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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究越来越受到人们的关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该项目的研究，可见其研究意义很大，本设计就是在这样的背景下提出的。智能小车的主要应用领域包括以下几个方面:

(1)军事侦察与环境探测

2. 研究的基本内容

为了研究基于车道线检测的智能小车，主要研究以下内容

（1）基于车道线检测的智能小车的硬件设计包括整体功能和各部分模块；

（2）基于车道线检测的智能小车软件设计包括程序编写等；

3. 实施方案、进度安排及预期效果

4.1实施方案

（1）基于车道线检测的智能小车的硬件设计

智能车硬件主要由K60最小系统、驱动电路、舵机模块组成，对于K60最小系统一般不需要自己制作，使用成品模块即可。

（一）电机驱动电路BTN7960

在电机驱动电路中，一般采用的是由驱动芯片组成的H桥的全桥电路结构，以保证电机对电流的需求。电机位于H桥的中间位置，只需控制两组斜对角的驱动芯片即可实现对电机的正反转，对于电机的转速则可以通过对驱动芯片施加PWM信号实现。由于驱动芯片通过电流较大，可能会产生大量的热能，对电路造成影响，可以给功率管安装散热片，改善它们的工作条件，提高他们的过载能力。另一方面为了避免电机瞬间正转或反转引起的电流反冲导致主控芯片烧毁，在信号输入端需要加光耦隔离芯片保护主控芯片。

电机驱动电路的电源可以直接使用电池两端的电压，最好加上二极管和保险丝以避免电池反接和短接，还可以防止调试过程中不小心短接和误触碰等。智能车在启动的过程中往往会产生很大的瞬态电流，对电路的干扰和单片机的正常工作会有很大影响，可以在电源中增加容值较大的电解电容来保护电路的安全。

（二）舵机模块

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统 。舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V

其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms---------—90度；

1.0ms---------—45度；

1.5ms--------------0度；

2.0ms------------45度；

2.5ms------------90度；

舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0～180相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。

控制说明：舵机的响应时间对于控制非常重要，一方面可以通过修改PWM周期获得。另一方面也可以通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度；

（2）基于车道线检测的智能小车的机械结构改进设计

本文中的车模的摄像头组所使用的车模为A型车模，尺寸为27168cm，为了提高车模整体的精度，减轻车身重量，最大程度优化小车的机械结构，我们在规则的约束内对小车做了如下的改进设计。

（一）前轮定向

转向轮的定位主要由主销内倾（角）、主销后倾（角）、前轮外倾（角）和前轮前束四个因素决定，它们反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系，对于主销内倾（角），主要作用是产生与转向相反的力矩，让车转弯后的回正性增强，同时在转弯时车轮与地面的接触情况会更好。对于主销后倾（角），主要作用是在高速行驶时，保持直线行驶的稳定性，有助于“自动回正”。出于对回正能力、车轮受力面积和灵活性的角度分析检验，我们把前轮调整为主销内倾。

（二）舵机的安装

前轮转向舵机有立式和卧式两种安装方案（这里以舵机转轴为参考对象，立式：转轴处于水平方向。卧式：转轴处于竖直方向）。

舵机立式安装方式的优点：转向响应速度快，转向角较为符合阿克曼转向原理，它由舵机臂竖直平面的运动转化为拉杆水平方向的运动，减少了在同一平面上运动的死区。方便安装舵机臂，有利于调节赛车转向的中心值。

舵机立式安装方式的缺点：不好安装固定；安装后较高，占用竖直方向的空间；重心较高。

舵机卧式安装方式的优点：转向响应速度较快；高度较低；重心低。

舵机卧式安装方式的缺点：转向角部分符合阿克曼转向原理（转角小时），舵机臂和拉杆都在水平平面内运动，当舵机臂长度与转角臂长度相等时会导致内、外侧轮不符合阿克曼转角。

（三）摄像头的安装

摄像头的支撑架应尽量使用较轻的材料，以减轻车体的重量使其更加轻巧，且安装的位置应该在满足前瞻的情况下，尽量安装在质心位置，并保证支架的垂直和稳固。这样才能保证小车在行驶的途中，车体和摄像头之间不会来回晃动，造成摄像头采集的图像失真。摄像头还要架在一个合理的高度上，且与支撑架成一定夹角，只有这样才能拥有较低的重心，和有利的前瞻。

（四）车模重心和底盘加固

车体重心位置对赛车加减速性能、转向性能和稳定性都有较大影响。车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度，同时降低后轮的抓地力，影响加减速性能；重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加，提高加减速性能。因此，确定合适的车体重心是很关键的。今年我们在前轮位置增加了垫片，降低重心，还减低了电池的高度，同时把摄像头安装在中间，底盘做了加固。增加了赛车的转向灵活度，减少了车在行驶过程中产生的震荡。

（3）基于车道线检测的智能小车的软件设计

通过OV7725摄像头的固有程序对图像进行采集，并对其进行输出并计算偏差，为了使舵机能更快更好的对给定的转角值做出响应，我们采用位置式PID控制器，电机采用增量式PD调节，通过不断改变P、I、D三个参数进行试凑实验，得到了一组响应较好的参数，可以使得车在高速行驶时能保持很好的稳定性，从而大大消除由于传感器带来的误差，控制方法如式一：

△u（n）=Kp［e（n）-e（n-1）］ KIe（n） KD［e（n）-2e（n-1） e（n-2）］

各个参数对小车的影响：

比例Kp：适当的比例能迅速反应误差，从而减小误差，但是比例不能消除稳态误差，比例的加大会引起系统的不稳定。

积分Ki：积分的作用就是只要系统存在误差，就不断的累积误差，直到消除误差。但是如果积分作用太强会使系统超调加大，甚至出现震荡。

微分Kd：微分可以减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

经过多次测试，智能车可以完成快速稳定的行进，本文在通过图像识别技术对道路识别进行改进，利用PID控制器进行控制，对参数进行调整后，系统可以执行正确的指令，智能车行进得更稳，并且车速上有一定提升，经过实验验证，该系统工作稳定，寻迹准确，小车的运行速度快。软件设计图如下：

图2软件设计图

4.2进度安排

（1）2017.12.04-2017.12.11：查阅资料，完成开题报告；

（2）2017.12.12-2017.12.25：查找资料，完成文献翻译；

（3）2017.12.28-2018.1.2：完成基于车道线检测的智能小车硬件部分的整体结构设计；

（4）2018.01.4-2018.01.14：完成基于车道线检测的智能小车硬件部分的各模块设计；

（5）2018.01.16-2018.01.31：完成基于车道线检测的智能小车硬件部分PCB板的原理图设计；

（6）2018.02.1-2018.02.18：完成基于车道线检测的智能小车硬件部分PCB板的布线设计；

（7）2018.02.19-2018.02.25：完成基于车道线检测的智能小车硬件模块购买和协商好PCB板的加工；

（8）2018.02.27-2018.04.04：完成基于车道线检测的智能小车程序编写；

（9）2018.04.05-2018.04.07： 完成基于车道线检测的智能小车的测试与分析；

（10）2018.04.08-2018.05.10：撰写毕业论文，指导老师检阅，准备答辩；

5、预期效果

系统运行，通过摄像头对车道线的检测，把情况实时反馈，控制小车直行和转弯，使小车行驶在预定轨迹上。

5、预期效果 5、预期效果

4. 参考文献

[1]王荣本，徐友春，李兵，等.基于视觉的智能车自主导航最有控制器设计[j].汽车工程，2001，23（2）：97-100. [2]徐建洪.基于s3c2410的嵌入式智能车控制系统设计[d].南京理工大学，2008. [3]卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车―挑战“飞思卡尔”杯[m].北京：北京航空航天大学出版社，2007. [4]李晨，宓超.基于飞思卡尔单片机mc9s12xs128的智能车设计[j].上海海事大学学报，2012，33（1）：82-84.

[5] dickmanns e d,etc.the seeing passenger car “vamors-p” proc 1994 ieee

symposia on intelligent vehicles. ieee press piscataway,1994,10(5):68-73