智能車參賽設計技術報告（節選）

李　嵩　孫文靜　瞿佳璐

摘要：車模的圖像是車模穩定性的關鍵，機械部分是速度的關鍵，優良的輔助調試系統是高效率調試的前提，而其它的控制、驅動、決策等部分在以上部分良好的前提下，則顯得相對次要本次車模的制作目標應著重提升機械性能，并提高圖像質量。

關鍵詞：智能車；攝像頭；偏振鏡；圖像采集

車模的機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。一個不良的機械系統會增加控制的難度。會為車模的速度提升帶來障礙。因此，車模的機械性能應該是優先考慮的問題。

攝像頭的安裝

大量事實證明，重心越低越好。為降低重心，并同時保證圖像視野寬度，最好的方法就是使用旋轉攝像頭。在08年的第三屆比賽中，攝像頭一舵角連動機構在Racerx的車上取得了出人意料的成效，但也暴露出了一些機構固有的問題，其中包括：機構虛位導致攝像頭定位不準，攝像頭在中位附件容易振蕩。因此需要對機構進行改良。改良方法如下。

(1)增加自動回正機構，給旋轉攝像頭提供自動回正力矩、以減小機構虛位。

(2)給旋轉攝像頭機構調靜平衡，減少車模在過彎過程中離心力對攝像頭的影響。

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

改良的機構三維圖如圖2所示。

綜上所述，這是一個帶有死區及自動回正機構的旋轉攝像頭機構。此外，在控制方面，可以設法檢測出攝像頭旋轉的角度，并將其反饋在控制算法里。檢測攝像頭角度的方法大致有以下兩種：

(1)在車頭劃線做標記，用攝像頭檢測車頭標記，來判斷自己所轉的角度。

(2)由于舵機s3010是模擬舵機，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飛線引出來，用單片機內部AD進行采集。

偏振鏡的使用

由于追求更好的機械性能，我們把攝像頭降低，達到降低重心的目的。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，攝像頭檢測的數據丟失黑線。為了解決反光導致檢測不到黑線的問題，我們利用了偏振鏡。偏振鏡的作用其實是過濾掉某個角度的偏振光，實現檢偏的作用。當自然光經過跑道面以后，會產生偏振光，這反射的偏振光會影響到圖像的采集。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，使用偏振鏡也會帶來問題。雖然偏振鏡能把跑道的偏振光過濾掉，但同時把環境的自然光強度降為原來光強的二分之一，也就是說通過偏振鏡之后光線變暗了。在光線強度較大的時候不會有太大影響、但是如果環境光比較弱的時候，加了偏振鏡會使攝像頭感應的光線更弱。而大多數攝像頭具有自動曝光功能，在光線昏暗時，攝像頭會自動增加曝光時間，導致圖像更容易模糊。因此，使用偏振鏡要合理權衡利與弊才能發揮偏振鏡的作用。

圖像采集模塊

清晰穩定的圖像是一切的基礎，因此今年我們在攝像頭選擇和多種采集方案的測試上花了很多功夫。

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CMOS與cCD再次進行對比測試，測試用的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圖像中的噪點遠遠多于CCD的圖像。并且CMOS攝像頭在拍攝運動圖像時容易發生模糊。

動態圖像模糊主要是在光線較暗的環境下，為了保持圖像亮度，攝像頭自動將曝光時間增大所致。要徹底避免圖像模糊情況的出現，就要手動設置攝像頭曝光時間，于是我們又測試了1／3數字攝像頭OV7620、通過SCCB將攝像頭設置到手動模式，手動修改其曝光時間。

圖像采集方案

今年我們測試了很多種采集方案，首先由于更換了主頻更高的s12XS128，我們對其內部AD又進行了測試，結果很失望，盡管主頻增高。最高精度從10bit增加到了12bit，但是AD的轉換時間并沒有多少改善，88MHz主頻下行像素在80左右。之后我們又測試了外部二值化采集、數字攝像頭采集、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量最好，并且有圖像預處理電路，但由于實驗電路還在測試階段，本次比賽并沒有啟用，仍然延用了去年的外部AD采集方案。

電機驅動橫塊

去年我們使用S14430，模仿電子調速器制作了驅動電路，取得了不錯的效果，但是對于能耗剎車的剎車能力始終存在爭議，因此我們對能耗剎車和反壓剎車做了對比測試。

參考第三屆上海交大SpeedStar隊的技術報告，我們使用BTS7970制作了驅動電路，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、反轉、能耗剎車三種工作模式。

我們使用“白騎士”模型車的驅動電路與上述電路(圖5)進行對比測試，圖6是車模的速度曲線，其中淺色的線為給定速度，深色的線為實際速度，縱坐標單位為mm／s，橫坐標單位為幀(即40ms)。

比較以上速度曲線，兩種驅動在加速能力上相差不大，而反壓剎車的減速能力遠高于能耗剎車。因此，可以得出結論，對于比賽所提供的380電機而言，10mΩ左右內阻的驅動電路已經足以滿足要求，反壓剎車的效果是遠好于能耗剎車的，而用BTS7970制作驅動電路是一個簡單易行方案。

SD卡

SD卡宴時存儲系統是我們去年率先提出和使用的輔助調試手段，極大地提高了調試效率，今年我們繼續延用并對sD卡存儲的速度和穩定性做了改進。去年我們使用的MC9S12DG128，在設計之初主要考慮到SD卡為3.3V系統，而單片機為SV系統，之間需要邏輯電平轉換，為此我們在設計SD卡電路時在單片機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供電就可以實現與SD卡接口的直連，這樣可以提高讀寫SD卡的穩定性。

點評：該隊在攝像頭中的偏振鏡的使用及圖像采集模塊、SD卡、電機驅動模塊等部分比較有特色。設計充分利用組委會提供的硬件，在一定程度上發揮了飛思卡爾產品在處理能力上的優勢，并通過幾屆大賽經驗總結，有效提升了賽車的性能。指導教師：陳萬米，蔡慶楠