第 二 届 全 国 大 学 生 “ 飞 思 卡尔 ” 杯

智 能 汽 车 竞 赛技 术 报 告

附 件 B 关 于 理 论 模 型 与 智 能 车 实 际 运 动 轨 迹的 研 究

学 校 ： 西 北 工 业 大 学队 伍 名 称 ： 翱 翔 队

参 赛 队 员 ： 熊 波 常 会 贤 曹 阳带 队 教 师 ： 曲 仕 茹

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 二 届 全 国 大 学 生 “ 飞 思 卡尔 ” 杯 智 能 汽 车 竞 赛 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

2

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 录摘 要...................................................................................................................................... IAbstract......................................................................................................................................II第一章 引 言...................................................................................................................... 1

1.1 比赛背景介绍........................................................................................................... 11.2 本文章节安排及文献综述....................................................................................... 2

第二章 方案选择.................................................................................................................. 32.1 测量模块方案选择................................................................................................... 3

2.1.1 路径检测模块............................................................................................... 32.1.2 速度检测模块............................................................................................... 5

2.2 控制模块方案选择................................................................................................... 62.2.1 路径控制模块............................................................................................... 62.2.2 方向控制模块............................................................................................... 92.2.3 速度控制模块............................................................................................... 10

2.3 执行模块方案选择................................................................................................... 102.3.1 路径执行模块............................................................................................... 102.3.2 方向执行模块............................................................................................... 132.3.3 速度执行模块............................................................................................... 13

2.4 本章小结.................................................................................................................. 13第三章 机械结构设计........................................................................................................... 15

3.1 车模组装与改造....................................................................................................... 153.1.1 车模组装....................................................................................................... 153.1.2 前轮定位的调整........................................................................................... 153.1.3 差速的调整................................................................................................... 163.1.4 舵机力臂的调整........................................................................................... 16

3.2 摄像头的安装........................................................................................................... 163.3 光栅编码器的安装................................................................................................... 183.4 电路板的固定与安装............................................................................................... 19

第四章 硬件系统设计与实现............................................................................................... 214.1 电源模块.................................................................................................................. 21

4.1.1 降压稳压电路设计....................................................................................... 224.1.2 升压稳压电路设计....................................................................................... 224.1.3 电源模块小结............................................................................................... 23

4.2 路径识别模块........................................................................................................... 244.3 电机模块.................................................................................................................. 264.4 舵机模块.................................................................................................................. 264.5 测速传感器模块....................................................................................................... 264.6 本章小结.................................................................................................................. 28

第五章 理论分析与算法实现............................................................................................... 29

I

5.1 模型建立.................................................................................................................. 295.1.1 基于后轮差速的运动模型........................................................................... 295.1.2 基于速度和前轮转角的运动模型............................................................... 32

5.2 运动模型仿真........................................................................................................... 375.3 控制算法.................................................................................................................. 40

5.3.1 控制算法的简单介绍................................................................................... 405.3.2 方向控制....................................................................................................... 435.3.3 速度控制....................................................................................................... 485.3.4控制算法的优化部分....................................................................................... 505.3.5算法的程序实现............................................................................................... 51

第六章 软件系统设计与实现............................................................................................... 536.1 系统初始化.............................................................................................................. 536.2 视频图像信号采集................................................................................................... 546.3 图像处理和黑线提取............................................................................................... 55

6.3.1 图像处理....................................................................................................... 556.3.2 黑线的提取................................................................................................... 56

第七章 开发与调试.............................................................................................................. 597.1 软件开发环境介绍................................................................................................... 597.2 智能车整体调试....................................................................................................... 61

第八章 结论.......................................................................................................................... 638.1 总结.......................................................................................................................... 638.2 展望.......................................................................................................................... 63

参考文献.................................................................................................................................. I附录：控制程序...................................................................................................................... I

II

摘 要

本 文 在 第 二 届 “ 飞 思 卡 尔 ” 杯 全 国 大 学 生智 能 汽 车 比 赛 的 背 景 下 ， 制 作 一 个 在 专 门 设计 的 跑 道 上 自 动 识 别 道 路 行 驶 的 智 能 车 ， 能够 在 最 短 时 间 内 跑 完 全 程 ， 不 脱 离 跑 道 并 遵守 大 赛 的 一 系 列 规 则 的 队 伍 即 可 胜 出 。

本 系 统 主 要 由 MC9S12DG128 控 制 核 心 、 电 源 管理 单 元 、 路 径 识 别 电 路 、 车 速 检 测 模 块 、 舵机 控 制 单 元 和 直 流 电 机 驱 动 单 元 组 成 ， 以 飞思 卡 尔 公 司 的 16 位 单 片 机 S12 为 控 制 核 心 ， 路径 识 别 和 车 速 的 检 测 相 结 合 ， 通 过 控 制 转 向舵 机 和 驱 动 电 机 ， 使 智 能 车 系 统 达 到 所 需 的稳 定 性 及 快 速 性 要 求 。 本 文 详 细 的 介 绍 了 智能 汽 车 的 机 械 结 构 设 计 ， 硬 件 电 路 设 计 ， 系统 软 件 设 计 合 理 论 分 析 以 及 模 型 车 的 控 制 算法 设 计 。 本 智 能 车 采 用 了 适 合 智 能 控 制 的 模糊 控 制 算 法 ， 首 先 对 系 统 的 模 型 进 行 了 分 析 ，

I

从 而 选 择 合 适 的 算 法 ， 其 次 ， 对 图 像 采 集 所用 到 的 基 本 模 块 进 行 了 简 要 介 绍 ， 然 后 介 绍了 所 使 用 的 图 像 采 集 和 路 径 识 别 的 算 法 。

关 键 词 ： 智 能 汽 车 ， 模 糊 控 制 ， PID 控 制 ， CCD

传 感 器 ， 直 流 电 机

II

Abstract

This text is under the background of the intelligence automobile invitational tournament of the national university student of the second" freescare " cup, manufactures to be able independently to distinguish the way the intelligent vehicle on the runway which specially designs the automatic diagnosis path travel, can run the entire journey in the shortest time, is not separated from the heavy line and observes the big game a series of rules troop then to win.

This system is mainly composed with the MC9S12DG128 control core, the power source management unit, the way identification circuit, the vehicle speed examination module, the servo control unit and the direct current machine actuates the unit, take 16 monolithic integrated circuits S12 as the control core, the way recognition and the vehicle speed examination unifies, changes the servo and the actuation electrical machinery through the control, enables the intelligent vehicle system to achieve needs stable and rapid request.

This paper introduced the Intelligent Vehicle mechanical structure design, hardware circuit design, system software design and analysis of a theoretical model of vehicle control algorithm design. Control of fuzzy control algorithms was used in our Intelligent Vehicle, first, in order to choose a suitable algorithm, we analysis the

model of the system, ； secondly, the basic module which used to image gathering

has carried on the brief introduction; then, introduced the used image gathering method and the road recognition algorithm.

Keyword: intelligence car,fruzzy control,PID control, CCD sensor, DC-motor

II

III

第 一 章 引 言1.1 比 赛 背 景 介 绍

教 育 部 为 了 加 强 大 学 生 实 践 、 创 新 能 力 和团 队 精 神 的 培 养 ， 在 已 举 办 的 全 国 大 学 生 数学 建 模 、 电 子 设 计 、 机 械 设 计 、 结 构 设 计 等 4

大 竞 赛 的 基 础 上 ， 经 研 究 决 定 ， 委 托 教 育 部高 等 学 校 自 动 化 专 业 教 学 指 导 分 委 员 会 主 办每 年 一 度 的 全 国 大 学 生 智 能 汽 车 竞 赛 ， 并 成立 了 由 教 育 部 、 自 动 化 分 教 委 、 清 华 大 学 、飞 思 卡 尔 半 导 体 公 司 等 单 位 领 导 及 专 家 组 成了 组 委 会 。

该 竞 赛 与 教 育 部 已 举 办 的 4 大 专 业 竞 赛 一样 ， 都 是 为 了 提 高 大 学 生 的 动 手 能 力 和 创 新能 力 而 举 办 的 ， 具 有 重 大 的 现 实 意 义 。 与 其他 大 赛 不 同 的 是 ， 这 个 大 赛 的 综 合 性 很 强 ，是 以 迅 猛 发 展 的 汽 车 电 子 为 背 景 ， 涵 盖 了 控制 、 模 式 识 别 、 传 感 、 电 子 、 电 气 、 计 算 机和 机 械 等 多 个 学 科 交 叉 的 科 技 创 意 性 比 赛 ，

1

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

这 对 进 一 步 深 化 高 等 工 程 教 育 改 革 ， 培 养 本科 生 获 取 知 识 、 应 用 知 识 的 能 力 及 创 新 意 识 ，培 养 硕 士 生 从 事 科 学 、 技 术 研 究 能 力 ， 培 养博 士 生 知 识 、 技 术 创 新 能 力 具 有 重 要 意 义 。

根 据 自 动 化 专 业 教 学 指 导 分 委 员 会 与 飞 思卡 尔 公 司 签 署 的 有 效 期 为 5 年 的 飞 思 卡 尔 公 司协 办 全 国 大 学 生 智 能 竞 赛 的 合 作 协 议 书 ， 竞赛 由 飞 思 卡 尔 公 司 提 供 统 一 的 标 准 硬 软 件 技术 平 台 。 各 参 赛 队 以 飞 思 卡 尔 HC12 单 片 机 为 核心 控 制 模 块 ， 以 引 导 改 装 后 的 模 型 汽 车 按 照规 定 路 线 行 进 ， 以 完 成 时 间 最 短 者 为 优 胜 。

组 委 会 办 公 室 技 术 组 专 家 赴 韩 国 汉 阳 大 学交 流 访 问 ， 认 真 考 察 了 其 举 办 的 多 届 智 能 汽车 竞 速 比 赛 ， 在 学 习 与 总 结 其 宝 贵 经 验 的 基础 上 ， 为 了 保 证 竞 赛 的 普 及 性 ， 规 定 每 支 参赛 队 伍 三 名 成 员 中 最 多 只 能 有 一 名 研 究 生 参加 ； 为 了 保 证 竞 赛 的 公 平 性 ， 制 定 了 多 种 赛道 方 案 以 及 体 现 公 平 、 透 明 的 比 赛 规 则 ； 为了 进 一 步 训 练 大 学 生 的 科 学 技 术 研 究 素 质 ，

参 赛 队 伍 除 了 进 行 现 场 比 赛 之 外 ， 还 须 提 交技 术 报 告 ， 并 计 入 竞 赛 总 分 。

经 各 参 赛 队 与 组 委 会 充 分 准 备 ， 于 2006 年 8

月 20—21 日 在 清 华 大 学 成 功 举 办 了 由 清 华 大 学承 办 、 飞 思 卡 尔 公 司 协 办 的 第 一 届 “ 飞 思 卡尔 ” 杯 全 国 大 学 生 智 能 汽 车 邀 请 赛 。 赛 后 队员 们 反 映 热 烈 ， 众 多 媒 体 竞 相 报 导 。

为 了 使 该 竞 赛 向 普 及 、 健 康 的 方 向 发 展 ，成 为 在 全 国 范 围 内 大 学 生 科 技 创 意 性 的 重 要赛 事 ， 经 自 动 化 分 教 指 委 、 飞 思 卡 尔 公 司 及组 委 会 协 商 决 定 ， 在 清 华 大 学 自 动 化 系 设 立竞 赛 秘 书 处 ； 为 了 使 更 多 的 高 校 、 更 多 的 大学 生 参 与 到 这 一 活 动 中 来 ， 从 第 二 届 开 始 ，采 用 分 赛 区 比 赛 形 式 ， 将 大 赛 参 赛 范 围 扩 大为 全 国 300多 所 学 校 （ 包 括 港 、 澳 等 地 区 的 高校 ） [1] 。

1.2 本 文 章 节 安 排 及 文 献 综 述本 文 系 统 的 介 绍 了 制 作 本 智 能 模 型 车 的 各

3

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

项 技 术 。 具 体 章 节 安 排 如 下 ：第 一 章 引 言 介 绍 了 本 次 比 赛 的 背 景 ， 引

出 下 文 。第 二 章 方 案 选 择 将 智 能 车 控 制 系 统 分 解

为 模 块 ， 分 别 从 各 个 模 块 讨 论 本 智 能 车 系 统将 要 采 用 的 控 制 方 案 。 在 这 部 分 中 ， 为 了 确定 方 案 我 们 查 找 了 很 多 文 献 ， 有 关 于 传 感 器和 传 感 器 技 术 的 ， 如 参 考 文 献 [3] ， [4] ； 还 有关 于 机 器 人 技 术 的 ， 如 参 考 文 献 [5] ； 以 及 关于 去 年 比 赛 的 论 文 ， 如 参 考 文 献 [6] 。

第 三 章 机 械 结 构 设 计 介 绍 了 智 能 车 的 搭建 与 调 整 ， 以 及 摄 像 头 、 光 栅 编 码 器 与 电 路板 的 安 装 。 应 用 了 一 些 相 关 的 汽 车 理 论 知 识 ，如 参 考 文 献 [8] 。

第 四 章 硬 件 系 统 设 计 及 实 现 分 析 智 能 车系 统 各 组 成 部 分 为 实 现 特 定 功 能 应 采 用 什 么样 的 电 路 ， 能 达 到 最 好 效 果 同 时 产 生 的 噪 声和 对 其 他 电 路 的 干 扰 最 小 。 参 考 的 主 要 资 料是 芯 片 的 datasheet ， 如 参 考 文 献 [7] ， [9] ， [10] ，

[11] ， [12]。第 五 章 理 论 分 析 与 算 法 实 现 从 建 模 的 角

度 分 析 车 的 运 动 形 式 ， 最 后 得 出 控 制 算 法 。其 中 ， 数 学 基 础 理 论 参 考 了 文 献 [13] 。 在 控 制算 法 上 ， 我 们 对 比 了 模 糊 控 制 和 PID 控 制 ， 最终 采 用 模 糊 控 制 。 主 要 参 考 文 献 有 [14] ， [15] ，[16]。

第 六 章 软 件 系 统 设 计 与 实 现 介 绍 了 本 智能 车 系 统 的 初 始 化 ， 图 像 采 集 、 图 像 处 理 和黑 线 提 取 的 方 法 。 在 视 频 信 号 的 采 集 上 ， 我们 主 要 参 考 了 《 视 频 技 术 与 应 用 》 （ 参 考 文献 [18]） 。 在 图 像 的 处 理 上 用 到 了 《 MATLAB 7.0 控制 系 统 应 用 与 实 例 》 （ 参 考 文 献 [19]） 。

第 七 章 开 发 与 调 试 介 绍 了 软 件 开 发 的 环境 ， 以 及 对 各 部 分 的 调 试 方 法 。 我 们 软 件 开发 环 境 为 Metrowerks 公 司 开 发 的 软 件 集 成 开 发 环境 Codewarrior， 因 此 ， 我 们 仔 细 研 究 了 Codewarrior

使 用 指 南 （ 参 考 文 献 [17] ） 。第 八 章 总 结 与 展 望 总 结 了 几 个 月 来 的 工

5

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

作 ， 对 未 来 进 行 了 展 望 。

第 二 章 方 案 选 择本 智 能 车 系 统 采 用 模 块 化 设 计 ， 分 为 测 量

模 块 、 控 制 模 块 和 执 行 模 块 。

2.1 测 量 模 块 方 案 选 择2.1.1 路 径 检 测 模 块

路 径 识 别 模 块 是 智 能 车 系 统 的 关 键 模 块 之一 ， 路 径 识 别 方 案 的 好 坏 ， 直 接 关 系 到 最 终性 能 的 优 劣 。 在 以 往 比 赛 中 光 电 传 感 器 寻 迹方 案 应 用 最 多 ， 单 独 采 用 CCD 摄 像 头 寻 迹 方 案或 者 CCD 摄 像 头 寻 迹 与 光 电 传 感 器 寻 迹 结 合 在一 起 的 方 案 也 都 有 应 用 。

所 谓 光 电 传 感 器 寻 迹 方 案 ， 即 路 径 识 别 电路 由 一 系 列 发 光 二 极 管 、 接 收 二 极 管 组 成 ，由 于 赛 道 中 存 在 轨 迹 指 示 黑 线 ， 落 在 黑 线 区域 内 的 光 电 二 极 管 接 收 到 的 反 射 光 线 强 度 与白 色 的 赛 道 不 同 ， 由 此 判 断 行 车 的 方 向 。 光电 传 感 器 寻 迹 方 案 的 优 点 是 电 路 简 单 、 信 号

3

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

处 理 速 度 快 [3] 。 光 电 传 感 器 的 排 列 方 法 、 个 数 、彼 此 之 间 的 间 隔 都 与 控 制 方 法 密 切 相 关 ， 但一 般 的 认 识 是 ， 在 不 受 到 外 部 因 素 影 响 的 前提 下 ， 能 够 感 知 前 方 的 距 离 越 远 ， 行 驶 效 率越 高 。

由 于 光 电 传 感 器 电 路 板 不 可 能 伸 出 车 体 太远 ， 因 此 不 少 参 赛 队 伍 调 整 了 光 电 传 感 器 电路 板 与 地 面 的 夹 角 ， 使 光 电 传 感 器 可 以 感 知更 远 一 点 的 赛 道 情 况 。

图 2.1 、 图 2.2 是 两 种 典 型 的 光 电 寻 迹 方 案 。图 2.1 中 模 型 车 采 用 了 8 对 光 电 传 感 器 且 分 布 得较 宽 ， 图 2.2 中 模 型 车 只 采 用 了 3 对 光 电 传 感 器 ，放 置 在 向 外 伸 出 的 小 电 路 板 上 ， 探 测 的 范 围较 小 。 具 体 何 种 方 案 合 适 ， 与 光 电 传 感 器 扫描 前 方 的 距 离 和 宽 度 以 及 控 制 策 略 密 切 相 关 。

但 是 ， 基 于 光 电 管 阵 列 检 测 赛 道 参 数 的 方法 主 要 具 有 如 下 的 缺 点 ：

1) 赛 道 空 间 分 辨 率 低 ： 一 方 面 受 到 大 赛 规则 关 于 传 感 器 个 数 的 限 制 ； 另 一 方 面 ， 过 多

的 光 电 传 感 器 在 固 定 安 装 、 占 用 CPU 输 入 端 口资 源 等 方 面 也 有 限 制 ；

2) 识 别 道 路 信 息 少 ， 一 般 只 能 检 测 路 径 中心 位 置 ；

3) 由 于 固 定 位 置 的 限 制 ， 光 电 管 只 能 安 装在 车 模 前 面 不 远 的 位 置 ， 观 测 信 息 前 瞻 性 差 ；

4) 容 易 受 到 环 境 光 线 的 干 扰 ；

图2.1 8 个光电传感器寻迹的电路

5

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图2.2 仅3 个光电传感器寻迹的电路以 上 问 题 会 影 响 车 控 制 精 度 以 及 运 行 速 度 。

通 过 一 定 的 硬 软 件 设 计 ， 虽 然 可 以 部 分 解 决上 述 的 问 题 ， 但 相 比 之 下 ， 使 用 面 阵 CCD 器 件则 可 以 更 有 效 的 解 决 这 些 问 题 。 CCD 器 件 在 比赛 规 则 中 算 作 一 个 传 感 器 。 普 通 CCD 传 感 器 图像 分 辨 率 都 在 300线 之 上 ， 远 大 于 光 电 管 阵 列[4] 。 通 过 镜 头 ， 可 以 将 车 前 方 很 远 的 道 路 图 像映 射 到 CCD 器 件 中 ， 从 而 得 到 车 前 方 很 大 范 围

内 的 道 路 信 息 。 对 图 像 中 的 道 路 参 数 进 行 检测 ， 不 仅 可 以 识 别 道 路 的 中 心 位 置 ， 同 时 还可 以 获 得 道 路 的 方 向 、 曲 率 等 信 息 。 利 用 CCD

器 件 ， 通 过 图 像 信 息 处 理 的 方 式 得 到 道 路 信息 ， 可 以 有 效 进 行 车 运 动 控 制 ， 提 高 路 径 跟踪 精 度 和 车 运 行 速 度 。

因 此 ， 我 们 选 择 使 用 面 阵 CCD ， 它 能 够 有效 利 用 S12 单 片 机 内 部 硬 件 资 源

7

第二章 方案选择

的 路 径 参 数 检 测 方 法 。 普 通 CCD 图 像 传 感 器 的工 作 电 压 一 般 为 12V， 输 出 NTSC或 者 PAL 制 式 的模 拟 视 频 信 号 。 利 用 S12 内 部 的 AD 转 换 器 ， 配合 从 视 频 信 号 中 分 离 出 的 同 步 信 号 ， 可 直 接将 图 像 信 号 采 集 到 单 片 机 内 部 RAM 中 ， 然 后 通过 软 件 对 图 像 信 息 进 行 处 理 ， 得 到 路 径 各 种参 数 。2.1.2 速 度 检 测 模 块

随 着 电 池 电 压 的 逐 渐 下 降 ， 电 机 供 给 电 压也 会 随 之 降 低 ， 导 致 电 机 的 转 速 不 断 下 降 。若 采 用 闭 环 控 制 ， 将 车 轮 转 速 信 息 反 馈 给 微控 制 器 ， 从 而 使 电 机 的 实 际 转 速 值 等 于 指 令转 速 值 ， 就 能 提 高 速 度 的 准 确 性 。

常 用 的 有 以 下 两 种 测 速 传 感 器 [5] ：(1) 轴 编 码 器 它 常 被 用 来 测 量 旋 转 轴 的 位

置 和 转 速 。 “ 绝 对 式 位 置 编 码 器 ” 被 用 来 测量 轴 的 实 际 位 置 ， 这 种 编 码 器 长 被 用 于 伺 服系 统 中 来 获 得 一 定 的 转 轴 位 置 。 “ 增 量 式 轴编 码 器 ” 常 被 用 来 测 量 转 轴 的 转 速 （ 速 率 和

5

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

方 向 ） 。 增 量 式 轴 编 码 器 可 以 产 生 直 接 对 应于 轴 转 速 的 脉 冲 序 列 ， 如 果 采 用 有 两 相 信 号输 出 的 增 量 式 轴 编 码 器 实 际 只 能 称 之 为 转 速计 。 工 程 中 应 用 最 多 的 是 光 学 编 码 器 ， 但 也有 一 些 利 用 电 磁 原 理 制 成 的 霍 尔 效 应 编 码 器 。

(2) 模 拟 转 速 计 它 也 被 安 装 到 电 机 的 输 出轴 上 ， 但 输 出 的 是 正 比 于 电 机 转 速 的 电 压 。

比 较 两 种 方 式 ， 从 输 出 信 号 的 格 式 看 ， 轴编 码 器 输 出 的 是 方 波 信 号 ， 很 容 易 输 入 到 控制 器 中 ， 而 模 拟 转 速 器 输 出 的 是 模 拟 信 号 ，还 需 AD 转 换 ， 另 外 ， 模 拟 转 速 器 对 动 力 大 小也 有 影 响 ， 而 轴 编 码 器 对 它 几 乎 没 有 影 响 ，要 对 智 能 车 进 行 速 度 的 测 量 ， 故 比 较 之 下 选用 增 量 式 轴 编 码 器 。

增 量 式 轴 编 码 器 又 可 分 为 反 射 式 光 学 编 码器 、 光 栅 式 编 码 器 和 基 于 霍 尔 效 应 的 编 码 器 。如 图 2.3 所 示 。

光 栅 式 编 码 器 的 可 靠 性 高 于 反 射 式 编 码 器 ，而 基 于 霍 尔 效 应 的 编 码 器 采 用 纯 机 械 的 方 法

第二章 方案选择

无 法 承 受 长 时 间 的 使 用 ， 且 精 度 不 高 。 因 此 ，速 度 的 测 量 采 用 光 栅 式 编 码 器 。

图2.3 简易增量式轴编码器2.2 控 制 模 块 方 案 选 择2.2.1 路 径 控 制 模 块

智 能 车 竞 赛 的 要 求 是 制 作 的 智 能 车 在 专 门设 计 的 跑 道 上 自 动 识 别 道 路 行 驶 ， 谁 最 快 跑完 全 程 而 没 有 冲 出 跑 道 并 且 技 术 报 告 评 分 较高 ， 谁 就 是 获 胜 者 。 所 以 对 于 模 型 车 的 路 径规 划 是 关 系 到 能 否 在 短 时 间 内 跑 完 全 程 取 得优 异 成 绩 的 关 键 因 素 。

结 合 以 往 的 比 赛 情 况 ， 现 主 要 有 两 种 控 制方 法 ：

7

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

(1) 跟 踪 黑 线 ， 以 黑 线 为 基 准 ， 将 小 车 几 何中 心 控 制 在 黑 线 上 ， 主 要 是 经 典 PID 控 制 方 法 ；

(2) 适 合 跑 道 ， 以 黑 线 算 出 跑 道 范 围 ， 将 小车 看 作 刚 体 ， 控 制 使 其 保 持 在 跑 道 范 围 内 ，可 以 算 作 一 种 智 能 的 模 糊 控 制 方 法 。

无 论 那 种 方 法 ， 为 了 达 到 时 间 最 短 ， 必 须对 小 车 的 行 使 路 线 进 行 优 化 。 在 不 考 虑 交 叉的 情 况 下 （ 以 行 使 的 角 度 考 虑 ， 交 叉 属 于 一种 直 线 形 式 ） ， 一 般 的 ， 根 据 赛 道 的 形 状 主要 有 3 种 组 成 ： （ 如 图 2.5 所 示 ）

⑴ 直 线⑵ 转 弯⑶ 波 浪

图2.5 赛道的三种基本形状

第二章 方案选择

对 于 弯 道 ， 应 尽 量 沿 着 内 圈 行 驶 。 （ 如 图2.6 所 示 ）

对 于 波 浪 道 ， 最 优 路 线 应 为 直 线 穿 过 。（ 如 图 2.7 所 示 ）

图2.6 过弯时小车行驶路线

图2.7 波浪道小车行驶路线对 两 种 控 制 方 法 的 优 化 ：

9

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

(1) 跟 踪 黑 线 方 法 对 路 线 的 优 化 ：跟 踪 黑 线 对 路 线 的 优 化 要 区 分 开 三 种 基 本

类 型 的 跑 道 ， 再 用 不 同 的 动 态 性 能 对 路 线 优化 。

直 道 时 响 应 应 快 速 、 平 缓 ， 需 要 综 合 调 节各 参 数 。

弯 道 时 可 以 将 超 调 量 适 当 放 大 、 调 节 时 间减 小 ， 或 者 进 行 超 前 控 制 。

波 浪 时 应 将 超 调 量 减 小 、 调 节 时 间 加 大 ，或 者 进 行 滞 后 控 制 。

对 于 波 浪 ， 跟 踪 黑 线 方 法 很 难 做 到 最 优 的直 线 穿 越 ， 但 可 以 小 车 摆 幅 减 小 。 （ 如 图 2.8

所 示 ）

图2.8 波浪道小车的优化

第二章 方案选择

(2) 适 合 跑 道 的 方 法 对 路 线 的 优 化适 合 跑 道 的 方 法 对 路 线 的 优 化 主 要 思 想 为 ：A． 得 到 较 长 一 段 赛 道 信 息 与 小 车 在 赛 道

上 的 姿 态 、 位 置 。B． 根 据 以 上 信 息 算 出 小 车 在 下 一 段 时 间

内 的 行 驶 路 线 。这 种 方 法 的 重 点 主 要 是 行 驶 路 线 的 计 算 方

法 。比 较 两 种 方 法 ， 如 表 2.1 所 示 ：为 了 达 到 更 好 的 成 绩 ， 要 选 择 适 合 跑 道 的

方 法 ， 并 且 要 综 合 考 虑 各 种 情 况 ， 努 力 提 高稳 定 性 。

表2.1 两种方法的比较

11

跟踪黑线 适合跑道复杂程度 一般 较复杂稳定性 较好 未知优化性能 一般 较好

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

2.2.2 方 向 控 制 模 块本 智 能 车 方 向 的 控 制 是 通 过 PWM 波 对 舵 机

进 行 控 制 来 实 现 的 。 舵 机 的 控 制 是 通 过 周 期固 定 的 脉 冲 信 号 控 制 的 ， 舵 机 的 转 位 正 比 于脉 冲 的 宽 度 ， 这 个 连 续 的 脉 冲 信 号 可 以 由 PWM

实 现 。 舵 机 内 部 会 产 生 一 个 频 率 为 50Hz 的 基 准信 号 ， 通 过 基 准 信 号 与 外 部 所 给 PWM 波 的 正 脉冲 持 续 时 间 进 行 比 较 ， 从 而 确 定 转 向 和 转 角的 大 小 。 当 所 加 PWM 波 的 频 率 为 50Hz 时 ， 脉 宽与 转 角 之 间 满 足 下 图 2.9 所 示 的 线 性 关 系 。

对 舵 机 的 控 制 采 用 离 散 PID 控 制 ， 即 根 据CCD 图 像 传 感 器 采 集 的 图 像 计 算 出 当 前 时 刻 车与 黑 线 的 精 确 夹 角 ， 然 后 对 方 向 控 制 量 进 行校 正 。 缺 点 是 计 算 量 大 。

第二章 方案选择

图2.9 脉宽与转角之间的线性关系2.2.3 速 度 控 制 模 块

本 届 大 赛 组 委 会 规 定 使 用 的 后 轮 驱 动 电 机型 号 为 RS-380SH， 工 作 在 7.2V 电 压 下 ， 空 载 电 流为 0.5A ， 转 速 为 16200 r/min 。 在 工 作 电 流 为 3.3A ，转 速 达 到 14060 r/min 时 ， 工 作 效 率 最 大 。

由 于 单 片 机 输 出 的 脉 宽 无 法 驱 动 大 赛 提 供的 直 流 电 机 ， 因 此 需 要 通 过 电 机 驱 动 芯 片MC33886 驱 动 电 机 正 转 、 反 转 。 由 于 单 片 机 带 有PWM输 出 端 口 ， PWM 波 获 取 方 便 ， 为 了 加 强 灵活 性 ， 能 实 时 改 变 控 制 量 ， 所 以 我 们 利 用 PWM

脉 宽 与 速 度 的 对 应 关 系 对 电 机 进 行 控 制 。

13

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

2.3 执 行 模 块 方 案 选 择2.3.1 路 径 执 行 模 块

直 接 利 用 S12 单 片 机 中 的 AD 采 集 视 频 图 像 ，存 在 着 采 集 速 度 、 存 储 数 据 空 间 、 处 理 速 度 、工 作 电 压 以 及 同 步 信 号 分 离 等 方 面 的 技 术 难点 。 下 面 就 这 些 问 题 及 其 解 决 方 法 进 行 讨 论[6] 。

1) 采 集 速 度 ：普 通 CCD 图 像 传 感 器 通 过 行 扫 描 方 式 ， 将

图 像 信 息 转 换 为 一 维 的 视 频 模 拟 信 号 输 出 。CCD 输 出 的 信 号 变 化 很 快 ， 比 如 PAL 制 式 的 视频 信 号 ， 每 秒 钟 输 出 50 帧 图 像 信 息 （ 分 为 奇 、偶 场 ） ， 每 帧 图 像 有 312.5 行 ， 每 行 图 像 信 号 时间 为 64 微 秒 ， 其 中 有 效 的 图 像 信 号 约 为 56 微妙 左 右 。 相 比 之 下 ， S12 的 AD 转 换 器 采 集 速 度较 低 ： 根 据 S12 器 件 手 册 ， 进 行 10 位 AD 转 换 所需 要 的 时 间 为 7 微 秒 。 这 样 ， 采 集 的 图 像 每 行只 能 有 8 个 像 素 ， 水 平 分 辨 率 很 低 。 另 一 方 面 ，每 场 图 像 可 以 采 集 300 行 左 右 的 图 像 信 息 ， 所

第二章 方案选择

以 图 像 垂 直 分 辨 率 相 对 较 高 。 从 这 种 水 平 分辨 率 低 、 垂 直 分 辨 率 高 的 图 像 中 ， 我 们 无 法获 取 具 有 足 够 精 度 的 路 径 信 息 。

为 此 ， 我 们 分 析 一 下 大 赛 采 用 跑 道 的 形 状特 点 ： 跑 道 都 是 由 直 线 和 圆 弧 组 成 ， 检 测 车模 前 方 一 段 路 线 参 数 ， 只 需 要 得 到 中 心 线 上3~5 个 点 的 位 置 信 息 就 可 以 估 算 出 路 径 参 数（ 位 置 、 方 向 、 曲 率 等 ） 。 这 些 点 的 位 置 ，通 过 图 像 中 若 干 行 信 息 就 可 以 检 测 出 来 （ 如图 2.10所 示 ） 。 因 此 ， 所 需 检 测 图 像 应 该 是 水平 分 辨 率 高 、 垂 直 分 辨 率 低 。

15

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图2.10 部分赛道形状，赛道中心线检测位置

将 S12 单 片 机 采 集 的 图 像 分 辨 率 特 点 ， 与 赛道 检 测 对 图 像 分 辨 率 的 要 求 进 行 对 比 ， 可 以发 现 ， 在 安 装 CCD 摄 像 头 的 时 候 ， 只 要 将 它 旋转 90 度 ， 输 出 的 图 像 信 息 也 相 应 旋 转 90 度（ 如 图 2.11所 示 ） 。 这 样 一 来 ， S12 中 的 AD 转 换器 采 集 的 图 像 信 息 ， 水 平 分 辨 率 与 垂 直 分 辨率 就 会 互 换 ， 原 来 水 平 分 辨 率 低 、 垂 直 分 辨率 高 的 图 像 ， 就 会 变 成 水 平 分 辨 率 高 、 垂 直分 辨 率 低 的 实 际 图 像 ， 正 好 满 足 道 路 参 数 检测 的 要 求 。

第二章 方案选择

图2.11 赛道图像以及旋转90度后的图像此 外 ， 我 们 还 可 以 通 过 让 S12 适 当 超 频 运 行 、

降 低 AD 转 换 器 精 度 等 方 式 ， 提 高 AD 转 换 器 的速 度 。 实 验 中 我 们 发 现 ， 通 过 设 定 S12 中 的 时钟 PLL 寄 存 器 ， 可 以 将 S12 内 部 总 线 频 率 提 高 到40~48MHz ， 而 此 时 CPU 仍 然 可 以 正 常 工 作 。 同 时 ，可 以 将 AD 转 换 器 时 钟 频 率 提 高 到 12-24MHz ， 在损 失 一 定 转 换 精 度 的 代 价 下 ， 将 转 换 时 间 缩短 为 1.5 微 秒 左 右 。 这 样 ， 我 们 就 可 以 在 一 行图 像 信 号 中 采 集 48 个 有 效 的 图 像 信 息 。

将 上 述 方 法 结 合 在 一 起 ， 可 以 采 集 到 300 * 48

分 辨 率 的 帧 图 像 数 据 。 在 此 基 础 上 ， 可 以 有效 的 检 测 出 路 径 参 数 。 通 过 实 际 测 试 ， 基 于

17

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

75 * 24 分 辨 率 的 图 像 ， 检 测 出 的 路 径 参 数 仍 能满 足 控 制 需 要 。 也 就 是 说 ， 我 们 每 隔 4 行 采 集一 行 数 据 、 每 行 采 集 24 个 点 就 可 以 了 。 这 样一 来 ， 所 需 要 的 图 像 存 储 空 间 以 及 图 像 采 集的 时 间 就 大 为 降 低 了 。

2) 图 像 存 储 空 间 ：由 于 将 图 像 水 平 旋 转 了 90 度 ， 需 要 将 图 像

数 据 进 行 存 储 ， 在 整 幅 图 像 的 基 础 上 计 算 出路 径 水 平 信 息 。 S12 内 部 有 8K 字 节 的 RAM 空 间 。如 果 存 储 300*48

分 辨 率 图 像 则 不 够 ， 但 可 以 存 储 若 干 幅75*24 的 低 分 辨 率 图 像 数 据 。 从 低 分 辨 率 图 像 所得 到 的 路 径 参 数 ， 其 精 度 仍 可 以 满 足 车 模 控制 的 需 要 。 一 般 情 况 下 ， 只 需 要 两 块 图 像 存储 空 间 即 可 ， 一 块 作 为 采 集 图 像 的 存 储 空 间 ，另 外 一 块 作 为 处 理 缓 冲 区 。

3) 图 像 信 息 处 理 速 度 ：CPU 的 主 要 工 作 包 括 图 像 采 集 、 图 像 信 息

处 理 以 及 运 动 控 制 等 。 图 像 采 集 采 用 中 断 的

第二章 方案选择

方 式 进 行 ， 如 果 采 用 75*24 分 辨 率 的 图 像 ， 每 隔4 行 采 集 一 行 图 像 信 息 ， 图 像 采 集 所 占 用 的CPU 时 间 不 会 超 过 1/4 。 因 此 ， 大 部 分 的 CPU 工作 时 间 可 以 用 于 图 像 处 理 以 及 运 动 控 制 。

由 于 采 集 到 的 图 像 由 白 色 背 景 和 黑 色 中 心线 组 成 ， 所 以 检 测 每 一 行 路 径 中 心 线 位 置 可以 通 过 简 单 的 阈 值 比 较 的 方 式 计 算 出 来 。 在此 基 础 上 ， 还 可 以 通 过 参 数 拟 合 获 取 道 路 位置 、 方 向 以 及 曲 率 等 参 数 。 另 外 ， 通 过 适 当的 动 态 阈 值 的 方 法 ， 可 以 提 高 算 法 的 稳 定 性 。核 心 算 法 如 果 处 理 相 对 简 单 ， 可 通 过 适 当 的优 化 方 法 ， 在 图 像 采 集 周 期 20 毫 秒 内 计 算 出结 果 ， 达 到 实 时 图 像 处 理 的 要 求 。 如 果 算 法比 较 复 杂 ， 可 以 将 核 心 算 法 采 用 汇 编 语 言 完成 ， 以 提 高 效 率 ， 配 合 CPU 超 频 运 行 方 法 ， 保证 算 法 需 要 时 间 小 于 20 毫 秒 。

4) CCD 器 件 工 作 电 压 ：CCD 器 件 工 作 电 压 需 要 在 12V左 右 。 为 此 ，

需 要 在 系 统 电 路 设 计 中 ， 增 加 独 立 12V电 源 模

19

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

块 。 具 体 电 路 后 面 给 出 。5) 视 频 同 步 信 号 分 离 ：为 了 采 集 图 像 信 息 ， CPU 需 要 根 据 行 、 场

同 步 信 号 启 动 AD 转 换 器 ， 采 集 稳 定 的 图 像 。由 于 视 频 信 号 的 变 化 很 快 ， 所 以 需 要 另 外 设计 同 步 分 离 电 路 。 在 本 方 案 中 ， 使 用 了 LM1881

视 频 同 步 分 离 集 成 块 ， 获 取 视 频 同 步 信 号 ，将 此 同 步 信 号 连 到 单 片 机 的 中 断 输 入 端 口 。

除 此 之 外 ， 一 般 的 CCD 输 出 的 视 频 信 号 的峰 峰 值 在 1V 左 右 ， 可 以 不 经 过 放 大 直 接 连 接到 单 片 机 的 AD 输 入 端 口 进 行 采 集 ， 也 可 以 进行 适 当 视 频 信 号 放 大 后 将 信 号 的 峰 峰 值 提 高到 3-4V 左 右 输 入 到 单 片 机 。2.3.2 方 向 执 行 模 块

本 智 能 车 的 方 向 执 行 机 构 是 舵 机 ， 舵 机 控制 采 用 PWM 技 术 ， 不 同 占 空 比 对 应 不 同 的 转 角 。由 于 舵 机 内 部 含 有 自 带 的 比 较 电 平 ， 有 利 于精 确 控 制 。

第二章 方案选择

舵 机 的 额 定 电 压 一 般 是 4.8V ， 本 模 型 车 舵机 额 定 电 压 为 6V 。 当 额 定 电 压 为 6V 时 ， 功 率通 常 更 强 劲 ， 速 度 也 更 快 。 这 意 味 着 只 要 提高 舵 机 的 电 压 ， 就 可 以 获 得 更 大 的 功 率 输 出和 更 快 的 速 度 。 对 于 提 高 电 压 这 种 未 经 认 可的 做 法 ， 每 一 家 厂 家 的 舵 机 反 应 也 不 尽 相 同 。经 实 践 认 证 ， 本 模 型 车 的 舵 机 完 全 可 以 工 作在 7.2V 电 压 下 。 因 此 ， 提 高 了 功 率 并 加 快 了 速度 。

另 外 ， 舵 机 的 响 应 时 间 对 于 控 制 非 常 重 要 ，一 方 面 可 以 通 过 修 改 PWM周 期 获 得 。 另 一 方 面也 可 以 通 过 机 械 方 式 ， 利 用 舵 机 的 输 出 转 角余 量 ， 将 角 度 进 行 放 大 ， 加 快 舵 机 响 应 速 度 。本 文 在 后 面 的 模 型 车 改 装 中 将 详 细 介 绍 。2.3.3 速 度 执 行 模 块

本 智 能 车 的 速 度 执 行 机 构 是 电 机 ， 采 用PWM 控 制 ， 利 用 脉 宽 占 空 比 与 速 度 的 对 应 关 系进 行 调 速 。 采 用 电 机 驱 动 芯 片 MC33886[7] ， 内 部自 带 “ H” 桥 ， 可 以 快 速 实 现 电 机 的 正 转 反 转 ，

21

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

从 而 对 速 度 进 行 实 时 调 整 ， 精 确 控 制 。

2.4本 章 小 结根 据 本 章 以 上 的 模 块 方 案 比 较 与 论 证 ， 得

出 本 智 能 车 控 制 系 统 模 型 框 图 如 图 2.12所 示 ：

图2.12 系统模型框图

第二章 方案选择

23

第 三 章 机 械 结 构 设 计在 智 能 车 比 赛 中 ， 最 主 要 的 比 赛 内 容 是 速

度 ， 而 模 型 车 的 机 械 结 构 无 疑 是 影 响 速 度 的关 键 因 素 之 一 。 鉴 于 这 个 原 因 ， 我 们 对 模 型车 的 机 械 结 构 做 了 很 多 的 工 作 ， 进 行 了 大 量的 调 整 ， 达 到 了 比 较 满 意 的 效 果 。

3.1 车 模 组 装 与 改 造3.1.1 车 模 组 装

模 型 车 的 组 装 工 作 看 似 简 单 ， 却 需 要 很 多的 耐 心 和 经 验 。

首 先 ， 仔 细 阅 读 说 明 书 。 通 过 阅 读 模 型 车的 装 配 图 ， 可 以 了 解 各 个 不 同 零 件 的 用 途 和安 装 顺 序 。

然 后 ， 根 据 模 型 车 的 装 配 图 组 装 智 能 车 模型 。

由 经 验 得 到 ， 在 组 装 过 程 中 ， 不 但 要 注 意模 型 车 的 组 装 顺 序 ， 而 且 由 于 模 型 车 零 部 件

15

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

较 小 ， 组 装 过 程 中 要 防 止 零 部 件 滑 落 和 丢 失 。特 别 是 ， 由 于 模 型 车 上 的 大 部 分 零 部 件 材 质均 为 塑 料 ， 在 拧 螺 丝 以 及 对 零 件 进 行 加 工 时要 格 外 的 小 心 ， 以 免 损 坏 。3.1.2 前 轮 定 位 的 调 整

在 调 试 中 我 们 发 现 ， 模 型 车 过 弯 时 ， 转 向舵 机 的 负 载 会 因 为 车 轮 转 向 角 度 增 大 而 增 大 。为 了 尽 可 能 降 低 转 向 舵 机 负 载 ， 我 们 对 前 轮定 位 进 行 了 调 整 。 前 轮 定 位 的 作 用 是 保 障 汽车 直 线 行 驶 的 稳 定 性 ， 转 向 轻 便 和 减 少 轮 胎的 磨 损 。 前 轮 定 位 参 数 主 要 包 括 ： 主 销 后 倾角 、 主 销 内 倾 角 、 前 轮 外 倾 角 和 前 轮 前 束 [8] 。

主 销 后 倾 角 是 主 销 轴 线 与 地 面 垂 直 线 在 汽车 纵 向 平 面 内 的 夹 角 。

主 销 内 倾 角 是 主 销 轴 线 与 地 面 垂 直 线 在 汽车 横 向 断 面 内 的 夹 角 。前 轮 外 倾 角 是 汽 车 横 向 平 面 与 车 轮 平 面 的

郊 县 与 地 面 垂 线 之 间 的 夹 角 。

在 一 般 情 况 下 ， 主 销 后 倾 角 为 0-3 度 ， 主 销内 倾 角 为 0-10 度 ， 前 轮 外 倾 角 为 0 度 或 者 1 度 。在 本 模 型 中 ， 后 倾 角 过 大 会 使 得 模 型 车 转 向沉 重 ， 从 而 使 舵 机 转 向 存 在 严 重 的 滞 后 ， 故在 模 型 车 中 将 主 销 后 倾 角 调 整 为 0 度 ； 主 销 内倾 角 过 大 不 仅 会 使 得 转 向 变 得 沉 重 ， 还 将 加速 轮 胎 的 磨 损 ， 因 此 将 主 销 内 倾 角 控 制 在 5 度以 内 ； 前 轮 外 倾 角 和 前 轮 前 束 分 别 设 为 0 度 、0mm 。3.1.3 差 速 的 调 整

模 型 车 的 差 速 对 转 弯 时 的 影 响 很 大 ， 差 速不 好 会 导 致 后 轮 空 转 ， 发 生 侧 滑 现 像 。 我 们通 过 添 加 推 力 轴 承 和 润 滑 油 的 手 段 ， 改 进 差速 装 置 ， 使 得 模 型 车 在 转 向 时 ， 右 轮 与 后 轴之 间 的 摩 擦 大 大 降 低 ， 从 而 提 高 了 差 速 的 效果 ， 从 而 提 高 了 小 车 的 转 向 性 能 。3.1.4 舵 机 力 臂 的 调 整

17

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

相 对 于 S12 单 片 机 的 处 理 速 度 ， 舵 机 的 响 应存 在 着 较 大 的 延 时 ， 对 舵 机 的 改 造 着 实 需 要 。在 相 同 的 舵 机 转 速 条 件 下 ， 转 向 连 杆 在 舵 机

一 端 的 连 接 点 离 舵 机 轴 心 距 离 越 远 ， 转 向 轮转 向 变 化 越 快 ， 本 模 型 车 中 通 过 用 转 向 盘 代替 舵 机 上 的 曲 柄 来 增 大 舵 机 的 上 连 接 点 到 舵机 中 心 的 距 离 ， 增 加 了 输 出 转 动 力 矩 ， 使 得前 轮 在 转 向 时 更 加 灵 敏 。

图3.1 舵机的改造3.2 摄 像 头 的 安 装

考 虑 到 单 片 机 的 处 理 速 度 和 电 路 限 制 问 题 ，把 CCD 图 像 传 感 器 的 数 量 定 为 1 个 。

如 何 安 装 CCD 传 感 器 将 会 影 响 到 两 个 方 面

的 性 能 ， 一 是 图 像 处 理 的 复 杂 程 度 和 精 度 ，一 是 小 车 的 机 械 性 能 。

由 常 识 可 以 知 道 ， 如 果 小 车 的 中 心 靠 近 后轴 ， 对 模 型 车 动 力 性 能 是 由 益 的 ；

19

第三章 机械结构设计

重 心 靠 近 前 轴 ， 对 模 型 车 的 制 动 性 和 操 纵 性有 益 。 考 虑 到 智 能 车 大 赛 对 模 型 车 的 动 力 性要 求 并 不 像 真 正 的 赛 车 比 赛 要 求 那 么 高 ， 而模 型 车 所 能 达 到 的 最 快 速 度 并 不 高 ， 所 在 安装 CCD 摄 像 头 、 电 池 和 电 路 板 位 置 时 ， 应 适 当使 模 型 车 的 重 心 位 置 前 移 ， 从 而 提 高 转 弯 性能 。 因 此 我 们 将 摄 像 头 架 设 在 舵 机 的 上 方 ，这 样 不 但 能 够 明 显 的 将 模 型 车 的 整 个 重 心 前移 ， 而 且 能 够 使 得 摄 像 头 能 够 更 好 的 获 取 前方 路 况 信 息 。

模 型 车 摄 像 头 的 架 设 主 要 要 考 虑 一 下 几 个因 素 ：

1 、 确 保 摄 像 头 位 置 的 居 中 ， 因 为 当 摄 像 头不 居 中 ， 其 采 集 进 来 的 图 像 也 不 是 居 中 的 ，而 处 理 程 序 对 舵 机 输 出 量 是 居 中 的 ， 这 样 就会 导 致 模 型 车 在 直 道 上 也 会 存 在 左 右 摆 动 的问 题 。

2 、 摄 像 头 的 高 度 要 足 够 高 ， 这 样 可 以 使 得模 型 车 在 摄 像 头 的 角 度 不 是 很 高 的 情 况 下 就

17

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

能 够 前 瞻 到 前 方 足 够 远 处 的 路 况 信 息 ， 因 为当 摄 像 头 的 角 度 过 大 时 候 ， 采 集 进 来 的 图 像形 变 过 大 ， 且 图 像 中 的 干 扰 信 息 增 多 ， 对 模型 车 的 处 理 算 法 十 分 的 不 利 。

3 、 摄 像 头 的 架 设 一 定 要 是 可 调 整 的 ， 这 样以 便 于 摄 像 头 居 中 的 校 正 ， 以 及 在 实 际 调 试中 选 择 最 佳 摄 像 头 角 度 ， 以 及 对 摄 像 头 视 野范 围 进 行 标 定 。

图3.2 摄像头远度的标定

经 过 多 次 的 实 验 和 总 结 ， 我 们 对 摄 像 头 的远 度 进 行 了 标 定 ， 对 摄 像 头 的 采 集 的 图 象 信

第三章 机械结构设计

息 进 行 了 中 心 位 置 的 校 正 。 如 图 3.2 所 示 ， 当摄 像 头 架 设 为 40cm 高 时 候 ， 倾 角 为 42 度 时 候 能够 采 集 到 前 方 8cm到 58cm 的 图 象 信 息 ， 对 于 识 别直 道 、 弯 道 和 “ S” 道 信 息 量 已 经 足 够 。 如 图3.3 所 示 ， 将 小 车 位 置 放 置 于 所 作 的 方 格 纸 中心 位 置 ， 将 摄 像 头 的 视 频 信 息 接 入 到 电 视 机中 ， 通 过 调 节 摄 像 头 各 个 旋 转 变 量 使 得 摄 像头 的 图 象 位 置 居 中 。 校 正 后 的 摄 像 头 能 够 采集 到 小 车 前 方 上 底 为 20cm ， 下 底 为 60cm ， 高 为50cm 的 等 腰 梯 形 图 象 。

19

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图3.3 图象中心位置校正3.3 光 栅 编 码 器 的 安 装

对 光 栅 编 码 器 的 安 装 ， 可 以 将 光 栅 盘 安 装在 电 机 轴 上 ， 通 过 先 计 算 电 机 转 速 再 来 计 算模 型 车 后 驱 动 轴 得 知 车 速 。 但 是 ， 这 种 方 法

太 麻 烦 ， 并 且 在 电 机 轴 上 装 光 栅 盘 会 影 响 电机 的 性 能 。 所 以 ， 我 们 将 光 栅 盘 安 装 在 模 型车 后 驱 动 轴 上 ， 根 据 光 电 传 感 器 的 输 出 脉 冲

第三章 机械结构设计

计 算 不 同 时 刻 模 型 车 的 后 轮 转 速 。图 3.4 光栅编码器的安装

21

第三章 机械结构设计

3.4 电 路 板 的 固 定 与 安 装在 电 路 板 的 安 装 这 部 分 ， 我 们 考 虑 到 结 构

的 稳 定 性 ， 以 及 规 则 中 对 车 辆 尺 寸 的 限 制 ，最 终 决 定 采 用 高 架 、 立 体 的 搭 建 方 法 ， 即 用支 架 把 主 控 板 较 高 地 固 定 在 底 盘 上 方 。 这 种布 局 可 以 保 证 车 辆 行 驶 稳 定 。

19

第 四 章 硬 件 系 统 设 计 与 实 现硬 件 电 路 的 设 计 是 自 动 控 制 器 的 基 础 。 智

能 汽 车 竞 赛 指 定 飞 思 卡 尔 公 司 S12 系 列 的 16 位单 片 机 MC9S12DG128 作 为 核 心 控 制 处 理 器 。 本 智能 车 采 用 了 组 委 会 提 供 的 开 发 板 MC9S12EVKC 作为 单 片 机 最 小 系 统 ， 并 在 此 基 础 上 增 加 了 各种 接 口 电 路 板 组 成 整 个 硬 件 系 统 。 下 面 将 对硬 件 设 计 中 除 了 单 片 机 最 小 系 统 之 外 的 其 他几 个 主 要 的 模 块 设 计 进 行 讨 论 。

4.1 电 源 模 块电 源 模 块 为 系 统 其 他 各 个 模 块 提 供 所 需 要

的 电 源 。 设 计 中 ， 除 了 需 要 考 虑 电 压 范 围 和电 流 容 量 等 基 本 参 数 之 外 ， 还 要 在 电 源 转 换效 率 、 降 低 噪 声 、 防 止 干 扰 和 电 路 简 单 等 方面 进 行 优 化 。 可 靠 的 电 源 方 案 是 整 个 硬 件 电路 稳 定 可 靠 运 行 的 基 础 。

21

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

全 部 硬 件 电 路 的 电 源 由 配 发 的 标 准 车 模 用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄 电 池 提 供 。 由 于 电 路 中 的 不 同电 路 模 块 所 需 要 的 工 作 电 压 和 电 流 容 量 各 不相 同 ， 因 此 电 源 模 块 应 该 包 含 多 个 稳 压 电 路 ，将 充 电 电 池 电 压 转 换 成 各 个 模 块 所 需 要 的 电压 。 主 要 包 括 以 下 不 同 的 电 压 。 5V 电 压 。 主 要 为 单 片 机 系 统 、 信 号 调 理 电

路 以 及 部 分 接 口 电 路 提 供 电 源 ， 电 压 要 求稳 定 、 噪 声 小 ， 电 流 容 量 大 于 500mA 。

12V电 压 。 主 要 为 CCD 图 像 传 感 器 提 供 12V的 工作 电 源 。

7.2V 电 压 。 这 部 分 直 接 取 自 蓄 电 池 两 端 电 压 ，主 要 为 舵 机 、 后 轮 电 机 驱 动 模 块 和 部 分 接口 电 路 提 供 电 源 。除 了 7.2V 电 压 可 以 直 接 由 蓄 电 池 获 得 ， 5V

电 压 需 要 通 过 降 压 稳 压 电 路 获 得 ， 12V电 压 通过 升 压 稳 压 电 路 获 得 。

电 机 驱 动 电 路 的 电 源 可 以 直 接 使 用 蓄 电 池两 端 电 压 。 模 型 车 在 启 动 过 程 中 往 往 会 产 生

很 大 的 冲 击 电 流 ， 一 方 面 会 对 其 他 电 路 造 成电 磁 干 扰 ； 另 一 方 面 由 于 电 池 内 阻 造 成 电 池两 端 的 电 压 下 降 ， 甚 至 会 低 于 稳 压 电 路 所 需要 的 最 低 电 压 值 ， 产 生 单 片 机 复 位 现 像 。 为了 克 服 启 动 冲 击 电 流 的 影 响 ， 可 以 在 电 源 中增 加 容 值 较 大 的 电 解 电 容 ， 也 可 以 采 用 缓 启动 的 方 式 控 制 电 机 。 在 启 动 时 ， 驱 动 电 路 输出 电 压 有 一 个 渐 变 过 程 ， 使 得 电 机 启 动 速 度略 为 降 低 从 而 减 小 启 动 冲 击 电 流 的 幅 度 。4.1.1 降 压 稳 压 电 路 设 计我 们 采 用 的 降 压 稳 压 芯 片 是 LM1117-5.0[9] 。 LM1117

– 5.0 是 一 种 低 压 差 的 线 性 稳 压 器 件 ， 最 大 输 出电 流 为 1A ， 足 够 提 供 系 统 中 5V 器 件 所 需 功 率 。

另 外 ， 其 输 出 电 压 波 动 范 围 仅 为 ±0.1V， 精 度 较

23

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

高 ， 经 实 验 证 明 ， 能 够 满 足 本 智 能 车 系 统 中各 项 要 求 。 典 型 电 路 如 图 3.1 所 示 。 我 们 最 终应 用 的 降 压 稳 压 电 路 就 是 在 图 3.1 的 基 础 上 在输 出 端 加 一 个 1000μF 的 滤 波 电 容 即 可 。

图3.1 LM1117 典型电路图4.1.2 升 压 稳 压 电 路 设 计

主 要 的 升 压 芯 片 有MC34063A/E ， MAX734 ， MAX632 。

在 去 年 的 比 赛 中 ， 使 用 MAX734 ， MAX632 芯 片作 为 升 压 器 件 的 参 赛 队 伍 很 少 。 而 MC34063A/E 芯片 的 使 用 却 很 多 。 并 且 我 在 很 多 参 考 数 目 上都 看 到 了 使 用 MC34063A/E 芯 片 作 为 升 压 电 路 的 实例 ， 所 以 我 决 定 采 用 它 作 为 升 压 器 件 。

MC34063 是 开 关 稳 压 芯 片 ， 可 构 成 升 压 、 降压 斩 波 电 路 。 输 出 开 关 电 流 大 于 1.5A 。 2.5mA 的低 静 态 电 流 。 典 型 电 路 如 图 3.2 所 示 [10] 。

若 将 MC34063 应 用 到 本 升 压 电 路 ， 使 输 入 VIN

为 7.2V ， 输 出 为 12V， 则 应 将 电 路 更 改 为 图 3.3

所 示 。 实 验 表 明 ， 这 个 电 路 能 很 好 的 实 现 12V

升 压 的 功 能 ， 满 足 本 智 能 车 硬 件 电 路 的 需 要 。虽 然 有 一 定 的 发 热 ， 但 是 完 全 不 影 响 各 部 分工 作 。

25

第四章 硬件系统设计与实现

图 3.2 MC34063 典型电路

23

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

180R1

100uF

C2

D1

330uH

L1

C1VCC

SWC1

SWE2

TC3

GND4

DRC 8

IPK 7

VCC 6

CII 5

*

34063

1K

R4

0.22R2

R3470uF

C3Cap Pol1

Vout

图3.3 MC34063 得到12V升压4.1.3 电 源 模 块 小 结

综 上 ， 可 以 得 到 电 源 模 块 星 型 电 路 结 构 图3.4 ：

7.2V蓄电池

LM11175V

MC3406312V

第四章 硬件系统设计与实现

图3.4 电源模块框图4.2 路 径 识 别 模 块

一 般 来 说 ， 面 阵 CCD 已 经 将 芯 片 的 驱 动 电路 集 成 在 一 起 了 ， 它 的 输 出 信 号 为 标 准 的 模拟 复 合 视 频 信 号 。 该 信 号 中 主 要 包 括 了 同 步信 号 和 图 像 信 号 ， 它 的 幅 值 为 1V 左 右 。 对 于该 信 号 可 以 不 经 过 放 大 直 接 由 单 片 机 的 A/D端口 采 集 到 视 频 图 像 数 据 。 此 外 ， 还 可 以 直 接通 过 外 部 的 电 压 比 较 器 ， 将 模 拟 视 频 信 号 变成 高 低 电 平 信 号 ， 通 过 单 片 机 的 I/0 口 输 入 到计 算 机 ， 这 样 可 以 避 免 由 于 单 片 机 A/D转 换 速度 而 带 来 的 采 集 图 像 分 辨 率 低 的 问 题 。 无 论采 用 哪 种 方 法 ， 都 需 要 专 门 的 视 频 同 步 分 离电 路 提 供 行 、 场 同 步 信 号 ， 这 些 同 步 信 号 一般 送 到 单 片 机 的 外 部 中 断 端 口 。 本 智 能 车 采用 LM1881作 为 视 频 信 号 同 步 分 离 芯 片 。

基 于 S12 单 片 机 [11] 采 集 视 频 图 像 电 路 系 统 框图 如 图 3.5 所 示 。

25

单片机系统

光栅编码器

CCD传感器 电机舵机

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

其 中 包 括 有 S12 单 片 机 最 小 系 统 、 同 步 分 离电 路 、 5V 稳 压 电 路 、 12V MC34063斩 波 升 压 电 路 等 。

视 频 信 号 同 步 分 离 电 路 如 图 3.6 所 示 [12] 。其 中 S12 单 片 机 端 口 资 源 配 置 如 下 ：

1 ） AD 输 入 端 口 PAD00 ， PAD08 ： 输 入 视 频 模拟 信 号 ；

2 ） 外 部 中 断 口 IRQ： 输 入 视 频 同 步 信 号 ；3 ） CS 接 单 片 机 的 PE1口 ： 输 出 复 合 同 步 信号 ；

4 ） VS 接 单 片 机 的 PH1 口 ： 输 出 场 同 步 信 号 ；

第四章 硬件系统设计与实现

图3.5 视频信号同步分离电路

27

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图 3.6 单片机采集图像系统框图4.3 电 机 模 块

直 流 电 机 的 控 制 由 单 片 机 的 PWM信 号 来 完成 ， 驱 动 芯 片 采 用 飞 思 卡 尔 半 导 体 公 司 的 半桥 式 驱 动 器 MC33886 。 其 工 作 电 压 为 5-40V ， 导 通电 阻 为 120mΩ ， 输 入 信 号 为 TTL/CMOS ， PWM 频 率 小于 10KHz 。 电 路 如 图 3.7 所 示 。

第四章 硬件系统设计与实现

图 3.7 MC33886 电路示意图

其 中 D1 、 D2 是 MC33886 的 使 能 端 ， IN1 、 IN2 为输 入 端 ， OUT1 、 OUT2 为 其 输 出 端 。 单 片 机 通 过PWM 通 道 的 占 空 比 控 制 电 机 速 度 ， IN2 和 IN1 分别 接 到 PP1 和 PP0 上 控 制 电 机 的 正 转 和 反 转 速 度（ 因 为 电 机 工 作 频 率 小 于 10KHz ， 所 以 一 个 通道 控 制 电 机 速 度 就 够 了 ） ， 正 转 为 智 能 车 加速 ， 当 转 弯 时 利 用 了 反 转 PWM 波 来 控 制 电 机 的减 速 ； D1 和 D2 接 到 单 片 机 的 IO 口 上 控 制 电 机转 动 方 向 （ 正 转 或 反 转 ） 。

4.4 舵 机 模 块由 于 舵 机 工 作 频 率 为 50HZ ， 需 采 用 双 通 道

29

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

PWM 控 制 舵 机 转 向 （ 合 并 PP4 、 PP5） 。 将 舵 机 的信 号 线 接 到 PP5口 上 。

4.5 测 速 传 感 器 模 块本 智 能 车 的 测 速 采 用 光 栅 编 码 器 ， 它 每 转

动 一 圈 都 会 输 出 一 定 个 数 的 脉 冲 ， 通 过 在 单位 时 间 内 测 量 得 到 的 脉 冲 数 ， 就 可 以 得 出 电机 的 转 速 。

光 栅 编 码 器 由 光 栅 盘 和 光 栅 式 光 电 开 关 组成 。 光 栅 盘 可 以 自 己 制 作 ， 光 栅 式 光 电 开 关为 配 对 并 集 成 的 LED 管 和 光 敏 三 极 管 。 LED

（ 发 射 端 ） 的 出 射 光 照 射 到 一 小 段 距 离 之 外的 光 敏 三 极 管 （ 接 收 端 ） 上 ， 传 感 器 的 状 态随 出 射 光 是 否 被 遮 挡 而 改 变 。 光 电 开 关 外 围电 路 如 图 3.8 所 示 。

第四章 硬件系统设计与实现

1K

R1VCC

D1

R2

VCC

Port

R3

VCC

Port

A B C图3.8 光电开关外围电路

电 路 A 为 传 感 器 的 发 射 端 提 供 了 限 流 电 阻R1 。 R1 可 以 选 220Ω—1KΩ。 与 反 射 式 光 电 开 关 不同 的 是 ， 在 这 里 LED 管 的 亮 度 不 需 要 很 高 。 事实 上 ， 如 果 LED 管 过 亮 ， 不 仅 增 加 功 耗 ， 而 且红 外 光 容 易 穿 过 阻 光 区 域 ， 造 成 误 信 号 。 因此 ， 可 以 从 高 阻 值 的 电 阻 开 始 选 用 （ 越1KΩ ） ， 当 发 生 误 差 信 号 问 题 时 ， 只 需 将 电 阻值 下 调 。

31

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

电 路 B 为 传 感 器 接 收 器 （ 光 敏 三 极 管 ） 的外 围 电 路 。 如 果 接 收 端 使 用 的 是 PNP 型 光 敏 三极 管 ， 则 采 用 电 路 C 。 对 B 与 C 的 两 个 电 路 来 说 ，R3 决 定 着 灵 敏 度 ， 其 取 值 范 围 由 具 体 的 接 收端 光 敏 三 极 管 所 决 定 ， 一 般 为 10KΩ—20MΩ。但 光 电 开 关 直 接 输 出 的 信 号 并 不 理 想 ， 为

了 使 光 电 开 关 的 输 出 信 号 数 字 化 ， 提 高 抗 噪声 能 力 ， 应 用 施 密 特 触 发 器 。 外 围 电 路 如 图3.9 所 示 ：

输 出 送 单 片 机 的 增 强 型 定 时 捕 捉 模 块 的 PT7

口 进 行 脉 冲 记 数 。

第四章 硬件系统设计与实现

1K

R1VCC

D1

1 2

SN74HC14N

1K

R2

R3

VCC

R4

VCC

1 2 R5

A B C 图3.9 经施密特触发器的光电开关外围电路

4.6本 章 小 结根 据 硬 件 系 统 的 设 计 ， 得 出 系 统 硬 件 参 数

如 下 表 3.1 ：表3.1 系统硬件参数

项 目 参 数车 模 几 何 尺 寸（ 长 、 宽 、 高 ）

（ 毫 米 ）

280,162,368

33

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

车 模 轴 距 / 轮 距（ 毫 米 ）

139

车 模 平 均 电 流 （ 匀速 行 驶 ） ( 毫 安 )

2000

电 路 电 容 总 量 （ 微法 ）

1817.6

传 感 器 种 类 及 个 数 CCD 图 像 传 感 器 ， 1 个新 增 加 伺 服 电 机 个

数无

赛 道 信 息 检 测 空 间精 度 （ 毫 米 ）

3.5

赛 道 信 息 检 测 频 率（ 次 / 秒 ）

50

除 MC9S12DG128 之 外 其它 主 要 芯 片

MC33886,LM1881,LM1117,MC34063,74HC14

车 模 重 量 （ 带 有 电池 ） （ 千 克 ）

1.13

第 五 章 理 论 分 析 与 算 法 实 现5.1 模 型 建 立5.1.1 基 于 后 轮 差 速 的 运 动 模 型

在 车 辆 运 动 模 型 中 ， 当 车 速 不 是 很 高 的 情

况 下 ， 车 辆 转 向 中 一 般 可 以 参 考 下 面 的 一 个模 型

图 5.1 Ackman 汽车运动模型

当 小 车 转 角 为 时 候 可 以 根 据 车 长 来 求 出小 车 当 前 的 转 弯 半 径

公 式 1

29

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

式 中 是 小 车 的 轴 长 ， 为 小 车 的 转 角 ，为 后 轮 转 弯 半 径 。然 而 这 个 模 型 只 是 适 合 在 低 速 的 情 况 下 才

能 够 得 出 较 为 精 确 的 结 果 ， 鉴 于 本 智 能 车 的速 度 不 高 ， 在 后 轮 差 速 很 好 的 情 况 下 ， 侧 滑的 因 素 将 得 到 有 效 的 抑 制 ， 可 以 考 虑 用 这 个模 型 来 处 理 。考 虑 图 5.2 所 示 的 以 小 车 驱 动 轴 中 点 为 参 考

的 运 动 模 型 ， 和 为 参 考 点 运 动 的 两 个 连续 位 置 ， 、 为 后 轴 中 点 的 速 度 方 向 ， 即小 车 的 纵 向 ， 为 小 车 初 始 的 方 向 角 ， 为小 车 的 转 向 中 心 ， 那 么 可 以 得 到 [13] ：

图 5.2 智能车后轴中点运动模型

公 式 2

其 中 是 到 时 间 内 小 车 所 走 过 的 的 距离 ， 是 小 车 的 横 向 角 速 度 ， 是 小 车 的 后轮 的 转 弯 半 径 。

由 图 中 的 几 何 关 系 可 以 得 到 ：

公 式 3

上 式 的 结 果 即 为 小 车 后 轴 中 点 在 运 动 过 程中 的 轨 迹 方 程 ， 在 足 够 小 的 情 况 下 ， 随 着

和 ， 的 不 断 变 化 可 以 画 出 其 运 动 轨 迹 。当 给 出 小 车 的 初 始 方 向 角 和 初 始 坐 标 时 ， 就可 以 推 导 出 任 何 时 刻 小 车 的 坐 标 值 。 在 下 面考 虑 小 车 整 个 模 型 的 时 候 ， 用 后 轮 差 速 的 已知 量 ， 或 者 前 轮 转 角 和 后 轮 速 度 值 来 替 换 图中 的 变 量 就 可 以 得 到 ， 基 于 后 轮 差 速 和 基 于

31

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

前 轮 转 角 和 后 轮 速 度 的 运 动 方 程 。接 下 来 我 们 考 虑 小 车 的 整 个 模 型 ， 如 图 5.3

所 示 。其 中 表 示 小 车 的 轴 间 的 距 离 ， 表 示 轮 距

的 一 半 ， 表 示 小 车 的 转 角 ， 表 示 小 车 后轮 的 转 弯 半 径 ， 中 间 的 方 向 轮 为 虚 轮 。 由 图中 所 示 的 几 何 关 系 可 以

第五章 理论分析与算法实现

得 到 ：

公 式 4

将 公 式 2 带 入 公 式 4 可 以 得 到 ： 公 式 5

图 5.3 智能车整车转向模型

将 图 5.2 的 中 反 映 的 情 况 运 用 到 整 车 的 模 型中 去 ， 当 已 知 转 角 的 情 况 下 ， 用 虚 轮 的 转 角

31

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

近 似 等 于 前 轮 的 转 角 ， 当 后 轮 中 点 运 动 经 过时 ， 小 车 各 个 轮 经 过 的 距 离 和 转 角 情 况 如 图5.4[13] 所 示 ： 图 5.4 智能车运动模型

从 上 图 的 小 车 模 型 的 几 何 关 系 中 ， 我 们 很

容 易 就 能 得 到 以 下 的 结 果 ： 公 式 6

公 式 7

其 中 表 示 小 车 左 后 轮 行 驶 的 距 离 ，表 示 小 车 右 后 轮 行 驶 的 距 离 ， 表 示 小 车 虚轮 行 驶 的 距 离 。

由 式 6 和 7 可 以 得 到 ： 公 式 8

那 么 只 要 能 测 量 出 小 车 两 个 后 轮 的 行 驶 距 离 ，就 可 以 得 出 和 的 值 ， 因 此 在 小 车 两 个 后轮 上 分 别 安 装 上 两 个 测 速 反 馈 ， 就 能 够 得 到想 要 的 结 果 。

第五章 理论分析与算法实现

结 合 式 和 公 式 8 可 以 得 到 ：

公 式 9

公 式 9 所 表 示 的 模 型 就 是 基 于 后 轮 差 速 的 运动 模 型 ， 只 要 给 出 一 开 始 小 车 的 位 置 和 方 位角 ， 就 能 够 根 据 已 知 的 几 何 关 系 递 推 的 算 出小 车 的 后 轴 中 点 任 何 时 刻 的 位 置 。

5.1.2 基 于 速 度 和 前 轮 转 角 的 运 动 模 型当 小 车 在 运 动 中 ， 如 果 在 后 轮 安 装 上 测 速

反 馈 ， 再 根 据 当 前 小 车 转 角 的 控 制 量 的 大 小 ，就 能 够 及 时 的 得 到 小 车 的 速 度 和 转 角 的 反馈 值 ， 那 么 由 ， ， 结 合 公 式 3 可以 得 出 后 轮 中 点 的 坐 标 为 ：

33

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

公 式 10

也 就 是 后 轮 中 点 连 续 两 个 位 置 的 坐 标 变 化 为 ：

公 式 11

根 据 图 5.2 中 的 几 何 关 系 可 以 由 后 轮 中 点 位置 得 出 前 轮 中 点 位 置 的 坐 标 ， 那 么 在 连 续 两个 状 态 的 情 况 下 前 轮 中 点 的 坐 标 如 下 ：

公 式 12

公 式 13

那 么 由 公 式 12 和 公 式 13 可 以 得 到 前 轮 中 点 在连 续 两 个 位 置 上 的 坐 标 变 化 为 ：

第五章 理论分析与算法实现

公 式 14

由 上 面 的 分 析 可 以 得 出 ： 只 要 知 道 当 前 的转 角 和 速 度 值 ， 以 及 图 像 处 理 时 间 间 隔 ，结 合 小 车 一 开 始 时 候 给 出 的 位 置 和 方 位 角 ，就 能 够 逐 步 递 推 出 小 车 前 后 轴 中 点 在 任 何 时候 的 位 置 ， 进 而 可 以 得 出 小 车 的 运 动 轨 迹 。

在 小 车 的 运 动 过 程 中 ， 小 车 根 据 当 前 采 集到 的 图 像 ， 由 控 制 算 法 可 以 得 出 小 车 在 下 一个 运 动 区 间 内 的 该 给 出 多 大 的 速 度 和 转 角 。那 么 如 果 在 小 车 上 建 立 一 个 动 坐 标 系 ， 只 根据 当 前 的 图 像 计 算 出 小 车 的 速 度 和 转 角 的 控制 量 ， 就 能 够 满 足 小 车 运 动 需 求 。 如 下 图 ，在 已 经 知 道 小 车 速 度 和 转 角 的 情 况 下 ， 以 小车 的 后 轴 中 点 为 坐 标 原 点 ， 小 车 的 后 轴 为 轴 ，以 小 车 的 纵 向 为 轴 ， 由 上 面 得 出 的 结 果 可 以很 容 易 的 得 出 下 一 个 小 车 后 轴 中 点 和 前 轴 中点 位 置 的 坐 标 。

从 图 中 很 容 易 得 到 后 轮 中 点 的 坐 标 变 化 为 ：

35

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

公 式 15

其 中 为 小 车 在 处 理 周 期 内 经 过 的 距 离 ， 即。

因 此 由 采 集 来 的 图 像 中 知 道 坐 标 ， 时候 ， 也 可 以 由 该 公 式 反 推 出 小 车 应 该 转 过 的角 度 ， 同 时 根 据 小 车 的 机 械 性 能 和 跑 道 的 材质 可 以 得 出 在 该 角 度 下 不 发 生 侧 滑 的 最 大 速度 ， 从 而 给 出 速 度 的 参 考 量 ， 详 细 的 算 法 设计 将 在 下 面 的 内 容 中 涉 及 。

为 了 能 够 更 好 的 实 现 控 制 算 法 及 在 实 际 情况 下 运 用 ， 可 以 将 ， ， 在 的 情况 下 用 泰 勒 公 式 展 开 可 以 作 如 下 近 似 ：

公 式 16

将 公 式 16 代 入 道 公 式 15 中 ， 则 可 以 得 到 ：将 上 式 化 简 ， 进 一 步 可 以 得 到 ：

第五章 理论分析与算法实现

公 式 18

经 过 测 量 小 车 前 后 轮 距 离 ， 在 速 度 约为 两 米 每 秒 的 时 候 ， ， 转 角 约 为 30 度时 ， 即 。 代 入 各 量 估 算 各 项 的 值 ， 经 比较 舍 去 较 小 量 ， 得 ：

公 式 19

图 5.5 中 虚 轮 的 位 置 即 为 前 轮 中 点 的 位 置 ，因 此 可 以 由 所 建 立 的 坐 标 系 求 出 前 轮 中 点 在整 个 运 动 过 程 中 位 置 坐 标 的 变 化 。 在 不 考 虑 侧 滑 的 情 况 下 ， 前 轮 中 点 的 运 动的 圆 心 为 ， 半 径 为 ， 因 此 可 得 ：

公 式 20

其 参 数 方 程 为 ：

公 式 21

37

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

那 么 由 图 5.5 中 的 几 何 关 系 可 以 得 到 ： 公 式 22

运 用 和 差 化 积 公 式 化 简 可 以 得 到 ： 公 式 23

再 根 据 各 量 的 值 可 以 近 似 为 ： 公 式 24

将 式 6 （ 泰 勒 公 式 ） 代 入 到 式 24 中 ， 可 以 进 一步 得 到 ：

公 式 25

近 似 化 简 可 以 得 到 ：

公 式 26

第五章 理论分析与算法实现

由 上 面 所 得 出 的 结 果 可 以 得 出建 立 如 上 图 的 坐 标 系 时前 轮 中 点 的 变 化 为 ：

公 式 27

后 轮 中 点 的 变 化 为 ：

公 式 28

由 于 存 在 着 一 定 的 侧 滑 现 像 ， 且 小 车 在 行进 过 程 中 存 在 着 舵 机 延 时 的 问 题 ， 所 以 上 述公 式 在 近 似 过 程 中 ， 要 偏 小 一 点 ， 会 要大 一 点 ， 这 样 在 小 车 运 动 模 型 就 能 更 好 的 接近 现 实 情 况 。

5.2 运 动 模 型 仿 真根 据 上 述 的 小 车 运 动 模 型 公 式 ， 并 考 虑 到

实 际 中 舵 机 的 延 时 问 题 。 在 假 定 小 车 速 度 为

39

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

匀 速 ， 并 且 不 发 生 侧 滑 的 情 况 下 ， 根 据 上面 所 得 到 的 公 式 ， 用VC++[14]得 到 小 车 在 运 动 过 程 中 前 后 轮 中 点 的 位置 坐 标 ， 再 用 Matlb仿 真 出 小 车 的 运 动 轨 迹 。

小 车 的 控 制 系 统 中 图 像 采 集 和 控 制 程 序 执行 的 时 间 约 为 ， 舵 机 的 分 析 参 数 中 可 以 得到 舵 机 在 这 一 段 时 间 内 能 转 过 的 角 度 约 为 15

度 ， 即 约 为 0.25弧 度 。 在 以 小 车 的 后 轴 中 点 为原 点 ， 后 轴 为 轴 ， 小 车 的 纵 向 为 轴 的 坐 标系 中 ， 本 人 用 C++ 程 序 结 合 上 述 得 出 的 公 式 ，给 出 了 小 车 在 从 0 度 转 过 45 度 角 的 过 程 中 前 后轮 中 点 各 个 坐 标 值 。

如 图 5.5 即 为 小 车 的 前 后 轴 中 点 的 坐 标 变 化 ，对 上 面 所 得 到 的 数 据 ， 用 Matlab 来 仿 真 小 车 转过 45 度 角 的 过 程 ， 可 以 得 到 图 5.6 的 结 果 ：

第五章 理论分析与算法实现

图 5.5 前后轴中点坐标变化

图 5.6 中 两 条 曲 线 即 为 小 车 在 转 弯 过 程 中 前

41

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

轮 中 点 和 后 轮 中 点 的 变 化 曲 线 ， 将 小 车 的 前后 轮 中 点 连 接 起 来 ， 就 可 以 得 到 小 车 在 各 个时 刻 的 姿 态 变 化 ， 图 5.7 所 示 。如 上 述 ， 对 小 车 在 各 种 转 角 （ 5 度 、 10 度 、

15 度 、 20 度 、 25 度 、 30 度 ） 的 情 况 下 都 作 如上 分 析 ， 那 么 就 可 以 近 似 得 出 在 理 想 情 况 下小 车 下 一 个 状 态 的 参 数 。 这 为 下 面 的 算 法 设计 提 供 了 理 论 上 的 依 据 和 数 据 基 础 。

第五章 理论分析与算法实现

图5.6 智能车前后轴中点变化曲线

43

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图 5.7 小车纵向变化

5.3 控 制 算 法对 智 能 车 的 控 制 就 是 对 小 车 的 速 度 与 方 向

进 行 控 制 ， 我 们 比 较 了 模 糊 控 制 和 PID 控 制 的优 缺 点 ， 鉴 于 模 糊 控 制 在 控 制 智 能 车 运 动 方面 的 天 然 优 势 ， 我 们 选 用 了 模 糊 控 制 算 法 法来 控 制 小 车 ， 达 到 了 较 理 想 的 效 果 。 在 横 向上 ， 即 对 小 车 的 方 向 控 制 ， 我 们 采 用 了 由 采集 图 像 上 的 绝 对 位 置 、 相 对 位 置 和 模 型 车 速度 三 个 变 量 组 成 的 模 糊 控 制 器 来 控 制 ； 在 纵

第五章 理论分析与算法实现

向 上 ， 即 对 模 型 车 的 速 度 控 制 ， 我 们 采 用 了基 于 模 型 车 当 前 速 度 和 转 角 为 输 入 的 模 糊 控制 。

首 先 从 采 集 到 的 图 像 进 行 分 析 ， 本 智 能 车采 用 的 是 CCD 图 像 传 感 器 ， 能 够 得 到 足 够 多 的图 像 信 息 ， 对 采 集 来 的 信 息 均 匀 的 取 出 90 行30 列 ， 由 于 摄 像 头 本 身 备 旋 转 90 度 ， 所 以 得到 的 图 像 为 30 行 90 列 ， 用 边 缘 检 测 算 法 从 信息 中 提 取 出 黑 线 的 中 心 位 置 ， 这 样 的 由 黑 线的 中 点 位 置 就 可 以 按 一 定 的 算 法 得 出 小 车 下一 个 状 态 。

比 赛 的 跑 道 路 况 不 外 乎 3 种 ， 如 下 图 ：图5.8 跑道的三种情况

要 使 智 能 车 在 最 短 的 时 间 内 完 成 比 赛 ， 那

45

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

么 在 直 道 上 要 以 全 速 行 驶 ， 在 “ S” 道 转 向 不大 的 情 况 下 要 尽 量 按 直 道 行 驶 ， 在 进 入 弯 道时 要 减 速 ， 以 使 得 在 弯 道 上 能 够 及 时 的 转 向 ，在 弯 道 中 和 出 弯 的 时 候 要 加 速 ， 以 使 得 在 小车 在 进 入 直 道 时 候 就 能 够 很 快 的 达 到 最 高 速度 。5.3.1 控 制 算 法 的 简 单 介 绍

PID控 制 介 绍PID 控 制 算 法 是 根 据 偏 差 的 值 ， 按 照 一 定 的

函 数 关 系 进 行 计 算 ， 用 所 得 的 运 算 结 果 对 系统 进 行 控 制 。 PID 控 制 有 位 置 式 控 制 和 增 量 式控 制 ， 方 程 如 下 ：

公 式 29

公 式 30

在 本 智 能 车 控 制 算 法 中 ， 我 们 用 位 置 式 PID

控 制 小 车 的 横 向 运 动 ， 即 小 车 的 转 角 。PID 控 制 器 的 参 数 整 定 是 控 制 系 统 设 计 的 核

第五章 理论分析与算法实现

心 内 容 。 它 是 根 据 被 控 过 程 的 特 性 确 定 PID 控制 器 的 比 例 系 数 、 积 分 时 间 和 微 分 时 间 的 大小 。 PID 控 制 器 参 数 整 定 的 方 法 很 多 ， 概 括 起来 有 两 大 类 ： 一 是 理 论 计 算 整 定 法 。 它 主 要是 依 据 系 统 的 数 学 模 型 ， 经 过 理 论 计 算 确 定控 制 器 参 数 。 这 种 方 法 所 得 到 的 计 算 数 据 未必 可 以 直 接 用 ， 还 必 须 通 过 工 程 实 际 进 行 调整 和 修 改 。 二 是 工 程 整 定 方 法 ， 它 主 要 依 赖工 程 经 验 ， 直 接 在 控 制 系 统 的 试 验 中 进 行 ，且 方 法 简 单 、 易 于 掌 握 ， 在 工 程 实 际 中 被 广泛 采 用 。 PID 控 制 器 参 数 的 工 程 整 定 方 法 ， 主要 有 临 界 比 例 法 、 反 应 曲 线 法 和 衰 减 法 。 三种 方 法 各 有 其 特 点 ， 其 共 同 点 都 是 通 过 试 验 ，然 后 按 照 工 程 经 验 公 式 对 控 制 器 参 数 进 行 整定 。 但 无 论 采 用 哪 一 种 方 法 所 得 到 的 控 制 器参 数 ， 都 需 要 在 实 际 运 行 中 进 行 最 后 调 整 与完 善 。 例 如 ： 采 用 临 界 比 例 法 。 利 用 该 方 法进 行 PID 控 制 器 参 数 的 整 定 步 骤 如 下 ：

(1) 首 先 预 选 择 一 个 足 够 短 的 采 样 周 期 让 系

47

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

统 工 作 ；(2) 仅 加 入 比 例 控 制 环 节 ， 直 到 系 统 对 输 入

的 阶 跃 响 应 出 现 临 界 振 荡 ， 记 下 这 时 的 比 例放 大 系 数 和 临 界 振 荡 周 期 ；

(3) 在 一 定 的 控 制 度 下 通 过 公 式 计 算 得 到 PID

控 制 器 的 参 数 。在 实 际 调 试 中 ， 只 能 先 大 致 设 定 一 个 经 验

值 ， 然 后 根 据 调 节 效 果 修 改 。对 于 温 度 系 统 ： P （ %） 20--60 ， I （ 分 ） 3--

10 ， D（ 分 ） 0.5—3

对 于 流 量 系 统 ： P （ %） 40--100 ， I （ 分 ） 0.1—1

对 于 压 力 系 统 ： P （ %） 30--70 ， I （ 分 ） 0.4—3

模 糊 控 制 介 绍 [15]

模 糊 控 制 实 质 上 是 用 计 算 机 去 执 行 操 作 人员 的 控 制 策 略 ， 因 而 可 以 避 开 对 像 复 杂 的 数学 模 型 ， 力 图 对 人 们 关 于 某 个 控 制 问 题 的 成功 与 失 败 的 经 验 进 行 加 工 ， 总 结 出 知 识 ， 从中 提 炼 出 控 制 规 则 ， 实 现 复 杂 系 统 的 控 制 。

第五章 理论分析与算法实现

模 糊 控 制 有 以 下 的 特 点 ：1) 模 糊 工 程 的 计 算 方 法 虽 然 是 运 用 模 糊 集

理 论 进 行 的 模 糊 算 法 ， 但 最 后 得 到 的 控制 规 律 是 确 定 性 的 、 定 量 的 条 件 语 句 。

2) 不 需 要 根 据 机 理 与 分 析 建 立 被 控 对 像 的数 学 模 型 ， 对 于 某 些 系 统 ， 要 建 立 数 学模 型 是 很 难 的 ， 甚 至 是 不 可 能 的 。

3) 与 传 统 的 控 制 方 法 相 比 ， 模 糊 控 制 系 统依 赖 于 行 为 规 则 库 ， 由 于 是 用 自 然 语 言表 达 的 规 则 ， 更 接 近 于 人 的 思 维 方 法 和推 理 习 惯 ， 因 此 ， 便 于 现 场 操 作 人 员 的理 解 和 使 用 ， 便 于 人 机 对 话 ， 以 得 到 更有 效 的 控 制 规 律 。

4) 模 糊 控 制 与 计 算 机 密 切 相 关 。 从 控 制 角度 看 ， 它 实 际 上 是 一 个 由 很 多 条 件 语 句组 成 的 软 件 控 制 器 。 目 前 ， 模 糊 控 制 还是 应 用 二 值 逻 辑 的 计 算 机 来 实 现 ， 模 糊规 律 经 过 运 算 ， 最 后 还 是 进 行 确 定 性 的控 制 。 模 糊 推 理 硬 件 的 研 制 和 模 糊 计 算

49

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

机 的 开 发 ， 使 得 计 算 机 将 像 人 脑 那 样 随心 所 欲 地 处 理 模 棱 两 可 的 信 息 ， 协 助 人们 决 策 和 进 行 信 息 处 理 。

模 糊 控 制 器 是 模 糊 控 制 系 统 的 核 心 ， 是 模糊 控 制 系 统 控 制 品 质 的 主 要 保 证 ， 因 此 ， 在模 糊 控 制 系 统 中 ， 设 计 和 调 整 模 糊 控 制 器 的工 作 是 很 重 要 的 。 模 糊 控 制 是 以 控 制 人 员 的经 验 为 基 础 实 施 的 一 种 智 能 控 制 ， 它 并 不 需要 精 确 的 数 学 模 型 去 描 述 系 统 的 动 态 过 程 ，因 此 ， 它 的 设 计 方 法 与 常 规 控 制 器 的 设 汁 方法 有 所 不 同 。 模 糊 控 制 器 的 设 计 ， 一 般 是 先在 经 验 的 基 础 上 确 定 各 个 相 关 参 数 及 其 控 制规 则 ， 然 后 在 运 行 中 反 复 进 行 调 整 ， 以 达 到最 佳 控 制 效 果 。 模 糊 控 制 器 的 设 计 主 要 考 虑以 下 几 项 主 要 内 容 ：

1) 确 定 模 糊 控 制 器 的 输 人 变 量 和 输 出 变 量( 即 控 制 量 ) ；

2) 设 计 模 糊 控 制 器 的 控 制 规 则 ；3) 确 立 模 糊 化 和 解 模 糊 的 方 法 ；

第五章 理论分析与算法实现

4) 选 择 模 糊 控 制 器 的 输 入 变 最 及 输 出 变 量的 论 域 ， 并 确 定 模 糊 控 制 器 的 参 数 ( 如 量化 因 子 、 比 例 因 子 等 ) ；

5) 编 制 模 糊 控 制 算 法 的 应 用 程 序 。5.3.2 方 向 控 制

PID算 法 设 计 [16]

现 在 假 设 图 像 中 每 行 的 黑 点 中 心 位 置 依 次

存 在 数 组 CCDData 里 面 ， 为 了 能 够 更 好 的 反 映 曲

线 的 变 化 方 向 性 ， 我 们 取 黑 线 的 最 远 点 偏 离

图 像 中 心 点 位 置 的 差 值 作 为 控 制 的 偏 差 ， 即

， 那 么 所 得 到 的 位 置 式 PID 控 制

量 为 ： ， 其 中 4500 位

舵 机 控 制 量 的 中 心 位 置 ， 并 用 最 远 一 点 和 最

近 一 点 的 斜 率 来 作 为 积 分 控 制 ， 这 样 做 的 好

51

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

处 是 使 得 位 置 式 算 法 中 的 积 分 量 只 是 根 当 前

图 像 中 的 信 息 有 关 系 ， 而 不 是 跟 过 去 整 个 状

态 都 有 关 ， 这 样 不 容 易 产 生 较 大 的 误 差 。

在 这 里 我 们 根 据 前 面 所 得 到 的 数 学 模 型 来推 导 出 舵 机 PID 控 制 的 大 概 系 数 。 首 先 我 们 只适 用 一 个 比 例 控 制 ， 由 于 舵 机 存 在 一 定 的 延时 ， 每 处 理 一 次 图 像 只 能 转 过 15 度 左 右 ， 所在 设 定 系 数 时 候 要 予 以 考 虑 。 摄 像 头 高 40cm ，能 够 采 集 的 图 像 位 于 小 车 前 方 8cm到 58cm ， 宽 为20cm 到 60cm ， 取 其 后 十 点 的 来 作 为 控 制 参 考 点 。下 表 给 出 了 当 后 十 点 的 平 均 偏 差 给 定 时 候 ，由 第 三 章 数 学 模 型 可 得 到 其 对 应 的 前 轮 应 该给 出 的 角 度 值 ， 以 及 由 应 该 给 出 的 舵 机 的 比例 系 数 。

表 5.1 舵机控制的比例系数偏移单

3 5 8 11 14 17 20 26 28 34 40 45

第五章 理论分析与算法实现

位前轮转角

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36

比例系数

33

40 37 36 35 35 35 30 32 29 27.5

27

（表中偏移单位为所采集进来图像的行像素间的单位距离，前轮转角为虚轮的角度，单位为度）

从 上 表 中 可 以 求 出 系 数 平 均 值 为 33 ， 只 有比 例 控 制 的 时 候 ， 在 直 道 上 又 可 能 存 在 抖 动的 情 况 （ 图 5.9 ） ， 且 在 “ S” 道 上 完 全 是 跟 踪黑 线 ， 没 有 优 化 效 果 ， 在 大 弯 道 的 情 况 下 有可 能 存 在 转 向 不 够 及 时 的 情 况 。

图5.9 比例控制时“S” 道上的情况

53

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

为 了 克 服 上 面 的 问 题 ， 使 得 小 车 的 在 直 道上 的 抖 动 减 弱 ， 并 且 在 在 不 是 很 大 弧 度 “ S”

道 上 能 够 尽 量 按 直 线 行 驶 的 话 ， 那 么 就 需 要加 入 积 分 量 ， 这 里 指 的 是 斜 率 分 量 ， 即

； 要 使 得 小 车 的 转 向 响 应 更 快 更 及 时 ，要 适 当 的 加 入 微 分 量 ， 即 。

在 对 三 个 系 数 进 行 调 节 的 时 候 ， 要 注意 下 面 的 规 律 ：

曲 线 振 荡 很 频 繁 ， 比 例 度 盘 要 放 大 ； 曲 线 漂 浮 绕 大 湾 ， 比 例 度 盘 往 小 扳 ； 曲 线 偏 离 回 复 慢 ， 积 分 时 间 往 下 降 ； 曲 线 波 动 周 期 长 ， 积 分 时 间 再 加 长 ； 曲 线 振 荡 频 率 快 ， 先 把 微 分 降 下 来 ； 动 差 大 来 波 动 慢 ， 微 分 时 间 应 加 长 。

模 糊 控 制 算 法 设 计我 们 考 虑 到 影 响 模 型 车 转 向 的 因 素 ， 不 仅

仅 是 模 型 车 采 集 到 的 当 前 的 图 像 信 息 ， 还 有模 型 车 当 前 的 速 度 ， 在 模 型 车 的 速 度 较 低 的

第五章 理论分析与算法实现

情 况 下 ， 模 型 车 输 出 的 转 角 应 该 较 小 ， 在 模型 车 速 度 较 高 的 情 况 下 ， 模 型 车 输 出 的 转 角应 该 较 大 ， 为 使 得 模 型 车 能 够 很 好 的 跟 踪 黑线 ， 因 此 在 方 向 控 制 算 法 中 加 入 速 度 反 馈 的速 度 量 是 十 分 有 必 要 的 。我 们 用 模 型 车 采 集 到 的 当 前 图 像 的 中 的 绝

对 位 置 信 息 和 相 对 位 置 信 息 ， 加 上 当 前 反 馈回 来 的 速 度 量 设 计 了 下 面 的 模 糊 控 制 器 ：

图 中 的 绝 对 位 置 信 息 为 黑 线 与 图 像 中 心 线的 距 离 值 ， 相 对 位 置 信 息 为 黑 线 的 斜 率 值 ，速 度 量 为 速 度 传 感 器 的 反 馈 值 。

55

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图5.10 转向模糊控制器设计根 据 日 常 生 活 中 的 经 验 可 以 得 到 ：1 、 当 模 型 车 在 直 线 上 行 使 时 弱 化 舵 机 的 转

向 ， 允 许 适 当 的 偏 离 ， 只 有 当 偏 离 达 到 一 定的 距 离 时 ， 再 进 行 校 正 。

2 、 当 模 型 车 在 “ S” 道 上 行 使 时 弱 化 舵 机 的转 向 ， 使 得 模 型 车 在 “ S” 道 上 能 够 近 似 的 跟踪 圆 弧 的 弦 ， 当 “ S” 道 上 的 圆 弧 的 半 径 较 大时 候 ， 模 型 车 的 轨 迹 近 似 为 直 线 。

3 、 进 入 大 弯 道 的 时 候 要 能 够 给 出 较 大 的 转角 ， 使 得 模 型 车 过 弯 时 候 更 为 流 畅 。

下 面 将 模 型 车 得 到 的 图 像 绝 对 位 置 、 相 对位 置 和 速 度 信 息 模 糊 化 ， 在 这 里 我 们 使 用 梯形 隶 属 度 函 数 来 表 示 ， 结 果 如 图 5.11所 示 。

图 5.11中 (b),(d) 表 示 由 图 像 坐 标 求 得 黑 线 斜 率的 隶 属 度 函 数 ， (b) 是 图 像 中 有 效 的 最 远 点 横

第五章 理论分析与算法实现

坐 标 减 去 最 近 点 横 坐 标 的 值 ， 因 为 在 差 值 中存 在 负 数 ， 为 了 去 掉 负 数 ， 对 参 数 中 同 时 加上 90 ， (d) 是 图 像 中 有 效 的 最 远 点 的 纵 坐 标 减去 最 近 点 的 纵 坐 标 的 值 。 (a),(c),(e) 表 示 由 图 像的 绝 对 位 置 信 息 、 相 对 位 置 信 息 和 模 型 车 反馈 的 速 度 值 的 隶 属 度 函 数 ， 由 此 可 以 得 出 模型 车 当 前 应 给 出 的 舵 机 控 制 量 ， (a) 是 图 像 中最 远 有 效 行 的 黑 线 中 心 点 与 图 像 中 心 点 之 间的 距 离 ， (c) 与 (b) 相 同 ， (e) 为 当 前 的 速 度 量 ，这 里 用 速 度 控 制 量 的 大 小 来 代 表 实 际 反 馈 的速 度 值 。 而 (f) 则 为 (b),(d)的 输 出 函 数 ， 即 图 像 斜率 。 (g) 则 为 (a),(c),(e) 的 输 出 函 数 ， 即 舵 机 控 制 量的 输 出 函 数 。

57

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图5.11 转向控制隶属度函数图 5.11 中 (b) 减 去 90 后 ， 左 大 -89 ， -88 ， -65 ， -

40 ， 左 小 -65 ， -40 ， -30 ， -5 ， 中 间 -30 ， -

5 ， 5 ， 30 ， 右 小 5 ， 30 ， 40 ， 65 ， 右 大 40 ， 65 ， 88 ， 89 。 图 中 (d) ， 极 小 1 ， 2 ， 4 ， 8 ， 较小 4 ， 8 ， 10 ， 14 ， 中 间 10 ， 14 ， 16 ， 20 ， 较大 16 ， 20 ， 22 ， 26 ， 极 大 22 ， 26 ， 29 ， 30 。

第五章 理论分析与算法实现

规 则 表 如 表 5.2 所 示 ：

表5.2 斜率模糊控制表 纵坐标差横坐标差 极 小 较 小 中 间 较 大 极 大

左 大 左 大 左 大 左 中 左 小 中 间

左 小 左 大 左 中 左 小 中 间 右 小

中 间 左 中 左 小 中 间 右 小 右 中

右 小 左 小 中 间 右 小 右 中 右 大

右 大 中 间 右 小 右 中 右 大 右 大

图 5.11 中 (a) 左 大 1 ， 2 ， 14 ， 26 ， 左 小14 ， 26 ， 31 ， 43 ， 中 间 31 ， 43 ， 48 ， 60 ， 右小 ， 48 ， 60 ， 65 ， 77 ， 右 大65 ， 77 ， 89 ， 90 。 图 中 (c) 1 到 50 为 左 大 ， 25 到85 为 左 小 ， 60 到 120 为 中 间 ， 95 到 155 为 右 小 ，130 到 180 为 右 大 。

规 则 表 如 表 5.3(a) 所 示 ：

59

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

表5.3 方向模糊控制规则表(a)

横坐标斜率 左 大 左 小 中 间 右 小 右 大

左 大 左 大 左 大 左 小 左 小 中 间

左 小 左 大 左 小 左 小 中 间 右 小

中 间 左 小 左 小 中 间 右 小 右 小

右 小 左 小 中 间 右 小 右 小 右 大

右 大 中 间 右 小 右 小 右 大 右 大

图 5.11中 (e) 3D到 3F 为 低 ， 3E 到 41 为 较 低 ， 40 到43 为 较 高 ， 42 到 44 为 高 。 那 么 结 合 上 一 个 模糊 控 制 表 的 输 出 和 图 (e) 中 的 速 度 信 息 便 可 以得 到 控 制 规 则 表 5.4(b) ：

表5.4 方向模糊控制规则表(b)

速度方向控制1

低 较 低 较 高 高

左 大 左 中 左 中 左 大 左 大

左 小 左 小 左 小 左 中 左 中

中 间 中 间 中 间 中 间 中 间

第五章 理论分析与算法实现

右 小 右 小 右 小 右 中 右 中

右 大 右 中 右 中 右 大 右 大

5.3.3 速 度 控 制模 糊 控 制 器 的 设 计 ：

由 常 理 可 以 得 到 ， 当 小 车 的 转 角 给 定 时 ，那 么 小 车 的 最 高 速 度 也 是 一 定 的 ， 因 此 由 方向 控 制 算 法 得 出 的 小 车 的 转 角 值 是 速 度 控 制的 一 个 重 要 的 输 入 量 ， 另 外 通 过 测 速 反 馈 得到 的 当 前 速 度 也 应 该 是 速 度 控 制 的 输 入 量 。那 么 速 度 控 制 器 的 输 入 量 为 角 度 量 angle 和 速 度量 velocity ， 输 出 的 为 控 制 电 机 速 度 的 PWM 波 占 空比 。 控 制 系 统 的 结 构 设 计 如 下 ：

图5.12 速度模糊控制器系统结构

61

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

因 为 角 度 控 制 量 的 PWM值 是 与 小 车 的 转 角 一一 对 应 的 ， 所 以 由 角 度 量 就 可 以 知 道 小 车 的转 角 的 大 小 ， 我 们 将 小 车 转 角 的 大 小 分 为 9 种情 况 。 而 对 小 车 的 速 度 ， 我 们 根 据 跑 道 的 情况 ， 在 转 弯 的 最 小 速 度 值 到 直 道 上 的 最 大 速度 值 之 间 分 为 8 种 情 况 。 他 们 的 模 糊 化 采 用 的是 常 用 的 三 角 形 隶 属 度 函 数 ， 输 出 的 隶 属 度函 数 采 用 单 点 值 ， 如 图 5.13。

第五章 理论分析与算法实现

图5.13 速度控制隶属度函数图

根 据 车 体 的 物 理 运 动 学 规 律 和 日 常 生 活 中的 经 验 ， 为 了 使 车 行 使 的 平 均 速 度 最 大 且 保证 不 偏 离 车 道 ， 可 以 总 结 出 模 糊 控 制 规 律 如下 ：

1 、 如 果 小 车 在 直 道 上 ， 小 车 以 高 速 行 驶 ，并 且 黑 线 在 小 车 的 正 中 ， 则 以 小 车 的 最 高 速度 行 驶 。

2 、 如 果 小 车 要 进 入 弯 道 ， 则 要 减 速 ， 如 果已 经 进 入 弯 道 ， 则 要 加 速 ， 以 使 得 驶 出 弯 道进 入 直 道 时 加 速 更 加 迅 速 。

3 、 如 果 小 车 以 高 速 驶 入 弯 道 ， 则 要 刹 车 ，

63

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

以 免 冲 出 跑 道 。基 于 上 述 生 活 中 的 经 验 ， 我 们 得 出 下 面 的

模 糊 控 制 规 则 表 5.5 。由 表 5.5 和 图 5.13中 的 输 出 隶 属 函 数 的 值 ， 就

可 以 得 到 小 车 当 前 给 出 的 速 度 控 制 量 。

表 5.5 模糊控制规则表速

度

控

制

量

角 度 量0 1 2 3 4 5 6 7 8

速

度

0 7 7 7 6 5 5 4 3 3

1 7 7 6 5 5 4 3 2 2

2 7 6 6 5 4 3 2 1 1

3 7 6 6 5 4 3 2 1 0

4 7 6 6 4 4 2 2 0 0

5 7 6 5 4 3 2 1 0 0

6 7 6 5 4 3 2 1 0 0

第五章 理论分析与算法实现

量7 7 6 5 4 3 2 1 0 0

5.3.4 控 制 算 法 的 优 化 部 分在 实 际 的 调 试 中 发 现 ， 模 型 车 在 直 道 上 的

速 度 相 差 不 是 很 大 ， 在 弯 道 上 的 比 拼 才 是 整个 比 赛 的 重 点 ， 因 此 如 何 优 化 弯 道 的 算 法 才是 整 个 控 制 算 法 的 关 键 。 弯 道 主 要 分 为 90 度转 弯 ， “ S” 道 和 180度 转 弯 ， 其 中 “ S” 弯 的 优化 显 得 极 为 重 要 。

对 于 小 “ S” 可 以 完 全 的 取 直 ， 对 于 大 的“ S” 弯 可 以 近 似 的 按 弦 行 驶 ， 这 样 模 型 车 在运 动 过 程 中 能 够 少 走 一 段 路 程 ， 更 重 要 的 是由 于 模 型 车 的 转 角 减 小 ， 也 使 得 模 型 车 可 以在 很 高 的 速 度 下 穿 过 “ S” 道 。这 样 如 何 识 别 “ S” 道 则 成 为 最 重 要 的 问 题 。

因 为 小 “ S” 弯 一 般 都 与 直 道 相 连 接 ， 因 此 进入 “ S” 弯 时 车 体 是 正 的 。 我 们 通 过 对 采 集 进来 的 图 像 ， 例 如 图 5.14所 示 ， 用 采 集 到 的 黑 点位 置 横 坐 标 减 去 图 像 中 点 位 置 的 横 坐 标 ， 那

65

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

么 我 们 将 得 到 正 值 ， 负 值 交 错 的 信 息 。 而 对于 大 的 弯 道 由 上 述 的 方 法 得 到 的 则 是 全 正 ，全 负 或 者 是 右 正 到 负 ， 由 负 到 正 的 的 信 息 。因 此 我 们 能 够 很 好 的 识 别 出 “ S” 道 ， 我 们 给出 很 小 的 转 向 控 制 量 ， 那 么 模 型 车 就 能 够 近似 的 直 线 通 过 小 的 “ S” 道 ， 在 大 的 “ S” 道 上 ，路 线 的 优 化 也 是 非 常 的 明 显 ， 这 为 减 少 模 型车 在 整 个 赛 道 上 运 行 的 时 间 提 供 了 保 证 。

图5.14“S” 道的信息采集

第五章 理论分析与算法实现

5.3.5 算 法 的 程 序 实 现S12 单 片 机 提 供 了 专 门 的 模 糊 控 制 指 令 ， 不

但 使 得 程 序 设 计 大 大 的 简 化 ， 也 使 得 程 序 的执 行 速 度 大 大 加 快 ， 实 现 模 糊 控 制 的 CPU 负 荷也 大 大 降 低 。

为 了 能 够 更 好 的 说 明 S12 单 片 机 的 模 糊 控 制指 令 的 用 法 ， 下 面 是 求 图 像 斜 率 部 分 的 隶 属度 函 数 的 程 序 ， 即 图 5.11中 (b) 和 (d) 。FCB $0001,$0032,$00ff,$0006FCB $0019,$0055,$0006,$0006FCB $003C,$0078,$0006,$0006FCB $005F,$009B,$0006,$0006FCB $0082,$00b4,$0006,$00ffFCB $0001,$0008,$00ff,$003fFCB $0004,$000e,$003f,$003fFCB $000a,$0014,$003f,$003fFCB $0010,$001a,$003f,$003fFCB $0016,$001F,$003f,$00ff

其 中 第 一 个 数 表 示 梯 形 的 第 一 个 点 ， 第 二个 数 表 示 梯 形 的 第 二 个 点 ， 后 两 个 数 分 别 表示 梯 形 的 左 斜 率 和 右 斜 率 。

下 面 则 是 以 上 两 个 隶 属 度 函 数 为 输 入 的 输出 规 则 库 ：FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$0010,$FFFFFDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000F,$FFFF

67

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$0010,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$0010,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000F,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$000A,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000B,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$000A,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000A,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000B,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF

算 法 完 整 的 程 序 分 析 见 本 文 最 后 的 附 录 部分 ， 在 此 就 不 再 作 过 多 的 叙 述 。

第 六 章 软 件 系 统 设 计 与 实 现6.1 系 统 初 始 化

在 各 模 块 中 ， MC9S12DG128 微 控 制 器 模 块 是 控制 核 心 ， 其 他 模 块 的 初 始 化 正 是 通 过 对 单 片机 内 部 设 置 实 现 的 。 系 统 的 初 始 化 主 要 是 对MC9S12DG128 内 部 各 寄 存 器 ， 各 端 口 进 行 设 置 ，并 定 义 自 变 量 ， 分 配 存 储 空 间 ， 使 之 满 足 系统 要 求 。 下 面 仅 给 出 单 片 机 初 始 化 的 结 果 ，未 涉 及 到 的 端 口 与 模 块 不 予 描 述 [17] 。

工 作 模 式 通 过 软 件 与 硬 件 的 结 合 ， 选 定 单 片 机 工 作模 式 为 普 通 弹 片 模 式 。

时 钟 设 置单 片 机 内 部 的 总 线 频 率 为 24MHz ， CPU 单 元

工 作 频 率 是 总 线 频 率 的 2 倍 为 48MHz 。 存 储 空 间 分 配

对 内 部 地 址 资 源 的 分 配 采 用 普 通 单 片 工

53

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

作 模 式 初 始 化 时 默 认 的 配 置 ， 即 $0000 到$0400 为 寄 存 器 地 址 空 间 ， $2000 到 $3FFF 为 内部 RAM 地 址 空 间 ， $4000 到 $7FFF 为 一 块 固 定的 Flash EEPROM 地 址 空 间 ， $8000 到 $BFFF 为 页面 Flash EEPROM 地 址 空 间 ， $C000 到 $FFFF 为 一块 固 定 的 Flash EEPROM 地 址 空 间 ， 其 中 $FF00

到 $FFFF 为 中 断 向 量 地 址 空 间 。 复 用 端 口 设 置 A端 口 为 普 通 输 入 端 口 J 端 口 为 中 断 输 入 端 口

P端 口 为 PWM信 号 输 出 端 口 各 模 块 初 始 化

PWM 模 块 0 通 道 独 立 使 用 ， 4 、 5 通 道 合并 为 一 16 位 的 PWM 通 道 使 用 ； PWM 时 钟选 择 为 总 线 频 率 8 分 频 即 3MHz。

定 时 / 计 数 器 模 块 全 部 通 道 设 置 为 定时 模 式 ； 时 钟 选 择 为 总 线 频 率 8 分 频即 3MHz。

此 外 ， 初 始 化 时 也 对 下 面 需 用 到 的 自 变 量进 行 了 定 义 与 赋 初 值 ， 在 此 不 作 赘 述 。

6.2 视 频 图 像 信 号 采 集本 智 能 车 图 像 采 集 的 原 理 [18] 是 根 据 视 频 同

步 信 号 对 单 个 奇 场 或 偶 场 图 像 信 号 进 行 隔 行 、隔 点 采 集 ， 一 方 面 为 了 保 证 时 序 上 的 准 确 性 ，必 须 准 确 的 判 断 同 步 信 号 和 严 格 的 定 时 ， 另一 方 面 定 时 的 时 间 相 对 于 CPU 周 期 是 比 较 长 的 ，在 这 些 时 间 内 可 以 让 CPU 去 做 其 它 工 作 ， 故 在此 部 分 中 的 程 序 多 采 用 了 中 断 。

具 体 的 程 序 流 程 如 图 6.1 所 示 。对 视 频 信 号 的 采 集 过 程 如 下 ： 等 待 场 信 号 ；

延 时 ， 跳 过 场 回 程 的 22.5个 行 周 期 —— 即 1.44ms ；等 待 行 同 步 信 号 ； 判 断 采 集 行 数 是 否 满 足 要求 ， 满 足 则 采 集 完 成 ， 否 则 延 时 ， 跳 过 行 同步 信 号 和 消 隐 信 号 ， 约 4.7+5.7=10.4us ； 对 一 行 视频 信 号 进 行 连 续 采 集 ； 延 时 ， 跳 过 6.5 行 视 频信 号 即 延 时 416us ， 跳 回 到 等 待 行 同 步 信 号 ， 直

55

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

至 完 成 。

第六章 软件系统设计与实现

图6.1 （a ）主程序图像采集部分（b ）Timer0中断程序（c ）Timer2中断程序

（d ）Timer1中断程序（e ）行同步6.3 图 像 处 理 和 黑 线 提 取6.3.1 图 像 处 理

由 摄 像 头 直 接 采 集 进 来 的 图 像 的 干 扰 信 息比 较 多 ， 并 且 在 特 殊 的 位 置 采 集 进 来 的 图 像有 很 多 的 信 息 是 无 用 的 信 息 ， 如 十 字 交 叉 ，甚 至 会 严 重 的 影 响 模 型 车 的 控 制 。

55

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

针 对 上 面 提 出 的 问 题 ， 我 们 先 对 采 集 进 来的 图 像 作 一 次 差 分 和 取 阈 值 二 值 化 。 一 次 差分 ： 假 设 采 集 进 来 的 图 像 信 息 有 Ｎ 列 信 息 ，则 用 n+1 列 的 值 减 去 n 列 的 值 ， 作 为 n 列 的 值 ，那 么 可 以 得 到 n-1 列 值 。 取 阈 值 二 值 化 是 根 据当 前 的 图 像 信 息 设 定 一 个 阈 值 ， 当 图 像 上 某点 的 值 大 于 该 阈 值 的 时 候 设 为 1 ， 当 图 像 上 某点 的 值 小 于 该 阈 值 时 设 为 0 。

用 上 面 提 出 的 两 种 方 法 来 处 理 采 集 进 来 的图 像 [19] ， 可 以 得 到 ：

(a)

第六章 软件系统设计与实现

(b)图6.2 图像处理结果

由 图 6.2 可 以 明 显 的 看 出 ， 在 (a) 中 通 过 一 次差 分 法 处 理 后 ， 可 以 有 效 的 将 跑 道 外 面 的 干扰 信 息 去 掉 ， 以 使 得 模 型 车 能 够 在 各 种 环 境下 适 应 跑 道 。 在 (b) 中 当 模 型 车 正 对 着 十 字 交叉 时 ， 采 集 进 来 的 图 像 是 一 个 正 的 十 字 交 叉通 过 一 次 差 分 的 方 法 能 够 将 错 误 的 信 息 排 除掉 。 采 集 进 来 的 图 像 经 过 两 次 上 述 一 次 差 分处 理 后 再 用 取 阈 值 二 值 化 法 可 以 进 一 步 降 低干 扰 因 素 ， 使 得 图 像 上 的 有 效 信 息 得 到 强 化 ，提 高 了 模 型 车 的 抗 干 扰 能 力 ， 并 且 能 够 更 好的 识 别 出 当 前 的 路 况 信 息 ， 为 下 面 的 黑 线 提出 做 好 了 准 备 。6.3.2 黑 线 的 提 取

图 像 检 测 范 围 与 图 像 复 杂 程 度 是 一 组 矛 盾 。若 图 像 检 测 范 围 大 ， 在 转 弯 等 一 些 情 况 下 在图 像 的 边 界 或 角 落 里 就 会 出 现 干 扰 ， 不 利 于在 软 件 上 对 图 像 的 处 理 。 若 令 图 像 检 测 的 范围 减 小 以 使 在 所 有 情 况 下 图 像 中 都 不 会 出 现

57

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

干 扰 ， 结 果 会 出 现 如 下 情 况 ： 有 些 转 弯 采 集 不 到 黑 线 。 检 测 到 的 直 线 赛 道 与 弯 道 的 差 别 很 小 ，

不 利 于 算 法 上 区 分 。因 此 在 系 统 设 计 过 程 中 ， 先 把 CCD 信 号 接

入 电 视 ， 在 多 个 不 同 位 置 多 次 试 验 得 出 一 个CCD 摄 像 头 安 装 最 佳 位 置 ， 使 得 检 测 范 围 足 够大 且 干 扰 尽 量 小 。

在 有 干 扰 的 情 况 下 ， 经 过 测 试 发 现 ， 一 般在 图 像 中 最 后 一 行 像 素 点 数 据 即 离 小 车 最 近的 一 行 出 现 干 扰 的 情 况 极 小 ， 故 可 以 在 此 行内 搜 索 第 一 个 黑 点 作 为 黑 线 左 边 界 位 置 ， 搜索 结 束 ， 以 这 个 位 置 为 基 准 左 右 各 偏 移 一 定距 离 作 为 下 一 行 搜 索 的 范 围 ， 下 一 行 搜 到 边界 后 ， 再 依 次 类 推 计 算 出 以 后 各 行 的 搜 索 范围 。 在 有 灯 光 反 射 干 扰 的 情 况 下 ， 有 些 行 的图 像 中 无 黑 线 ， 若 在 此 行 搜 索 范 围 内 搜 索 不到 黑 线 ， 则 记 录 一 个 错 误 位 置 标 志 ， 下 一 行搜 索 范 围 在 此 行 基 础 上 再 增 加 一 些 。 当 一 幅

第六章 软件系统设计与实现

图 像 中 搜 索 的 结 果 中 错 误 标 志 过 多 时 ， 就 认为 此 幅 图 像 出 错 ， 控 制 方 案 按 照 上 一 幅 图 像的 处 理 结 果 决 定 。 试 验 结 果 表 明 ， 此 种 方 法能 够 有 效 地 排 除 干 扰 ， 找 到 黑 线 的 左 边 界 ，且 效 率 高 ， 处 理 时 间 短 。 同 时 加 入 右 边 界 检测 ， 可 以 减 少 干 扰 。

视 频 去 噪 处 理 在 再 现 真 实 的 路 径 方 面 有 着不 可 忽 视 的 作 用 ， 正 是 由 于 CCD 视 觉 传 感 器 易受 环 境 影 响 ， 才 需 要 去 噪 算 法 进 行 去 噪 处 理 ，保 证 视 频 数 据 的 准 确 性 。 在 本 系 统 中 ， 我 们采 取 的 视 频 去 噪 策 略 是 取 距 离 车 体 最 近 的 数据 ， 也 就 是 第 一 行 的 数 据 作 为 参 考 数 据 ， 根据 数 据 的 连 续 性 ， 进 行 整 场 数 据 的 噪 声 处 理 。

本 模 型 车 检 测 黑 线 中 心 位 置 算 法 的 大 体 思想 如 下 ： 首 先 判 断 图 像 采 集 是 否 完 成 ， 完 成了 才 开 始 下 面 的 计 算 。 从 最 近 一 行 图 像 开 始检 测 ， 设 定 检 测 的 左 、 右 边 界 值 。 在 边 界 值限 定 的 范 围 内 检 测 各 个 点 是 否 是 黑 点 ， 并 记录 下 黑 点 的 左 、 右 边 界 位 置 。 根 据 该 行 获 得

59

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

的 黑 线 左 、 右 边 界 位 置 来 确 定 下 一 行 检 测 的左 、 右 边 界 值 。 如 此 循 环 直 到 处 理 完 整 幅 图像 。 此 外 ， 考 虑 到 在 某 些 行 上 可 能 没 有 测 到黑 点 ， 这 种 情 况 的 发 生 有 可 能 是 图 像 本 身 就没 有 黑 点 ， 也 有 可 能 是 错 误 的 信 息 。 因 此 ，对 于 没 有 黑 点 的 行 将 置 一 个 无 效 标 志 位 ， 为之 后 能 成 功 地 对 电 机 及 舵 机 进 行 控 制 做 准 备 。黑 线 中 心 的 检 测 算 法 流 程 图 如 图 6.3 所 示 。

第六章 软件系统设计与实现

图6.3 黑线提取流程图

61

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

第 七 章 开 发 与 调 试7.1 软 件 开 发 环 境 介 绍

Codewarrior是 Metrowerks 公 司 开 发 的 软 件 集 成 开发 环 境 [17] ， 飞 思 卡 尔 所 有 系 列 的 微 控 制 器 都可 以 在 codewarrior IDE 下 进 行 软 件 开 发 。 本 模 型车 所 用 的 处 理 器 是 Mc9sDG128B ， 程 序 调 试 是 在codewarrior IDE 3.1 环 境 下 实 现 的 ， 所 用 语 言 为 汇编 。

首 先 要 新 建 一 个 基 于 Mc9sDG128B 的 HCS12 的 工程 ， 选 用 语 言 为 绝 对 汇 编 ， 具 体 的 过 程 如 图7-1到 7-3所 示 。 建 立 好 新 的 工 程 后 ， 就 可 以 在编 译 器 里 进 行 程 序 的 编 写 。

59

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图7-1 Codewarrioer 新 建 工 程 界 面 (a)

60

图7-2 Codewarrioer 新 建 工 程 界 面 (b)

61

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

图7-3 Codewarrioer 新 建 工 程 界 面 (c)

62

第七章 开发与调试

7.2 智 能 车 整 体 调 试舵 机 调 试首 先 在 程 序 里 不 断 的 修 改 舵 机 的 控 制 量 ，

确 定 舵 机 左 转 和 右 转 极 限 的 PWM值 ， 记 下 该 值留 着 在 程 序 里 设 定 左 转 和 右 转 的 极 限 值 。 然后 用 一 小 段 跑 道 来 测 试 舵 机 的 转 向 ， 用 不 同的 跑 道 段 来 测 试 模 型 车 的 转 向 是 否 符 合 要 求 ，当 用 的 是 直 道 时 候 要 保 证 模 型 车 的 舵 机 位 置绝 对 的 居 中 ， 小 “ S” 道 时 候 ， 模 型 车 给 出 的转 角 应 该 足 够 的 小 ， 大 “ S” 时 候 转 角 应 该 近似 为 圆 弧 弦 的 角 度 ， 弯 道 时 候 要 给 足 转 角 。电 机 调 试像 测 试 舵 机 一 样 用 不 同 的 赛 道 来 测 试 电 机

给 出 的 转 速 是 否 满 足 实 际 控 制 的 需 要 ， 当 用的 是 小 “ S” 道 时 候 ， 模 型 车 应 该 保 持 直 道 上的 速 度 ， 大 “ S” 时 候 ， 应 该 适 当 的 减 速 ， 以使 得 通 过 时 候 不 会 产 生 过 大 的 超 调 ， 弯 道 时候 要 能 够 很 快 的 将 速 度 降 下 来 ， 如 果 是 急 转弯 时 可 以 不 给 控 制 量 或 者 让 电 机 反 转 以 达 到

61

刹 车 的 效 果 。整 体 调 试首 先 以 一 个 较 低 的 速 度 跑 完 整 个 赛 道 ， 然

后 再 慢 慢 的 提 高 速 度 ， 直 到 模 型 车 在 某 一 个地 方 出 错 ， 然 后 调 整 控 制 算 法 ， 如 此 反 复 ，直 到 模 型 车 能 够 以 理 想 的 速 度 ， 在 理 想 的 路线 上 运 行 完 为 止

第七章 开发与调试

63

第 八 章 结 论8.1 总 结经 过 队 员 们 几 个 月 的 努 力 ， 我 们 完 成 了 智

能 车 系 统 的 制 作 。 整 个 车 模 硬 件 电 路 简 单 ，在 CCD 传 感 器 的 控 制 下 ， 通 过 判 断 ， 使 模 型 车转 向 准 确 稳 定 ， 能 够 完 全 通 过 各 种 弯 道 和 十字 交 叉 路 口 。 该 模 型 车 在 满 足 大 赛 要 求 的 前提 下 ， 具 有 良 好 的 自 主 道 路 识 别 能 力 和 稳 定性 ， 并 能 够 以 较 快 的 速 度 行 驶 。

在 最 初 的 方 案 选 择 阶 段 ， 通 过 比 较 不 同 方法 可 能 得 到 的 结 果 明 确 了 我 们 研 究 的 方 向 。

在 机 械 设 计 方 面 ， 我 们 对 模 型 车 的 性 能 不断 的 探 索 改 进 了 前 轮 定 位 、 差 速 、 舵 机 力 矩等 ， 使 得 舵 机 的 转 向 更 加 灵 活 、 更 容 易 控 制 ，打 滑 现 象 基 本 解 决 。

在 控 制 算 法 方 面 ， 我 们 通 过 建 模 和 仿 真 ，最 终 确 定 使 用 模 糊 控 制 算 法 对 模 型 车 的 方 向

63

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

和 速 度 进 行 控 制 。在 图 像 采 集 和 图 像 处 理 方 面 ， 我 们 以 S12 单

片 机 为 核 心 ， 结 合 摄 像 头 的 安 装 设 计 了 合 理的 采 集 方 法 ， 并 对 采 集 的 图 像 用 阈 值 二 值 化方 法 进 行 处 理 ， 降 低 干 扰 。

8.2 展 望同 时 由 于 时 间 的 不 足 ， 在 模 型 车 的 研 究 中

还 有 许 多 需 要 改 进 的 地 方 ：1 、 本 文 所 建 立 的 智 能 汽 车 的 运 动 模 型 是 在

理 想 情 况 下 建 立 的 ， 其 实 际 情 况 要 复 杂 的 多 ，所 建 立 的 模 型 过 于 简 单 。 另 一 方 面 ， 智 能 汽车 是 一 个 高 度 非 线 性 化 、 时 变 的 系 统 ， 如 何对 模 型 中 的 参 数 进 行 估 计 以 及 使 模 型 更 能 反映 实 际 车 辆 运 动 是 一 个 需 要 进 一 步 解 决 的 问题 。

2 、 模 糊 控 制 对 数 学 模 型 很 难 建 立 的 系 统 具有 先 天 性 的 优 势 ， 而 在 本 文 中 只 是 用 一 种 很简 单 的 模 糊 控 制 方 法 来 控 制 模 型 车 ， 考 虑 的

64

模 型 车 的 其 他 干 扰 因 素 还 不 够 多 ， 因 此 如 何进 一 步 改 进 控 制 算 法 是 十 分 有 必 要 的 。

3 、 在 本 模 型 车 在 处 理 算 法 中 ， 处 理 的 频 率为 50Hz ， 模 型 车 的 处 理 算 法 的 频 率 ， 极 大 地 限制 着 模 型 车 整 体 速 度 的 提 高 ， 在 以 后 的 研 究中 ， 我 们 将 考 虑 使 用 非 标 准 的 频 率 高 的 特 殊摄 像 头 或 者 在 算 法 中 实 现 处 理 频 率 的 提 高 。

4 、 模 型 车 的 测 速 装 置 为 自 制 的 光 栅 式 编 码器 ， 模 型 车 后 轮 每 转 动 一 圈 输 出 16 个 脉 冲 ，这 样 使 得 测 得 的 速 度 只 有 参 考 的 价 值 ， 而 不能 定 量 的 去 使 用 ， 限 制 模 型 车 速 度 的 提 高 ，我 们 以 后 将 考 虑 使 用 更 高 精 度 的 轴 编 码 器 或者 测 速 电 机 ， 使 得 反 馈 的 速 度 值 更 加 精 确 ，以 便 提 高 控 制 算 法 的 可 靠 性 。

65

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

66

参 考 文 献[1] 卓晴, 黄开胜, 邵贝贝. 学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M]. 北京：北京航

空航天大学出版社,2007.

[2] 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]. 北京：清华大学出版社,2004.

[3] 周继明，江世明，彭解华. 传感器技术与应用[M].长沙：中南大学出版社,2005.

[4] Ramon Pallas-Areny, John G. Webster. 传感器和信号调节( 第二版)[M]. 北京：清华大学出版社,2003.

[5] 宗光华. 机器人的创意与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2004.

[6] 卓晴，王琎，王磊. 基于面阵CCD 的赛道参数检测算法.

[7] MC33886 Technical Data, Freescale Semiconductor July 2005.

[8] 余志生. 汽车理论（第3 版）[M]. 机械工业出版社,2004.

[9] LM1117 800mA Low-Dropout Linear Regulator, National Semiconductor February 1999.

[10] MC34063A/E DC-DC Converter Control Circuits, Motorola.

[11] Motorola MC9S12DG128 Device User Guide Motorola, Inc.

[12] LM1881 Video Sync Separator, National Semiconductor June 2003.

[13] 熊万龙. 基于Kalman 滤波器的自主车辆定位方法研究[J]. 湖南：国防科技大学学位论文，2005.

[14] 殷人昆，陶永雷，谢若阳，盛绚华. 数据结构( 用面向对象方法和C++描述) .北京：清华大学出版社.2005.

[15] 关柏青. 基于彩色视觉和模糊控制的移动机器人路径跟踪[J]. 河北工业大学学位论文.2002.

[16] 谢剑英，贾青. 微型计算机控制技术[M].北京：国防工业出版社，2004.[17] 飞思卡尔HC08/HCS12 系列微控制器开发环境- Codewarrior 使用指南.[18] 孙景琪等，视频技术与应用. 北京工业大学出版社.[19] 刘叔军，盖晓华，樊京，崔世林等.MATLAB 7.0 控制系统应用与实例[M]. 北京.

机械工业出版社.2006.

I

附 录 ： 控 制 程 序

XDEF Entry ABSENTRY Entry INCLUDE 'PWM.inc' INCLUDE 'ECT.inc' INCLUDE 'PORT.inc' INCLUDE 'ATD.inc'

ROMStart EQU $4000INTCR EQU $001EF_FINISH EQU $2000TCNT EQU $0044C_LINE EQU $2002C_POINT EQU $2003P_SAVE EQU $2004P_LINE EQU $2006P_LINE2 EQU $2008P_ROW EQU $200AP_POSITION EQU $200CP_YOU EQU $200EP_YOU1 EQU $2010P_COMPARE0 EQU $2012COUNT10 EQU $2014TEM EQU $2016P_LINE1 EQU $2018LEFT_S EQU $201ARIGHT_S EQU $201B ADD_NUM0 EQU $201CADD_SUM0 EQU $201ECOUNT_L EQU $2020AVERAGE EQU $2021TEM0 EQU $2023ERROR EQU $2025TCNT0 EQU $2027

I

TCNT1 EQU $2029COMPARE0 EQU $202BCOMPARE EQU $202CRIGHT1 EQU $202DLEFT1 EQU $202EM EQU $202FM0 EQU $2030LINE_CHA EQU $2031POINT_CHA EQU $2032SUDU01 EQU $2034SUDU02 EQU $2035SUDU03 EQU $2036LIANXU_ERROR EQU $2037MIN EQU $2038MAX EQU $2039E_HIGH EQU $203AP_POINTL EQU $203CP_POINTR EQU $203DADD_SUM EQU $203EADD_NUM EQU $2040C_MIN EQU $2042C_MAX EQU $2043TEM10 EQU $2044FIRST EQU $2046LAST EQU $2047FIRST_LINE EQU $2048LAST_LINE EQU $2049RESULT0 EQU $204ARESULT1 EQU $204CRESULT2 EQU $204ERESULT3 EQU $2050RESULT4 EQU $2052RESULT5 EQU $2054DD EQU $2056DD1 EQU $2057LINE_LINE_MAX EQU $2058LIANXU EQU $2059GAOSU EQU $205ADDD EQU $205BRESULT6 EQU $205D

RESULT7 EQU $205FSTIME_COUNT EQU $2061STIME_COUNT0 EQU $2063FLOW EQU $2065FIRST0 EQU $2066PERIOD1 EQU $2068 PERIOD2 EQU $206APERIOD EQU $206CZHUANJIAO EQU $206ESUDU EQU $2070ZHI_XIAN EQU $2072WAN_XIAN EQU $2074ORG $2080CRRNT_INS RMB 2 FUZ_INS RMB $0A FUZ_OUTS RMB 7 COG_OUT RMB 1 CRRNT_INS1 RMB 2 FUZ_INS1 RMB $0A FUZ_OUTS1 RMB 7 COG_OUT1 RMB 1

ORG $B600 INPUT_MFS EQU *FCB $0001,$001A,$00ff,$000E FCB $000E,$002B,$000E,$000EFCB $001F,$003C,$000E,$000EFCB $0030,$004D,$000E,$000E FCB $0041,$005C,$000E,$00ff FCB $0001,$0032,$00ff,$0006 FCB $0019,$0055,$0006,$0006FCB $003C,$0078,$0006,$0006 FCB $005F,$009B,$0006,$0006FCB $0082,$00b4,$0006,$00ff

SGLTN_POS EQU * FCB 60,90,120,130,140,165,210 INPUT_MFS1 FCB $0001,$0032,$00ff,$0006 FCB $0019,$0055,$0006,$0006 FCB $003C,$0078,$0006,$0006 FCB $005F,$009B,$0006,$0006

III

FCB $0082,$00b4,$0006,$00ff FCB $0001,$0008,$00ff,$003f FCB $0004,$000e,$003f,$003f FCB $000a,$0014,$003f,$003f FCB $0010,$001a,$003f,$003f FCB $0016,$001F,$003f,$00ffSGLTN_POS1 EQU * FCB 01,40,70,90,110,140,178 RULE EQU * FDB FUZ_INS+$0003,FUZ_INS+$0005,$FFFE,FUZ_INS+$000c,$FFFF FDB FUZ_INS+$0003,FUZ_INS+$0006,$FFFE,FUZ_INS+$000d,$FFFF FDB FUZ_INS+$0003,FUZ_INS+$0007,$FFFE,FUZ_INS+$000e,$FFFF FDB FUZ_INS+$0003,FUZ_INS+$0008,$FFFE,FUZ_INS+$000f,$FFFF FDB FUZ_INS+$0003,FUZ_INS+$0009,$FFFE,FUZ_INS+$0010,$FFFF FDB FUZ_INS+$0004,FUZ_INS+$0005,$FFFE,FUZ_INS+$000d,$FFFF FDB FUZ_INS+$0004,FUZ_INS+$0006,$FFFE,FUZ_INS+$000e,$FFFF FDB FUZ_INS+$0004,FUZ_INS+$0007,$FFFE,FUZ_INS+$000f,$FFFF FDB FUZ_INS+$0004,FUZ_INS+$0008,$FFFE,FUZ_INS+$0010,$FFFF FDB FUZ_INS+$0004,FUZ_INS+$0009,$FFFE,FUZ_INS+$0010,$FFFF

FDBFUZ_INS+$0002,FUZ_INS+$0005,$FFFE,FUZ_INS+$000b,$FFFF FDB FUZ_INS+$0002,FUZ_INS+$0006,$FFFE,FUZ_INS+$000c,$FFFF FDB FUZ_INS+$0002,FUZ_INS+$0007,$FFFE,FUZ_INS+$000d,$FFFF FDB FUZ_INS+$0002,FUZ_INS+$0008,$FFFE,FUZ_INS+$000e,$FFFF FDB FUZ_INS+$0002,FUZ_INS+$0009,$FFFE,FUZ_INS+$000f,$FFFF FDB FUZ_INS+$0001,FUZ_INS+$0005,$FFFE,FUZ_INS+$000a,$FFFF FDB FUZ_INS+$0001,FUZ_INS+$0006,$FFFE,FUZ_INS+$000b,$FFFF FDB FUZ_INS+$0001,FUZ_INS+$0007,$FFFE,FUZ_INS+$000c,$FFFF FDB FUZ_INS+$0001,FUZ_INS+$0008,$FFFE,FUZ_INS+$000d,$FFFF FDB FUZ_INS+$0001,FUZ_INS+$0009,$FFFE,FUZ_INS+$000e,$FFFF FDB FUZ_INS+$0000,FUZ_INS+$0005,$FFFE,FUZ_INS+$000a,$FFFF FDB FUZ_INS+$0000,FUZ_INS+$0006,$FFFE,FUZ_INS+$000a,$FFFF FDB FUZ_INS+$0000,FUZ_INS+$0007,$FFFE,FUZ_INS+$000b,$FFFF FDB FUZ_INS+$0000,FUZ_INS+$0008,$FFFE,FUZ_INS+$000c,$FFFF FDB FUZ_INS+$0000,FUZ_INS+$0009,$FFFE,FUZ_INS+$000d,$FFFF

RULE1 EQU * FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$0010,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000F,$FFFF

FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0003,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$0010,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$0010,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000F,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0004,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000E,$FFFF

FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0002,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000D,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$000A,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000B,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0001,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0005,$FFFE,FUZ_INS1+$000A,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0006,$FFFE,FUZ_INS1+$000A,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0007,$FFFE,FUZ_INS1+$000B,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0008,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF FDB FUZ_INS1+$0000,FUZ_INS1+$0009,$FFFE,FUZ_INS1+$000C,$FFFF WEIGHT EQU * FCB $FF,$FF,$FF,$FF,$FF ORG ROMStartEntry LDAA #$40 STAA PWMCTL LDAA #$33 STAA PWMPRCLK LDAA #$00 STAA PWMCLK LDAA #$FF STAA PWMPOL

LDAA #$64 STAA PWMPER0 LDAA #$64

V

STAA PWMPER1 LDAA #$00 STAA PWMDTY0 LDAA #$00 STAA PWMDTY1 LDAA #$EA STAA PWMPER4 LDAA #$60 STAA PWMPER5 LDAA #$11 STAA PWMDTY4 LDAA #$94 STAA PWMDTY5 LDAA #$33 STAA PWME LDAA #$0F STAA TIOS LDAA #$00 STAA TIE LDAA #$03 STAA TSCR2 LDAA #$40

STAA TCTL3 LDAA #$81 STAA TSCR1 LDAA #$00 STAA ATD0CTL2 LDAA #$08 STAA ATD0CTL3 LDAA #$80 STAA ATD0CTL4 LDAA #$00 STAA ATD0DIEN LDAA #$00 STAA ATD1CTL2 LDAA #$08 STAA ATD1CTL3 LDAA #$80 STAA ATD1CTL4 LDAA #$00

STAA ATD1DIEN LDAA #$00 STAA DDRH LDAA #$00 STAA DDRB LDAA #$FF STAA DDRK LDAA #$08 STAA PORTK LDAA #$00 STAA INTCR LDAA #$00 STAA M0 LDAA #$2D STAA DD LDD #$1173 STD RESULT0 LDD #$10D0 STD RESULT6 LDD #$1200 STD RESULT7 LDAA PORTB STAA LIANXU CMPA #$FE BEQ SUDU1 CMPA #$F7 BEQ SUDU2 CMPA #$F6 BEQ SUDU3 BRA SUDU0SUDU0 LDAA #$40 STAA GAOSU LDD #$14A0 STD ZHI_XIAN LDD #$16A0 STD WAN_XIAN LDAA #$42 STAA SUDU01 LDAA #$41 STAA SUDU02

VII

LDAA #$41 STAA SUDU03 LBRA AGAINSUDU1 LDAA #$41 STAA GAOSU LDD #$1400 STD ZHI_XIAN LDD #$1630 STD WAN_XIAN LDAA #$42 STAA SUDU01 LDAA #$41 STAA SUDU02 LDAA #$41 STAA SUDU03 BRA AGAIN SUDU2 LDAA #$42 STAA GAOSU LDD #$1350 STD ZHI_XIAN LDD #$16A0 STD WAN_XIAN LDAA #$42 STAA SUDU01 LDAA #$42 STAA SUDU02 LDAA #$41 STAA SUDU03 BRA AGAINSUDU3 LDAA #$42 STAA GAOSU LDD #$12A0 STD ZHI_XIAN LDD #$16A0 STD WAN_XIAN LDAA #$42 STAA SUDU01 LDAA #$42 STAA SUDU02 LDAA #$41

STAA SUDU03 BRA AGAINAGAIN WF_F LDAA PORTH ANDA #$02 CMPA #$02 BEQ WF_F CLI LDAA #$00 STAA C_LINE STAA F_FINISH LDD #$2100 STD P_SAVE LDD TCNT ADDD #$0EE0 STD TC0 LDAA #$FF STAA TFLG1 LDAA #$01 STAA TIE WF_FINISH LDAA F_FINISH CMPA #$01 BNE WF_FINISH SEI

LDD #$2C3F STD P_LINE STD P_ROW LDD #$3159 STD P_YOU1 LDD #$2E00 STD P_POSITION LDD #$3100 STD P_LINE1 LDX P_LINE1NEXT_POINT0 LDY P_LINE LDAA Y STAA X INX LDD P_LINE SUBD #$0020

IX

STD P_LINE CPD #$2100 BHI NEXT_POINT0NEXT_LINE0 LDD P_ROW SUBD #$0001 STD P_ROW STD P_LINE CPD #$2C21 BHI NEXT_POINT0 LDX #$3268 LDAA X STAA C_MIN STAA C_MAXJUX INX LDAA X CMPA C_MIN BHI MAX1 STAA C_MINMAX1 CMPA C_MAX BLO MIN1 STAA C_MAXMIN1 CPX #$3B32 BGT FINISH2 BRA JUX FINISH2 LDAA #$00 LDAB C_MIN STD TEM10 LDAA #$00 LDAB C_MAX ADDD TEM10 LDX #$0002 IDIV TFR X,D SUBD #$0010 STAB COMPARE

LDD #$3100 STD P_LINE2 LDAA #$05 STAA P_POINTL LDAA #$55

STAA P_POINTR NEXT_LINE LDX P_LINE2 LDAB P_POINTR ABX STX E_HIGH LDX P_LINE2 LDAB P_POINTL ABXNEXT_POINT LDAA X CMPA COMPARE LBHI N_BLACK1 TFR X,D SUBD P_LINE2 STAB LEFT_S N_WHITE INX CPX E_HIGH BGT LINE_FULL LDAA X CMPA COMPARE BLO N_WHITEN_WHITE1 TFR X,D SUBD P_LINE2 STAB RIGHT_S LDX E_HIGHRIGHT LDAA X CMPA COMPARE BHI N_BLACK2 TFR X,D SUBD P_LINE2 CMPB RIGHT_S LBLO HUANFINISH_0 SUBB RIGHT_S CMPB #$0A LBGT LINE_ERRORLINE_FULL TFR X,D SUBD P_LINE2 STAB RIGHT_S ADDB LEFT_S LSRB LDY P_POSITION

XI

STAB Y CMPB #$10 BLS L_OVERFLOW CMPB #$49 BGE R_OVERFLOW SUBB #$10 STAB P_POINTL ADDB #$20 STAB P_POINTR BRA INC_LINEL_OVERFLOW TBA ADDA #$10

STAA P_POINTR LDAA #$01 STAA P_POINTL BRA INC_LINER_OVERFLOW TBA SUBA #$10 STAA P_POINTL LDAA #$58 STAA P_POINTR BRA INC_LINE INC_LINE LDD P_LINE2 ADDD #$005A STD P_LINE2 CPD #$3B32 BHI FIND_FINISH LDX P_POSITION INX STX P_POSITION LBRA NEXT_LINEN_BLACK1 INX CPX E_HIGH BGT LINE_ERROR LBRA NEXT_POINT N_BLACK2 DEX CPX P_LINE2 BLT LINE_ERROR LBRA RIGHT LINE_ERROR LDAA #$FF

LDY P_POSITION STAA Y

BRA INC_LINE HUAN STAB TEM LDAB RIGHT_S LDAA TEM STAA RIGHT_S LBRA FINISH_0 FIND_FINISH SS LDX #$2E00 LDAA #$00 STAA ERRORAGAIN00 LDAB X CPX #$2E1E LBEQ H INX CMPB #$FF BNE AGAIN00 INC ERROR BRA AGAIN00H LDAA ERROR CMPA #$18 LBHI FIGURE_ERROR LDAA #$1E STAA LAST_LINE LDX #$2E1DCHA0 LDAA X CMPA #$FF BEQ AGAIN002

STAA LAST LDAA #$01 STAA FIRST_LINE LDX #$2DFFCHA1 INX LDAA X CMPA #$FF BEQ AGAIN000 STAA MIN STAA MAX STAA FIRST

XIII

CHA2 INX LDAA X CMPA #$FF BEQ AGAIN001 CMPA MAX BLT MIN0 STAA MAXMIN0 CMPA MIN BGT MAX0 STAA MINMAX0 CPX #$2E1D BGT FINISH1 BRA CHA2 AGAIN000 INC FIRST_LINE CPX #$2E1D LBEQ AGAIN BRA CHA1 AGAIN001 CPX #$2E1D BEQ FINISH1 BRA CHA2AGAIN002 DEC LAST_LINE DEX CPX #$2E00 LBLT AGAIN BRA CHA0FINISH1 LDAA LAST LDAB FIRST SBA STAA POINT_CHA LDAA POINT_CHA ADDA #$5A STAA POINT_CHA LDAA LAST_LINE LDAB FIRST_LINE SBA STAA LINE_CHA LDAA POINT_CHA

ADDA #$01 STAA CRRNT_INS1 LDAA LINE_CHA

ADDA #$01 STAA CRRNT_INS1+1FUZZIFY1: LDX #INPUT_MFS1 LDY #FUZ_INS1 LDAA CRRNT_INS1 LDAB #5GRAD_LOOP1: MEM DBNE B,GRAD_LOOP1 LDAA CRRNT_INS1+1 LDAB #5GRAD_LP1: MEM DBNE B,GRAD_LP1 LDAB #07RULE_EVAL1: CLR 1,Y+ DBNE B,RULE_EVAL1 LDX #RULE1 LDY #WEIGHT LDAB #25EVALUE1: LDAA #$FF REVW DBNE B,EVALUE1DEFUZ1: LDX #SGLTN_POS1 LDY #FUZ_OUTS1 LDAB #07 WAV EDIV TFR Y,D STAB COG_OUT1

LDAA LASTADDA #$01

STAA CRRNT_INS LDAA COG_OUT1 ADDA #$01 STAA CRRNT_INS+1 FUZZIFY: LDX #INPUT_MFS LDY #FUZ_INS LDAA CRRNT_INS LDAB #5GRAD_LOOP: MEM DBNE B,GRAD_LOOP

XV

LDAA CRRNT_INS+1 LDAB #5GRAD_LP: MEM DBNE B,GRAD_LP LDAB #07RULE_EVAL: CLR 1,Y+ DBNE B,RULE_EVAL LDX #RULE LDY #WEIGHT LDAB #25EVALUE: LDAA #$FF REVW DBNE B,EVALUEDEFUZ: LDX #SGLTN_POS LDY #FUZ_OUTS LDAB #07 WAV EDIV TFR Y,D STAB COG_OUT LDAA #$0A LDAB COG_OUT MUL ADDD #$0C26 STD RESULT1 CPD RESULT6 BLT XIAO CPD RESULT7

BGT DAZHUAN LDD RESULT1 CPD #$14A0 BGT GUO CPD #$0E00 BLT GAO STAA PWMDTY4

STAB PWMDTY5 STD RESULT0

LBRA MOTORGUO LDD #$14A0 STAA PWMDTY4

STAB PWMDTY5 STD RESULT0 LBRA MOTORGAO LDD #$0E03 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 STD RESULT0 LBRA MOTOR XIAO LDD RESULT0 CPD RESULT7 BGT S BRA ZHUAN DA LDD RESULT0 CPD RESULT6 BLT S BRA ZHUAN S LDD RESULT0 ADDD RESULT1 LDX #$0002 IDIV TFR X,D CPD #$14AF BGT GUO0 CPD #$0E00 BLO GAI0 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 STD RESULT0 STD RESULT4 JMP MOTOR GUO0 LDD #$14AF STD RESULT0 STD RESULT4 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 BRA MOTORGAI0 LDD #$0E00 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 STD RESULT0

XVII

STD RESULT4 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 BRA MOTOR FIGURE_ERROR LDAA #$AA STAA PORTB LDAA #$41 STAA PWMDTY0 LDAA #$00 STAA PWMDTY1 LDD RESULT0 CPD #$1194 BHI FIGURE_ERROR1 LDD RESULT0 SUBD #$0064 CPD #$0E00 BLO GAI1 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 STD RESULT0 LDAA #$2D STAA DD JMP AGAINGAI1 LDD #$0E00 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 STD RESULT0 LDAA #$2D STAA DD JMP AGAINFIGURE_ERROR1 LDD RESULT0 ADDD #$0064 CPD #$14AF BHI GUO1 STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 STD RESULT0 LDAA #$2D STAA DD JMP AGAIN

GUO1 LDD #$14AF STAA PWMDTY4 STAB PWMDTY5 STD RESULT0 LDAA #$2D STAA DD JMP AGAIN MOTOR LDAA COG_OUT1 CMPA #$51 LBLT B1 CMPA #$64 LBGT B1 BRA B0B0 INC M0 LDD #$0000 STD STIME_COUNT STD STIME_COUNT0 LDAA #$80

STAA TFLG1 CE0 LDAA TFLG1

ANDA #$80 CMPA #$80 BEQ CAMPURE0 LDD STIME_COUNT0 ADDD #$0001 STD STIME_COUNT0 LDD STIME_COUNT0 CPD ZHI_XIAN BNE CE0 BRA MAN

CAMPURE0 LDD TC7 STD FIRST0

LDAA #$80STAA TFLG1

CE LDAA TFLG1ANDA #$80CMPA #$80BEQ KUAILDD STIME_COUNTADDD #$0001

XIX

STD STIME_COUNTLDD STIME_COUNTCPD ZHI_XIANBNE CEBRA MAN

MAN LDAA #$00 STAA SUDU BRA XIELVKUAI LDAA #$01 STAA SUDU

BRA XIELVXIELV LDAA SUDU CMPA #$01 BEQ CHULI LDAA GAOSU STAA PWMDTY0 LDAA #$00 STAA PWMDTY1 LBRA ANGLE00CHULI LDAA #$00 STAA PWMDTY0 LDAA #$00 STAA PWMDTY1 CALL STIME LDAA #$00 STAA M0 LBRA ANGLE00B1 LDAA M0 CMPA #$03 BLT BU

BRA XIANBU LDAA SUDU02 STAA PWMDTY0 LDAA #$00 STAA PWMDTY1 LDAA #$00 STAA M0 LBRA ANGLE00XIAN LDD #$0000 STD STIME_COUNT

STD STIME_COUNT0 LDAA #$80

STAA TFLG1 CE01 LDAA TFLG1

ANDA #$80 CMPA #$80 BEQ CAMPURE00 LDD STIME_COUNT0 ADDD #$0001 STD STIME_COUNT0 LDD STIME_COUNT0 CPD WAN_XIAN BNE CE01 LBRA MAN

CAMPURE00 LDAA #$80STAA TFLG1

CE00 LDAA TFLG1ANDA #$80CMPA #$80BEQ KUAI0LDD STIME_COUNTADDD #$0001STD STIME_COUNTLDD STIME_COUNTCPD WAN_XIANBNE CE00BRA MAN0

MAN0 LDAA #$00 STAA SUDU BRA XIELV0KUAI0 LDAA #$01 STAA SUDU

BRA XIELV0XIELV0 LDAA #$00 STAA M0 LDAA SUDU03 STAA PWMDTY0 LDAA #$00 STAA PWMDTY1 LDAA #$F0

XXI

STAA PORTB LDAA SUDU CMPA #$01 BNE ANGLE00 BEQ CHULI0 BRA ANGLE00 CHULI0 LDAA #$00 STAA PWMDTY0 LDAA #$64 STAA PWMDTY1 CALL STIME0 LDAA SUDU01 STAA PWMDTY0 LDAA #$00 STAA PWMDTY1

LDAA #$F0 STAA PORTB LDAA #$00 STAA M0 BRA ANGLE00 ANGLE00 JMP AGAINSTIME LDX #$12FFAGAIN5 LDY #$008F DBNE Y,* DBNE X,AGAIN5 RTC STIME0 LDX #$12FFAGAIN7 LDY #$008F DBNE Y,* DBNE X,AGAIN7 RTC STIME1 LDX #$12FFAGAIN6 LDY #$001F DBNE Y,* DBNE X,AGAIN6 RTC TC0INT LDAA #$00 STAA TIE LDAA #$40 STAA INTCR

RTITC1INT LDAA #$00 STAA TIE LDX P_SAVETC1INT_B1 LDAA #$C0 STAA ATD0CTL2 LDAA #$80 STAA ATD0CTL5

NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOP LDAA #$C0

STAA ATD1CTL2 LDAA #$80 STAA ATD1CTL5 TC1INT_B2 LDAA ATD0STAT1 ANDA #$01 CMPA #$01 BNE TC1INT_B2 LDAA ATD0DR0L STAA X INXTC1INT_B3 LDAA ATD1STAT1 ANDA #$01 CMPA #$01 BNE TC1INT_B3 LDAA ATD1DR0L STAA X INX INC C_POINT LDAA C_POINT

XXIII

CMPA #$10 BNE TC1INT_B1 LDD P_SAVE ADDD #$0020 STD P_SAVE LDD TCNT ADDD #$0178 STD TC2 LDAA #$FF STAA TFLG1 LDAA #$04 STAA TIE RTITC2INT LDAA #$00 STAA TIE LDAA #$40 STAA INTCR RTI INTV LDAA #$00 STAA INTCR INC C_LINE LDAA C_LINE CMPA #$5B BEQ INTV_B1 LDAA #$00 STAA C_POINT LDD TCNT ADDD #$001D STD TC1 LDAA #$FF STAA TFLG1 LDAA #$02 STAA TIE JMP INTV_B2INTV_B1 LDAA #$01 STAA F_FINISHINTV_B2 RTI ORG $EFEA FDB TC2INT ORG $EFEC

FDB TC1INT ORG $EFEE FDB TC0INT ORG $EFF2 FDB INTV ORG $EFFE FDB Entry

XXV