智能车参赛设计技术报告（节选）

李　嵩　孙文静　瞿佳璐

摘要：车模的图像是车模稳定性的关键，机械部分是速度的关键，优良的辅助调试系统是高效率调试的前提，而其它的控制、驱动、决策等部分在以上部分良好的前提下，则显得相对次要本次车模的制作目标应着重提升机械性能，并提高图像质量。

关键词：智能车；摄像头；偏振镜；图像采集

车模的机械部分是影响其行驶性能最直接的部分，其重要性不言而喻。一个不良的机械系统会增加控制的难度。会为车模的速度提升带来障碍。因此，车模的机械性能应该是优先考虑的问题。

摄像头的安装

大量事实证明，重心越低越好。为降低重心，并同时保证图像视野宽度，最好的方法就是使用旋转摄像头。在08年的第三届比赛中，摄像头一舵角连动机构在Racerx的车上取得了出人意料的成效，但也暴露出了一些机构固有的问题，其中包括：机构虚位导致摄像头定位不准，摄像头在中位附件容易振荡。因此需要对机构进行改良。改良方法如下。

(1)增加自动回正机构，给旋转摄像头提供自动回正力矩、以减小机构虚位。

(2)给旋转摄像头机构调静平衡，减少车模在过弯过程中离心力对摄像头的影响。

(3)用滑槽代替原本中间的连杆球头，为旋转摄像头在中位附近制造一段死区，使车模在打小角度舵角时，摄像头不转，从而增加车模在直线和小s弯中的稳定性。

改良的机构三维图如图2所示。

综上所述，这是一个带有死区及自动回正机构的旋转摄像头机构。此外，在控制方面，可以设法检测出摄像头旋转的角度，并将其反馈在控制算法里。检测摄像头角度的方法大致有以下两种：

(1)在车头划线做标记，用摄像头检测车头标记，来判断自己所转的角度。

(2)由于舵机s3010是模拟舵机，其中是用电位器来反馈舵角的，因此可以将此电位器的信号飞线引出来，用单片机内部AD进行采集。

偏振镜的使用

由于追求更好的机械性能，我们把摄像头降低，达到降低重心的目的。但是由此带来了反面的影响，那就是图像的形变以及受到跑道面反光的影响。跑道上的黑线由于反光原因，摄像头检测的数据丢失黑线。为了解决反光导致检测不到黑线的问题，我们利用了偏振镜。偏振镜的作用其实是过滤掉某个角度的偏振光，实现检偏的作用。当自然光经过跑道面以后，会产生偏振光，这反射的偏振光会影响到图像的采集。通过在摄像头前面安装偏振镜片，并且调整偏振镜片的检偏角度，可以得到几乎无反光影响的图像。如图3所示。

不过，使用偏振镜也会带来问题。虽然偏振镜能把跑道的偏振光过滤掉，但同时把环境的自然光强度降为原来光强的二分之一，也就是说通过偏振镜之后光线变暗了。在光线强度较大的时候不会有太大影响、但是如果环境光比较弱的时候，加了偏振镜会使摄像头感应的光线更弱。而大多数摄像头具有自动曝光功能，在光线昏暗时，摄像头会自动增加曝光时间，导致图像更容易模糊。因此，使用偏振镜要合理权衡利与弊才能发挥偏振镜的作用。

图像采集模块

清晰稳定的图像是一切的基础，因此今年我们在摄像头选择和多种采集方案的测试上花了很多功夫。

摄像头选择

由于CMOS摄像头重量轻、功耗低，因此依然十分有吸引力，所以我们对CMOS与cCD再次进行对比测试，测试用的CMOS摄像头为康美迪亚的1／3 CMOS，图4为CMOS摄像头与CCD摄像头的原始图像，可以看到CMOS图像中的噪点远远多于CCD的图像。并且CMOS摄像头在拍摄运动图像时容易发生模糊。

动态图像模糊主要是在光线较暗的环境下，为了保持图像亮度，摄像头自动将曝光时间增大所致。要彻底避免图像模糊情况的出现，就要手动设置摄像头曝光时间，于是我们又测试了1／3数字摄像头OV7620、通过SCCB将摄像头设置到手动模式，手动修改其曝光时间。

图像采集方案

今年我们测试了很多种采集方案，首先由于更换了主频更高的s12XS128，我们对其内部AD又进行了测试，结果很失望，尽管主频增高。最高精度从10bit增加到了12bit，但是AD的转换时间并没有多少改善，88MHz主频下行像素在80左右。之后我们又测试了外部二值化采集、数字摄像头采集、外部AD加LM1881采集、视频解码芯片采集。其中视频解码芯片图像质量最好，并且有图像预处理电路，但由于实验电路还在测试阶段，本次比赛并没有启用，仍然延用了去年的外部AD采集方案。

电机驱动横块

去年我们使用S14430，模仿电子调速器制作了驱动电路，取得了不错的效果，但是对于能耗刹车的刹车能力始终存在争议，因此我们对能耗刹车和反压刹车做了对比测试。

参考第三届上海交大SpeedStar队的技术报告，我们使用BTS7970制作了驱动电路，其原理如下。该电路有一路PWM输入，两根I／O线作为模式选择线，可以有正转、反转、能耗刹车三种工作模式。

我们使用“白骑士”模型车的驱动电路与上述电路(图5)进行对比测试，图6是车模的速度曲线，其中浅色的线为给定速度，深色的线为实际速度，纵坐标单位为mm／s，横坐标单位为帧(即40ms)。

比较以上速度曲线，两种驱动在加速能力上相差不大，而反压刹车的减速能力远高于能耗刹车。因此，可以得出结论，对于比赛所提供的380电机而言，10mΩ左右内阻的驱动电路已经足以满足要求，反压刹车的效果是远好于能耗刹车的，而用BTS7970制作驱动电路是一个简单易行方案。

SD卡

SD卡宴时存储系统是我们去年率先提出和使用的辅助调试手段，极大地提高了调试效率，今年我们继续延用并对sD卡存储的速度和稳定性做了改进。去年我们使用的MC9S12DG128，在设计之初主要考虑到SD卡为3.3V系统，而单片机为SV系统，之间需要逻辑电平转换，为此我们在设计SD卡电路时在单片机输入端加了三极管放大。今年我们使用的MC9S12XSl28可以支持3.135V到5.5V的宽电压供电，我们使用3，3V供电就可以实现与SD卡接口的直连，这样可以提高读写SD卡的稳定性。

点评：该队在摄像头中的偏振镜的使用及图像采集模块、SD卡、电机驱动模块等部分比较有特色。设计充分利用组委会提供的硬件，在一定程度上发挥了飞思卡尔产品在处理能力上的优势，并通过几届大赛经验总结，有效提升了赛车的性能。指导教师：陈万米，蔡庆楠