1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、本课题的研究意义

随着汽车电子行业的逐渐升温与技术的日渐发展，越来越多的汽车厂商开始延伸智能车用载具平台，发展新一代自动驾驶技术^[1]。智能车，又称为轮式机器人，它是以轮子作为移动设备、实现自主行驶的机器人，广泛应用在生产实践中，例如在无人化的连续生产线、自动安全报警系统、提供各种服务的机器人以及对车速的控制、自动导航控制、自动避障控制、自动安全距离的保持等方面的应用^[3]。智能车作为智能交通系统的关键技术之一，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能车的出现，给驾驶者带来了极大的方便，是未来汽车发展的趋势。在保证安全性的前提下，可以根据前方道路的实时路况来调整汽车车速，避免或缓解汽车追尾和撞车的可能性，大大降低了交通事故的发生率^[2]。

二、国内外发展

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本论文（设计）要研究或解决的问题：

本课题主要是设计一种基于摄像头的循迹智能车的控制算法使其实现基本的运动功能，需要研究的主要内容如下：

（1）掌握摄像头OV7725的内部结构和工作原理。

（2）以飞思卡尔K60为主控制器，设计智能车控制系统。包括电源模块，电机驱动模块，摄像头模块等。

（3）设计路径跟踪算法，使得智能车能够沿引导线快速运动。

二、本论文（设计）采用的研究手段和方法：

反馈回路1

1、智能车系统功能结构框图如图1所示，

反馈回路1

图1 智能车系统功能结构框图

反馈回路1：舵机控制模块控制智能车运动方向，智能车行驶的方向与引导线偏差信号由摄像头模块进行图像识别，识别后的信号再传送给K60芯片处理。反馈回路2：电机驱动模块对直流电机进行驱动，并通过编码器对电机的速度进行检测反馈给速度检测模块。

主要功能模块介绍

摄像头模块：

摄像头智能车系统是否能辨识正确的方向的关键就是其中的图像识别算法的设计，在本算法中根据采集来的图像，首先进行图像二值化，然后再对二值化后的图像进行去噪处理，得到只含有赛道黑线的图像，再对图像进行图像识别，根据设定的阈值进行方向识别，得到的结果送至舵机控制模块进行舵机的方向控制。

电机驱动模块：

电机驱动电路由 H 桥式电路组成。为使 K60 能够驱动电机工作，且能使电机正反转通过两片英飞凌公司的 BTN7971 构成桥式电路。BTN7971的最大驱动电流为 68 A，驱动能力极强。通过 K60 输入的1路 PWM 的占空比不同，控制输出电流的大小与方向，从而控制电机转速。

电源模块：

电源部分是智能车系统的重要部分，电源稳定供电，智能车系统才能稳定工作。使用电压7.2 V,2000 mAh 的镍镉电池供电,而系统需要稳定的5V与3.3V电压,故必须稳定的降压输出5 V与3.3 V。使用TI公司的降压芯片LM2940和LM1117－3.3 V,在输入为 6.5 V～8．2 V之间时,LM2940芯片能稳定输出5 V电压给电机，舵机,LM1117－3．3 V 芯片能稳定输出3.3 V电压给 MK60DN512ZVLQ 核心控制器供电。

转向控制模块：

舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号,其中脉冲宽度从 0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路,产生周期 20ms,宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加的PWM信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。

速度检测模块:

选用增量式光电编码器，它每转动一圈都会输出一定数目的脉冲信号，通过单位时间内测量得到的脉冲个数，即可得出电机的转速。实践证明,采用光电编码器虽然成本较高，但同时精度也很高，稳定性好，故最终选择使用欧姆龙公司生产的500 线增量式光电编码器测量小车的行驶速度。

2、拟采用PID算法实现智能车控制：

用e(t)表示控制对象的期望输入值与实际输出值之间的误差,u(t)是PID调节器输出的系统控制信号，是控制器对误差信号e(t)进行比例P、积分I、微分D计算之后所得的控制器的输出值，其控制规律的数学模型为：

（1）

PID调节器各校正环节的作用：

比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数是TI,TI越大，积分作用越弱

微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。