第九届智能车竞赛 光电组-北华大学-409新航客技术报告.doc

基于线性CCD检测的寻线智能车设计 Design of Intelligence Automotive Trace-keeping Based on Detection of Linear CCD 贾玉新，郭航，魏柯 （北华大学，409新航客） 摘要：本设计以“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛为背景，提出了一种根据线性CCD引导小车循迹行驶的方案。本文从硬件搭建到算法编写介绍了这一方案的设计思路与制作方法本，并根据方案实际制作了小车。实践证明该方案是可行的。 关键词：智能车；线性CCD；PID I.引言 第九届“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛根据道路检测方案不同分为电磁、光电组与摄像头平衡三个赛题组。其中电磁组主要是通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测；摄像头组主要通过采集图像信息识别路径同时保持车体直立行走；光电组主要是使用线阵 CCD 器件或者分立的光电管传感器获得一维连续或者离散点赛道信息光电传感器如红外传感器采集路径信息。本文主要介绍采用指定线性CCD对智能车进行引导，即赛道元素区分与处理。 II. 智能车硬件搭建 1、元器件的选择 主要从电源模块芯片和传感器选择入手。其中电源模块的设计采用分布隔离式管理，即不同模块之间单独供电，同时又由于各个模块所需要的电压不同，因此需要进行不同稳压芯片的选择。选择了使用输出波纹小，压差小电流足的LM2940-5V、LM2941-5.5V、LM1117-3.3、稳压芯片.其中LM2940输出电流1A 时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度-40～+125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。经试验电压纹波小，完全可以满足要求。 传感器可供选择的范围比较大，除了大赛指定的线性CCD外，还可选择红外传感器ST188、陀螺仪、加速计等；速度反馈可以选择光电编码器（例如欧姆龙）、第五轮测速等方法，我们选择100线的光电编码器。 2、电路板的设计 在充分考虑每个模块的功能，验证所需要的电路后我们自主设计如下的PCB电路图。 3、车模结构的搭建 (五轴固定法) 搭建智能车车模应当重点把握如下几个原则：轻便稳定、低重心、转向灵活。我们以线性CCD固定为例说明。线性CCD的固定采用五轴固定法如下图所示。这样固定有如下优势：五轴同时构成曾多个三角形支架，可以防止二维面上的抖动；制作材料使用5mm碳素杆，既轻便又有适合的刚性；通过五轴连接，增强了车模整体的刚性;增加CCD保护装置，有效降低碰撞对CCD安装角度和性能的影响。 4、机械参数的调整 车轮定位：在正常行驶过程中，为了使其直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并减少轮胎和转向零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间形成一定的相对安装位置。其主要定位参数包括：主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮外束。 智能车前轮是转向轮，其定位参数均可调整。 它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。但是由于存在车模加工和制造精度的问题，因此需要在实际调整中要反复操作，使其达到最好的效果。 III. 智能车算法编写 1、图像采集处理（倍率法与光线自适应） 采用线性线性CCD 作为检测跑道传感器，其内部的个光电二极管采的象素电压经AD转换后存储在一维数组里。为了从这个数组中提取出跑道的两个边界，我们进行研究后发现，常规的静态阈值法不能满足要求的，因为在光强发生变化时静态阈值法自适应能力不足，较大的光强变化会使整个算法失效。所以我们采用的动态阈值算法能够随环境的变化自适应的改变分割值，弥补了静态阈值法的不足。常用的动态阈值算法有很多，其中应用比较广的有双峰法、大津法、迭代法和倍率法。 介绍倍率法在光线自适应中的具体应用。寻找 数组中的最大值和最小值，计算平均值乘以某个参数数作为阀值。在阈值求出后可以进行二值化，数据就变成了方便单片机处理的0和1，想要找到跑道的左边缘和右边缘，只需找到二值化后的数据从0 跳到1 和从1跳到0的位置。 2、电机控制算法 PID 控制是工业过程控制中历史最悠久，生命力强的控制方式，具有直观、实现简单和鲁棒性能好等一系列的优点。主要由比例、积分、微分三部分组成PID控制框图如下图所示： 速度控制采用增量式PID控制，其中，I参数能使车模稳定在给定速度附近，P参数能使车模更快的趋近稳定，D参数可以改善控制品质，提升控制效果。 方向控制采用位置式PD调节，通过CCD采集数据，计算中心点位置，并与给定的中心点位置作比较，对其差值进行PD控制。