全自动制袋机电气工程控制设计[20200211151642]
摘要
针对基于视觉导引的智能小车自动转向控制系统的控制要求，使小车完成沿十字弯，C型弯以及S型弯道的行驶，提出了系统总体设计方案，介绍了系统工作原理和核心部件选型。首先，采用模块化设计思想完成了系统硬件电路设计，主要包括：MCU最小系统模块、电源模块、图像采集模块、电机驱动模块、转向舵机驱动模块。其次，根据软件工程设计规范，完成了系统软件架构和程序总流程图设计，详细介绍了图像信号采集程序、转向舵机控制程序、驱动电机控制程序的具体设计。另外，为了实现自动转向控制，完成了路径识别算法、弯道判别算法、自动转向控制算法的设计。最后，完成了各功能模块调试以及整车系统联调工作。实际系统测试结果表明，系统运行性能良好，满足设计要求。
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关键字:智能小车视觉导引路径识别转向控制
目录
1 绪论 1
1.1¿ÎÌâÑо¿±³¾° 1
1.2×Ô¶¯×ªÏòϵͳµÄ¹úÄÚÍâÑо¿ÏÖ×´ 1
1.2.1 ¹úÄÚÑо¿ÏÖ×´ 1
1.2.2 国外研究现状 2
1.3 ¿ÎÌâÖ÷ÒªÑо¿ÄÚÈÝ 3
2 智能小车自动转向系统总体设计方案 4
2.1 ϵͳÉè¼Æ×ÜÌå˼Ïë 4
2.2 ×Ô¶¯×ªÏòϵͳ×é³É½á¹¹ 5
2.3 ×Ô¶¯×ªÏòϵͳ¹¤×÷Ô­Àí 6
2.4 ÉãÏñÍ·Ñ¡Ðͼ°°²×° 6
2.5 CCD摄像头原理简介 8
3 智能小车自动转向系统硬件设计 9
3.1 ³µÄ£»úе½á¹¹¸ÄÔì 9
3.2 ³µÂÖµ÷У 9
3.3 Ó²¼þµç·Éè¼Æ 11
3.3.1 MCU最小系统设计 12
3.3.2 µçÔ´Ä£¿éÉè¼Æ 14
3.3.3 ͼÏñ²É¼¯µç·Éè¼Æ 16
3.3.4 µç»úÇý¶¯µç·Éè¼Æ 16
3.3.5 תÏò¶æ»úÇý¶¯µç·Éè¼Æ 17
4 智能小车自动转向系统的软件设计 18
4.1 Èí¼þ¿ª·¢Æ½Ì¨¼ò½é 18
4.2 Èí¼þ×ÜÌå¼Ü¹¹Éè¼Æ 19
4.3 ³ÌÐò×ÜÌåÁ÷³ÌͼÉè¼Æ 19
4.4 ͼÏñÐźŲɼ¯³ÌÐòÉè¼Æ 20
4.4.1 ͼÏñ²É¼¯Éè¼Æ 20
4.4.2³õʼÉèÖÃÉè¼Æ 21
4.5 תÏò¶æ»ú¿ØÖƳÌÐòÉè¼Æ 21
4.6 Çý¶¯µç»ú¿ØÖƳÌÐòÉè¼Æ 23
5 智能小车自动转向系统的算法设计 25
5.1 ·¾¶Ê¶±ðËã·¨Éè¼Æ 25
5.2 ÍäµÀʶ±ðËã·¨Éè¼Æ 26
5.3 ×Ô¶¯×ªÏò¿ØÖÆËã·¨Éè¼Æ 27
6 智能小车自动转向系统调试 29
6.1 תÏò¶æ»úµ÷ÊÔ 29
6.2 Çý¶¯µç»úµ÷ÊÔ 29
6.3 ×Ô¶¯×ªÏòϵͳÍäµÀתÏòµ÷ÊÔ 29
结语 31
参考文献 32
致谢 33
附录 34
1 绪论
1.1课题研究背景
汽车转向系统灵敏度和准确度的问题已经成为目前需要关注的问题，现在很多汽车制造上采用了动力转向系统，利用少量的体力结合发动机的动力驱动。汽车转向所需的能量大部分由发动机驱动的空气压缩机把输出机械能转化为压力能，而少部分由人体提供。汽车转向控制系统不仅需要达到工艺上准确、灵敏的要求，还应该使驾驶员对路况产生一定的“路感”。一般情况下，无论是低速转弯还是高速转弯，汽车都应该具有良好的转向控制力并且转向盘手力不宜过轻。电子控制液压动力转向系统转向盘操作力的特性一般表现为汽车低速行驶时特性曲线很窄，当车速提高，特性曲线加宽，动力效应逐渐减小，有效防止出现高速时转向盘手力太轻的情况[16]。 
综上所述，，现代汽车动力转向系统不仅要具有良好的随动性、转向灵敏度和稳定性，还应该对车速的变化做好精确的回应。显然，自动转向系统已经成为了必要的趋势。
1.2自动转向系统的国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
我国从近年来就开始了关于智能小车的自动转向控制系统的设计，经过多年的研究和大量研究人员的技术结晶造就了如今辉煌的成果，在自动转向控制系统的领域中迈进了重大的一步。 
红旗HQ3是我国自主研发的具有自动转向控制系统的智能车，经过了长达200多公里的无人驾驶操作实验奠定了我国在这项技术上的先进成就，在系统的控制上实现了技术上的突破，达到世界先进水平如图1-1所示。红旗HQ3无人车行驶共286公里，实现自主超车67次，途遇多种复杂的天气情况，实际全程平均速度可达到87公里每小时，最高时速为110公里每小时。在实际行驶中，人工干预的路段仅仅占自主驾驶全长的0.78%。这部智能小车在个靠性和轻便型上取得了重大的突破【17】。
图1-1 红旗HQ3无人车
1.2.2 国外研究现状
据外媒报道，如图1-2所示德国汽车供应商Continental AG加入了谷歌的自动化转向控制系统的研发项目中，并且在美国内华达州的道路自动驾驶上取得了许可证。但与谷歌研发的无人智能汽车的不同之处，Continental AG制造的的大众帕萨特需要一名驾驶员来协助系统自动控制，这将使小车更好进行多个驾驶场景的实验。这款大众帕萨特汽车目前经过了1万多公里的实验，结果证明这项技术使小车可以实际复杂的路况并智能地进行决策转弯【17】。
图1-2 Continental AG无人车
另外，该公司公布了未来对这个项目的展望和目标。短期目标就是减轻驾驶员的驾驶疲劳，利用智能系统代替部分人工操作，从而降低驾驶的枯燥感；长期目标就是就是使小车更加安全，效率的在公路上行驶。Continental表示， “零车祸、无堵车”使他们的最终目的。Continental在发布会上强调，目前他们已经具备了强大的后备专家力量参与研发工作，并争取在2026年实现部分自动化的目标。
1.3 课题主要研究内容
主要完成基于智能小车自动转向控制系统的设计。
（1）要掌握智能小车自动转向控制系统的总体组成结构和工作原理。
（2）要完成了MCU最小系统模块、电源模块、图像采集模块、电机驱动模块、转向舵机驱动模块的设计。
（3）使小车实现对十字弯道、C型弯道、S型弯道自动转向行驶。
（4）通过完成智能小车自动转向控制系统的调试，结果表明智能小车自动转向控制系统具有良好的性能。
2 智能小车自动转向系统总体设计方案
智能小车自动转向控制系统通过摄像头传感器实时获取赛道路况，将采集到的数据经过A/D转换、信号隔离传递给核心处理器处理，核心处理器根据阈值算法识别出黑白点，再通过已变写的程序代码进行对智能小车的驱动控制，从而进行智能车的无人驾驶。智能车的行驶需要硬件，软件以及算法的互相配合。良好的硬件系统使智能小车可以安全稳定的行驶和转向；完善的软件设计使小车能够正确的行走在道路上；精准的算法可以提高小车的速度以及行走路线的精准度。
2.1 系统设计总体思想
本设计最终要求是在既定的轨道上自动完成对十字弯、C型弯、S型弯道的行驶。MC9S12 单片机作为小车的核心“大脑”，对各种数据进行处理和运算，并进行最后的执行决策。摄像头作为小车的一双“眼睛”，实时的监控道路的状况，信号通过摄像头摄取赛道图像并以模拟信号输出到信号处理模块进行视频同步信号分离，将灰度值二值化，同时输入到9XS128 核心芯片中，进行进一步的图像处理。利用人机接口模块对智能小车的性能进行进一步的调试工作。
综上所述，智能小车可以分为四个方面构成：

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