智能車參賽設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告（節(jié)選）

李　嵩　孫文靜　瞿佳璐

摘要：車模的圖像是車模穩(wěn)定性的關(guān)鍵，機(jī)械部分是速度的關(guān)鍵，優(yōu)良的輔助調(diào)試系統(tǒng)是高效率調(diào)試的前提，而其它的控制、驅(qū)動(dòng)、決策等部分在以上部分良好的前提下，則顯得相對(duì)次要本次車模的制作目標(biāo)應(yīng)著重提升機(jī)械性能，并提高圖像質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能車；攝像頭；偏振鏡；圖像采集

車模的機(jī)械部分是影響其行駛性能最直接的部分，其重要性不言而喻。一個(gè)不良的機(jī)械系統(tǒng)會(huì)增加控制的難度。會(huì)為車模的速度提升帶來障礙。因此，車模的機(jī)械性能應(yīng)該是優(yōu)先考慮的問題。

攝像頭的安裝

大量事實(shí)證明，重心越低越好。為降低重心，并同時(shí)保證圖像視野寬度，最好的方法就是使用旋轉(zhuǎn)攝像頭。在08年的第三屆比賽中，攝像頭一舵角連動(dòng)機(jī)構(gòu)在Racerx的車上取得了出人意料的成效，但也暴露出了一些機(jī)構(gòu)固有的問題，其中包括：機(jī)構(gòu)虛位導(dǎo)致攝像頭定位不準(zhǔn)，攝像頭在中位附件容易振蕩。因此需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改良。改良方法如下。

(1)增加自動(dòng)回正機(jī)構(gòu)，給旋轉(zhuǎn)攝像頭提供自動(dòng)回正力矩、以減小機(jī)構(gòu)虛位。

(2)給旋轉(zhuǎn)攝像頭機(jī)構(gòu)調(diào)靜平衡，減少車模在過彎過程中離心力對(duì)攝像頭的影響。

(3)用滑槽代替原本中間的連桿球頭，為旋轉(zhuǎn)攝像頭在中位附近制造一段死區(qū)，使車模在打小角度舵角時(shí)，攝像頭不轉(zhuǎn)，從而增加車模在直線和小s彎中的穩(wěn)定性。

改良的機(jī)構(gòu)三維圖如圖2所示。

綜上所述，這是一個(gè)帶有死區(qū)及自動(dòng)回正機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)攝像頭機(jī)構(gòu)。此外，在控制方面，可以設(shè)法檢測(cè)出攝像頭旋轉(zhuǎn)的角度，并將其反饋在控制算法里。檢測(cè)攝像頭角度的方法大致有以下兩種：

(1)在車頭劃線做標(biāo)記，用攝像頭檢測(cè)車頭標(biāo)記，來判斷自己所轉(zhuǎn)的角度。

(2)由于舵機(jī)s3010是模擬舵機(jī)，其中是用電位器來反饋舵角的，因此可以將此電位器的信號(hào)飛線引出來，用單片機(jī)內(nèi)部AD進(jìn)行采集。

偏振鏡的使用

由于追求更好的機(jī)械性能，我們把攝像頭降低，達(dá)到降低重心的目的。但是由此帶來了反面的影響，那就是圖像的形變以及受到跑道面反光的影響。跑道上的黑線由于反光原因，攝像頭檢測(cè)的數(shù)據(jù)丟失黑線。為了解決反光導(dǎo)致檢測(cè)不到黑線的問題，我們利用了偏振鏡。偏振鏡的作用其實(shí)是過濾掉某個(gè)角度的偏振光，實(shí)現(xiàn)檢偏的作用。當(dāng)自然光經(jīng)過跑道面以后，會(huì)產(chǎn)生偏振光，這反射的偏振光會(huì)影響到圖像的采集。通過在攝像頭前面安裝偏振鏡片，并且調(diào)整偏振鏡片的檢偏角度，可以得到幾乎無反光影響的圖像。如圖3所示。

不過，使用偏振鏡也會(huì)帶來問題。雖然偏振鏡能把跑道的偏振光過濾掉，但同時(shí)把環(huán)境的自然光強(qiáng)度降為原來光強(qiáng)的二分之一，也就是說通過偏振鏡之后光線變暗了。在光線強(qiáng)度較大的時(shí)候不會(huì)有太大影響、但是如果環(huán)境光比較弱的時(shí)候，加了偏振鏡會(huì)使攝像頭感應(yīng)的光線更弱。而大多數(shù)攝像頭具有自動(dòng)曝光功能，在光線昏暗時(shí)，攝像頭會(huì)自動(dòng)增加曝光時(shí)間，導(dǎo)致圖像更容易模糊。因此，使用偏振鏡要合理權(quán)衡利與弊才能發(fā)揮偏振鏡的作用。

圖像采集模塊

清晰穩(wěn)定的圖像是一切的基礎(chǔ)，因此今年我們?cè)跀z像頭選擇和多種采集方案的測(cè)試上花了很多功夫。

攝像頭選擇

由于CMOS攝像頭重量輕、功耗低，因此依然十分有吸引力，所以我們對(duì)CMOS與cCD再次進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試用的CMOS攝像頭為康美迪亞的1／3 CMOS，圖4為CMOS攝像頭與CCD攝像頭的原始圖像，可以看到CMOS圖像中的噪點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于CCD的圖像。并且CMOS攝像頭在拍攝運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)容易發(fā)生模糊。

動(dòng)態(tài)圖像模糊主要是在光線較暗的環(huán)境下，為了保持圖像亮度，攝像頭自動(dòng)將曝光時(shí)間增大所致。要徹底避免圖像模糊情況的出現(xiàn)，就要手動(dòng)設(shè)置攝像頭曝光時(shí)間，于是我們又測(cè)試了1／3數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620、通過SCCB將攝像頭設(shè)置到手動(dòng)模式，手動(dòng)修改其曝光時(shí)間。

圖像采集方案

今年我們測(cè)試了很多種采集方案，首先由于更換了主頻更高的s12XS128，我們對(duì)其內(nèi)部AD又進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果很失望，盡管主頻增高。最高精度從10bit增加到了12bit，但是AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間并沒有多少改善，88MHz主頻下行像素在80左右。之后我們又測(cè)試了外部二值化采集、數(shù)字?jǐn)z像頭采集、外部AD加LM1881采集、視頻解碼芯片采集。其中視頻解碼芯片圖像質(zhì)量最好，并且有圖像預(yù)處理電路，但由于實(shí)驗(yàn)電路還在測(cè)試階段，本次比賽并沒有啟用，仍然延用了去年的外部AD采集方案。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫塊

去年我們使用S14430，模仿電子調(diào)速器制作了驅(qū)動(dòng)電路，取得了不錯(cuò)的效果，但是對(duì)于能耗剎車的剎車能力始終存在爭(zhēng)議，因此我們對(duì)能耗剎車和反壓剎車做了對(duì)比測(cè)試。

參考第三屆上海交大SpeedStar隊(duì)的技術(shù)報(bào)告，我們使用BTS7970制作了驅(qū)動(dòng)電路，其原理如下。該電路有一路PWM輸入，兩根I／O線作為模式選擇線，可以有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、能耗剎車三種工作模式。

我們使用“白騎士”模型車的驅(qū)動(dòng)電路與上述電路(圖5)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，圖6是車模的速度曲線，其中淺色的線為給定速度，深色的線為實(shí)際速度，縱坐標(biāo)單位為mm／s，橫坐標(biāo)單位為幀(即40ms)。

比較以上速度曲線，兩種驅(qū)動(dòng)在加速能力上相差不大，而反壓剎車的減速能力遠(yuǎn)高于能耗剎車。因此，可以得出結(jié)論，對(duì)于比賽所提供的380電機(jī)而言，10mΩ左右內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)足以滿足要求，反壓剎車的效果是遠(yuǎn)好于能耗剎車的，而用BTS7970制作驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)簡(jiǎn)單易行方案。

SD卡

SD卡宴時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)是我們?nèi)ツ曷氏忍岢龊褪褂玫妮o助調(diào)試手段，極大地提高了調(diào)試效率，今年我們繼續(xù)延用并對(duì)sD卡存儲(chǔ)的速度和穩(wěn)定性做了改進(jìn)。去年我們使用的MC9S12DG128，在設(shè)計(jì)之初主要考慮到SD卡為3.3V系統(tǒng)，而單片機(jī)為SV系統(tǒng)，之間需要邏輯電平轉(zhuǎn)換，為此我們?cè)谠O(shè)計(jì)SD卡電路時(shí)在單片機(jī)輸入端加了三極管放大。今年我們使用的MC9S12XSl28可以支持3.135V到5.5V的寬電壓供電，我們使用3，3V供電就可以實(shí)現(xiàn)與SD卡接口的直連，這樣可以提高讀寫SD卡的穩(wěn)定性。

點(diǎn)評(píng)：該隊(duì)在攝像頭中的偏振鏡的使用及圖像采集模塊、SD卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等部分比較有特色。設(shè)計(jì)充分利用組委會(huì)提供的硬件，在一定程度上發(fā)揮了飛思卡爾產(chǎn)品在處理能力上的優(yōu)勢(shì)，并通過幾屆大賽經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有效提升了賽車的性能。指導(dǎo)教師：陳萬米，蔡慶楠