
60
2ms
083
0
02
80
表56 调速前参数值
57 舵机控制
舵机智车系统中作通角转弯控制车行驶方通阅读种文献发现研究智车会舵机PD控制算法段时间调试发现果车速度未达25ms采舵机PD控制算法会增加调试D项工作量速度未达25ms时需P参数车进行稳定角转弯反复调试PD两参数确实稳定控制效果P项调整达定程度D项会影响车行驶稳定性需慢慢调试耗费力时间果PD控制建议调参时先P值调刚刚舵机点转方然D值P值百倍数值课题中车速度17ms提升2ms未达25msP定值车路径中稳定行驶表列举出路径方P值：
P值
路径
左转P值
右转P值
直道S弯十字路口
70
70
圆环
80
65
表57 舵机P值
控制舵机核心程序：
void Geer_PID_algorithm(void)
{
if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain80
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain65
}
else
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain70
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain70
}
}
第六章 结
课题第十三届全国学生智车竞赛背景该智车系统通摄头采集赛道图采集图进行噪二值化处理然提取出中心线控芯片通摄头信号赛道元素作出判断终电机速度舵机角做出控制保证智车出赛道情况短时间行驶完全程回顾次毕业设计文方面进行总结：
1 智车系统硬件设计重点单路电机驱动电路进行设计初布线时未考虑单路电机驱动电流电流线进行加粗终导致短路烟
2 调节电机PWMPID算法进行调速终提高车速
3 舵机PID控制算法中采固定值P项进行控制减系统运算量提高车稳定性
4 优化圆环图处理算法
车系统做出改进存着足：
1 车快速度行驶时会偶尔出现甩尾现象智车系统稳定性提高
2 车速达25ms需重新调试舵机PID参数
3 根实际测试发现官方规定镍铬电池电源电压稍微低72V时会车稳定性造成影响利车长时间行驶调试摄头采集图问题目前未合理解决
参 考 文 献
[1] 黄凯龙 基飞思卡尔单片机智车调试系统设计[D]湖南学2014
[2] 胡房武 基图采集智车系统设计[D]连海事学2011
[3] 李久芳基二值化边缘图滤波方法[J]电子工业专设备201039(02)2527
[4] 许寰鲁五赵治摄头路径识车控制策略[J]计算机工程科 学200931(05)110111+115
[5] 罗丛波 基视频导航飞思卡尔智车系统设计实现[D]吉林学2016
[6] 王泽元 基CMOS图传感器视觉系统智车设计实现[D]吉林学2011
[7] 王洋 基视觉导航智车系统研究[D]南昌学2008
[8] 邹华东贾瑞清张畅飞思卡尔智车赛道识控制策略研究[J]机床液 压201846(15)9498
[9] 陈思宇张倩钱程熊扬扬基飞思卡尔K60二值化图线传输[J]科技风2019(07)66
[10] 张瑾孟利利梁剑飞基飞思卡尔单片机MK60DN512ZVLQ10智车设计[J]黑龙江 科技信息2016(32)108
[11] 王宏旭 基飞思卡尔智车视频导航控制技术研究[D]沈阳理工学2014
[12] 马启瑞田洪亮基飞思卡尔智车线图处理实时监控系统设计[J]线互联科 技2013(11)60+69
致 谢
次文够利完成首先感谢指导老师沈宏锐2019年文选题开始指导老师直时刻保持联系心力指导着学老师指导着查阅文献编写开题报告中文献综述直文定稿历程粗心意写文时出现格式错误老师针见血批注出严谨治学态度深深影响相信历次毕设阶段做事方面变更加细心特指导老师——沈宏锐老师表示诚挚感谢
次感谢广东东软学院领导老师学校领导老师付出学四年期间学专业知识参加许锻炼身专业水竞赛学生活变彩样老师渊博知识严谨教风直断激励前迈进精勤博学学致东软学院四年学学生活里断成长进步感谢校园中默默付出领导老师
感谢家学朋友做毕设期间遇困难心情受影响鼓励支持重新振作起里感谢写文期间参考文献作者学术研究成果启发感谢位付出追求理想生道路会直想着关爱奉献温暖会直前
附 录
附录1
控板原理图：
图1 控板原理图
驱动板原理图：
图2 单驱动原理图
附录2
程序mainc：
#include headfileh
#define Smotor_P_gain 5
#define Smotor_I_gain 1
#define Smotor_D_gain 0
uint8 Geer_P_gain50
#define Geer_I_gain 0
#define Geer_D_gain 700
**
**获更新阈值
*
uint8 Image_user[ROW][COL]
uint8 Update_threshold120
uint32 Sumof_threshold0
void Get_threshold(void)
{
uint8 i j
Sumof_threshold0
for(i0 i
Sumof_threshold+image[i][j]
if(image[i][j]>Update_threshold)
Image_user[i][j]1
else
Image_user[i][j]0
if(j119 || j0)
Image_user[i][j]0
}
Update_thresholdSumof_threshold(ROW*COL)
}
**
**电机PID
*
int16 Smotor_perror0
int16 Smotor_daterror0
int16 Smotor_pidout0
int16 Want_speed1000
void Smotor_PID_algorithm(void)
{
Smotor_perrorWant_speedspeed
Smotor_pidout Smotor_P_gain * Smotor_perror +
Smotor_I_gain * (Smotor_perror+Smotor_daterror) +
Smotor_D_gain * (Smotor_perrorSmotor_daterror)
Smotor_daterrorSmotor_perror
}
**
**电机控制
*
int16 Smotor_duty0
void Smotor_control(void)
{
Smotor_dutySmotor_pidout
if(Smotor_duty>0)
{
if(Smotor_duty > 8000 ) Smotor_duty8000
if(Smotor_perror > 400) Smotor_duty6000
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch10)
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch0Smotor_duty)
}
else if(Smotor_duty<0)
{
Smotor_dutySmotor_duty
if(Smotor_duty> 8000 ) Smotor_duty8000
if(Smotor_perror < 400) Smotor_duty6000
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch1Smotor_duty)
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch00)
}
}
**
**舵机PID
*
int16 Geer_perror0
int16 Geer_daterror0
int16 Geer_pidout0
void Geer_PID_algorithm(void)
{
if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain80
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain65
}
else
{
if(Geer_perror>0)
Geer_P_gain70
else if(Geer_perror<0)
Geer_P_gain70
}
Geer_pidout (int)Geer_P_gain * Geer_perror +
(int)Geer_I_gain * (Geer_perror+Geer_daterror) +
(int)Geer_D_gain * (Geer_perrorGeer_daterror)
Geer_daterrorGeer_perror
}
**
**舵机控制
*
uint16 Geer_duty7400
void Geer_control(void)
{
Geer_duty 7400 + Geer_pidout
if(Geer_duty>11900) Geer_duty11900
else if(Geer_duty<2900) Geer_duty2900
ftm_pwm_duty(ftm0ftm_ch7Geer_duty)
}
**
**起跑线识
*
uint8 stop0
uint8 starting_line0
void Seek_Starting_Line(void)
{
uint8 i j
starting_line0
for(i55 i>45 i)
{
for(j60 j<80 j++)
{
if(image[i][j] < Update_threshold && image[i][j+1] > Update_threshold)
starting_line++
if(image[i][j] > Update_threshold && image[i][j+1] < Update_threshold)
starting_line++
}
for(j60 j>40 j)
{
if(image[i][j] < Update_threshold && image[i][j1] > Update_threshold)
starting_line++
if(image[i][j] > Update_threshold && image[i][j1] < Update_threshold)
starting_line++
}
}
if(starting_line > 50)
stop1
}
**
**程序入口
*
void main(void)
{
get_clk()电必须运行次函数获取频率信息便面模块参数设置
uart_init (uart2 115200) 初始换串口电脑通信
camera_init()
pit_init_ms(pit0 50)
初始化正交采集模块
ftm_quad_init(ftm1)
开启拉电阻
port_init_NoAlt (A12 PULLUP )
port_init_NoAlt (A13 PULLUP )
enable_irq(PIT0_IRQn)
EnableInterrupts
ftm_pwm_init(ftm0ftm_ch0100000)
ftm_pwm_init(ftm0ftm_ch1100000)
ftm_pwm_init(ftm0ftm_ch7507400)
Init_Road()
while(1)
{
if(mt9v032_finish_flag)
{
mt9v032_finish_flag 0
Get_threshold()
Draw_midline_algorithm()
Seek_Starting_Line()
Geer_PID_algorithm()
Geer_control()
if(stop)
{
if(Starting_Line_Distance > 4000)
Want_speed0
else if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
Want_speed1200
else if(Mid[45] >68 || Mid[45]<52)
Want_speed1200
else if(Mid[25] >70|| Mid[25] <50)
Want_speed1200
else if(Geer_duty>7000 && Geer_duty <8000)
Want_speed1500
else
Want_speed1500
}
else
{
if(speed_m>10)
Want_speed0
else if(Find_Left_Ring_Flag || Find_Right_Ring_Flag)
Want_speed1200
else if(Mid[45] >68 || Mid[45]<52)
Want_speed1300
else if(Mid[25] >70|| Mid[25] <50)
Want_speed1300
else if(Geer_duty>7000 && Geer_duty <8000)
Want_speed1500
else
Want_speed1500
}
Smotor_PID_algorithm()
Smotor_control()
Uart_Send_Image()
}
}
}
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