第七屆“飛思卡爾”杯 軟件技術(shù)報(bào)告

第七屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生

智能汽車競(jìng)賽

湖北文理學(xué)院攝像頭組

軟 件 類 技 術(shù) 報(bào) 告

隊(duì)伍名稱：黎明破浪號(hào)

  參賽隊(duì)員：周      奇  

          胡  志  強(qiáng)

          周  成  成

帶隊(duì)教師：程      昊

          葉  建  明

目錄

第四章  軟件整體設(shè)計(jì)…………………………………………………

第五章  結(jié)論…………………………………………………

第五章  參考資料…………………………………………………

一、寫在開(kāi)始之前

1.1  第七屆團(tuán)隊(duì)展示

上面左起分別是程昊老師和王宏達(dá)老師。

下面左起分別是光電二組的張潤(rùn)、王輝。攝像頭組的周奇、胡志強(qiáng)。光電一組的汪穩(wěn)、熊夢(mèng)杰。

1.2  自我介紹

同學(xué)你好，很高興你報(bào)名參加了全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽的攝像頭組，我是來(lái)自09級(jí)機(jī)械與汽車工程學(xué)院的周奇，是第七屆攝像頭組‘黎明破浪號(hào)’的隊(duì)長(zhǎng)，也是‘黎明破浪號(hào)’的軟件主要負(fù)責(zé)人。首先，我以一個(gè)‘過(guò)來(lái)人’的身份代表‘黎明破浪號(hào)’，對(duì)你們本次的參賽表示熱烈的歡迎。其次，我希望你能認(rèn)真的把我寫的報(bào)告讀完，雖然說(shuō)黎明破浪號(hào)在競(jìng)賽中沒(méi)有取得好的成績(jī)，可能是我使用的算法在我一個(gè)人的思路下已經(jīng)進(jìn)入死胡同，不足之處還希望指正后留給下一屆的同學(xué)。下面都是我就軟件這塊所做的總結(jié)，或多或少會(huì)對(duì)你們有些幫助。最后，預(yù)祝你們?cè)诒敬胃?jìng)賽中取得好成績(jī)。

在第七屆“飛思卡爾杯”中，我們組所使用的有野火K60核心板（如果你使用32位的K60，我推薦購(gòu)買野火的核心板，這家的核心板面積小，性能穩(wěn)定，最主要的是他們提供有好的教程，好的底層驅(qū)動(dòng)代碼，技術(shù)支持也非常到位），ov7620數(shù)字?jǐn)z像頭，12864液晶等。采用的接線如下

1.3  必做的準(zhǔn)備工作

A：拒絕醬油

我說(shuō)這句話態(tài)度是很強(qiáng)硬的，比賽一起是3名隊(duì)員，最好的搭配是1個(gè)硬件2個(gè)軟件。硬件搭好后全部工作都靠軟件了，而算法這一塊是非常難的，一個(gè)人寫就非常容易陷入死胡同，而智能車的質(zhì)量直接影響因素就是算法。

所以，如果你是醬油，就請(qǐng)你主動(dòng)退出。原因很簡(jiǎn)單。1：參加主要目的還是學(xué)習(xí)，我不敢保證你參加了就會(huì)有全國(guó)名次，因?yàn)閿z像頭組本來(lái)就是非常難的一個(gè)組，但是我可以保證你會(huì)學(xué)習(xí)到很多很多。2：就算獲得了一個(gè)獎(jiǎng)?wù)�，你去企業(yè)里面別人問(wèn)一句比賽的問(wèn)題馬上就原形畢露，不僅不能增加就業(yè)機(jī)會(huì)，放而帶來(lái)不誠(chéng)信。3：這里也是很重要的，可能因?yàn)槟闶轻u油，占了一個(gè)本應(yīng)該做事的位置，那么也會(huì)大大削弱你們組的實(shí)力，拖后腿就成為必然。

B：準(zhǔn)備好試車環(huán)境

作為攝像頭組過(guò)來(lái)人，我這里講一個(gè)有趣的事情。第七屆的比賽湖北文理學(xué)院一共派出3支隊(duì)伍參賽。分別是光電一組，光電二組和攝像頭組的黎明破浪號(hào)。在學(xué)校試車的時(shí)候，光電一組最穩(wěn)定，光電二組不是很穩(wěn)定，因?yàn)榻?jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題。而我們攝像頭組速度最快，穩(wěn)定性介于兩個(gè)光電組之間。當(dāng)時(shí)我們的速度為兩檔，慢速和中速。其中慢速的最穩(wěn)定，不夸張的說(shuō)黎明破浪號(hào)夜間在學(xué)校賽道上正反跑20圈兩個(gè)輪子同時(shí)出界才一兩次，白天拉開(kāi)窗簾效果則比較差。后來(lái)去了廈門（第七屆在廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院比賽）試車的時(shí)候我發(fā)現(xiàn)我的車在學(xué)校速度為慢速的居然在賽道上面動(dòng)都動(dòng)不起來(lái)，當(dāng)時(shí)以為是電池沒(méi)電了，于是馬上換電池，結(jié)果發(fā)現(xiàn)還是動(dòng)不起來(lái)。沒(méi)辦法，把速度提高到中速，車才開(kāi)始緩緩前行，并且車前輪有明顯跳動(dòng)，穩(wěn)定性非常差。顯然，這是因?yàn)槲覀冊(cè)趯W(xué)校試車時(shí)候的環(huán)境和比賽時(shí)候環(huán)境出入太大，賽道摩擦明顯大了很多。在試車完畢后，我們和三峽大學(xué)共用一個(gè)賽道，由于試車時(shí)候沒(méi)有背景，得到賽道后我們給背景加上了黑色背景，車的穩(wěn)定性也比較差，后來(lái)才發(fā)現(xiàn)直接原因是閾值的問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室時(shí)候閾值為180，經(jīng)過(guò)修改，最后確定為130，整整一個(gè)晚上的調(diào)試，車速可以達(dá)到2米了，穩(wěn)定性也非常不錯(cuò)。結(jié)果第二題比賽時(shí)候背景為藍(lán)色，穩(wěn)定性又下降了，連續(xù)幾次都是在同一個(gè)地方出去了。

差距怎么來(lái)的，從細(xì)微之處來(lái)的。上面提到的光電二組，在學(xué)校調(diào)試的時(shí)候一直出現(xiàn)問(wèn)題，穩(wěn)定性比較差，還一度因此而去不了廈門。兩支光電組都沒(méi)有使用算法，但是在加上背景后兩支光電組都表現(xiàn)除了非凡的穩(wěn)定性。我這樣說(shuō)不是夸張，光電二組的穩(wěn)定性一下子和光電一組可以媲美了，速度也一下子提升了很多，只留下我們攝像頭組經(jīng)常沖出賽道。所以，作為攝像頭組的你，一定要切記購(gòu)買好的賽道和鋪上正確的背景顏色，不然你所調(diào)出的參數(shù)全是白調(diào)的。

這里附上兩張圖片，我們學(xué)校和別人學(xué)校的賽道上面差距就很明顯了

我校的賽道

PS：圖中最上面的是用紙貼在地上的賽道，下面的是用KT板鋪的，但是沒(méi)有背景顏色，于是找來(lái)一些木板作為背景。木板的高低不平給調(diào)試帶來(lái)了很大困難。

別人的賽道

PS：標(biāo)準(zhǔn)的賽道，KT板看上去和比賽用賽道一模一樣

最終比賽的賽道

PS：比賽前有60秒的試車時(shí)間，圖中在賽道上試車的正是本人。

所以，我這里建議，從一開(kāi)始鋪賽道就按照組委會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)，包括賽道樣式，背景顏色等等，這樣就不會(huì)在后來(lái)走太多彎路。

C：堅(jiān)持不懈

這句話可能是廢話，不過(guò)在寫代碼的時(shí)候出現(xiàn)大大小小的問(wèn)題也是在所難免的，這時(shí)候就需要一股堅(jiān)持不懈的干勁，有句話說(shuō)：既然選擇了遠(yuǎn)方，便只顧風(fēng)雨兼程。當(dāng)你選擇了“飛思卡爾杯”，就證明你比別人優(yōu)秀了，不讓困難打敗你。加把勁，多付出，誰(shuí)都會(huì)累，待到你獲得成功了，對(duì)你，對(duì)你家庭，對(duì)學(xué)校都是無(wú)上的榮光。

1.4  工具介紹

這里我介紹兩款除了編譯環(huán)境IAR外我常用的工具，一款Source Insight（簡(jiǎn)稱SI），另外一款是UltraEdit（簡(jiǎn)稱UE）。結(jié)合source insight使用教程和UE配合SI的使用方法（附加代碼移植教程）這兩個(gè)PDF文檔的教程都是我寫的，內(nèi)容稍微有些簡(jiǎn)潔，但主要方法還是已經(jīng)提及，這兩款軟件在我學(xué)習(xí)飛思卡爾和ARM中確實(shí)有很大的幫助。沒(méi)有該教程的同學(xué)可以向你們指導(dǎo)老師要，關(guān)于所有的資料，我們都會(huì)上交給指導(dǎo)老師，這里，我希望它能對(duì)大家有所幫助。

二、圖像采集

2.1  圖像采集原理

圖像采集不需要硬件平臺(tái)的支持，所以當(dāng)你的主控板沒(méi)有成型之前，用杜邦線連接，就可以開(kāi)始圖像采集了。采集部分請(qǐng)自己查找相關(guān)資料，我們使用的是32位的K60系列，因?yàn)樾酒�的不一樣，代碼自然會(huì)有差別，不過(guò)萬(wàn)變不離其宗，攝像頭也是一個(gè)傳感器，控制原理都是一樣的，所以最好還是看下攝像頭的原理后再根據(jù)別人寫的采集程序?qū)懽约旱�，那樣就事半功倍。此處附上黎明破浪�?hào)的圖像采集代碼

場(chǎng)采集

行采集

DMA處理

2.2  圖像處理

A：前期

在得到圖像后，先從編譯環(huán)境的watch里面看圖像是否采集到了，如果采集到了圖像，那么可以發(fā)送到上位機(jī)觀看圖像，也可使用液晶等顯示器之間觀看。這里推薦一款上位機(jī)

這款上位機(jī)打開(kāi)后

使用過(guò)程中可以直接實(shí)時(shí)觀察，功能非常強(qiáng)大。在使用的時(shí)候注意起始信號(hào)的識(shí)別問(wèn)題。

在使用時(shí)候請(qǐng)仔細(xì)閱讀該上位機(jī)的使用手冊(cè)，如果不閱讀readme，將會(huì)出現(xiàn)采集不到圖像等等問(wèn)題。

采集到圖像后要對(duì)圖像進(jìn)行校正，梯形校正和對(duì)稱性校正�？赡軘z像頭的正中間不在圖像的正中間，那么就需要修改代碼。這一步要在上位機(jī)的輔助下完成，在調(diào)整好最佳圖像后方可進(jìn)行下一步。

B：中期

在上位機(jī)里面觀察到正確的圖像后，我們就要對(duì)圖像進(jìn)行處理了，圖像處理的時(shí)候就不能使用這款上位機(jī)了，只能通過(guò)串口或者液晶來(lái)查看了。鑒于進(jìn)度，第一時(shí)間液晶寫不出來(lái)的同學(xué)可以先嘗試使用串口打印圖像，將所得到的圖像打印出來(lái)，并且描繪出中心線。

如果有能力的，可以將圖像處理后所得到的數(shù)據(jù)全部打印出來(lái)。其實(shí)這個(gè)不難（只是我沒(méi)有保存圖片，無(wú)法給與直觀圖）。

C：末期

在串口里面觀察到正常數(shù)據(jù)后，我們就需要使用液晶了，液晶在攝像頭組中是必不可少的。黎明破浪號(hào)使用了12864液晶，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示賽道和PWM值，后期用來(lái)顯示其他需要觀察的重要信息。不過(guò)12864體積有些龐大，速度也有點(diǎn)慢，所以還是推薦使用高速液晶。

液晶在攝像頭組的調(diào)試和觀察中起著不可磨滅作用。做硬件的同學(xué)一定要在主控板上面加上液晶的引腳，液晶在正式比賽之前都會(huì)一直使用到。

下面附上我所使用液晶的代碼，可以自行找老師要到我的代碼后用我介紹的兩款軟件仔細(xì)閱讀。

三、舵機(jī)和電機(jī)測(cè)試

3.1  參數(shù)測(cè)試

在舵機(jī)和電機(jī)控制前首先要測(cè)得各種參數(shù)，比如舵機(jī)的中間值和左右最大的打角等等，正確的參數(shù)對(duì)于控制的準(zhǔn)確性有很大的影響，另外，如果不測(cè)試，直接給與舵機(jī)值，有可能超出允許范圍，舵機(jī)則會(huì)打死并且燒毀。第七屆光電組就因?yàn)檫@個(gè)情況燒毀了兩個(gè)舵機(jī)。關(guān)于參數(shù)測(cè)試各院校的報(bào)告里面對(duì)于測(cè)試必要性和方法都有提及，故這里就不詳細(xì)說(shuō)明。

這里附上我們舵機(jī)和電機(jī)測(cè)試代碼

電機(jī)測(cè)試

3.2  整體測(cè)試

整體測(cè)試在開(kāi)始控制之前也非常的重要，首先要確定前輪直線，外八還是內(nèi)八，根據(jù)個(gè)人情況而異。然后給與舵機(jī)中間值，電機(jī)給與一定速度，看車模能否正常的走直線。如果車模不能正常走直線，則要手動(dòng)調(diào)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

四、軟件整體設(shè)計(jì)

4.1  編程思想

編程的時(shí)候盡量用模塊化編程，少用全局變量，這樣可以減少BUG的產(chǎn)生。每個(gè)需要使用的變量需要簡(jiǎn)單易懂，便于他人閱讀代碼。每個(gè)模塊之間用注釋隔開(kāi)

例如：

使用模塊化編程簡(jiǎn)單易懂，而且便于BUG的查找。

4.2  多使用LED排查BUG

寫代碼的時(shí)候出現(xiàn)BUG是難免的，有時(shí)候可能因?yàn)橐粋�(gè)小小的錯(cuò)誤，整個(gè)語(yǔ)句都進(jìn)入不了，那么就需要查找BUG了，查找BUG有兩種辦法，一種是單步調(diào)試，另外一種是使用直觀的現(xiàn)象查看。我經(jīng)常使用的就是LED了，在可能出現(xiàn)問(wèn)題的地方加入LED閃爍，如果LED不閃爍則說(shuō)明語(yǔ)前面出問(wèn)題了。野火的核心板上帶4個(gè)LED，寫好函數(shù)后多次調(diào)用，可以用來(lái)顯示很多信息了。

4.3  圖像中心線的提取

中心線提取根據(jù)論壇里面的資源，或者看我的代碼就可以理解，比較簡(jiǎn)單。

4.4  液晶12864的使用

我的12864液晶是根據(jù)以前寫的51驅(qū)動(dòng)直接移植過(guò)來(lái)的，上面還有明顯的移植痕跡

對(duì)應(yīng)的的51上面則是

根據(jù)我的模塊，則可以非常簡(jiǎn)單的使用12864了。

4.5  舵機(jī)PD控制

PD控制顧名思義，即比例、微分控制。

比例控制：就是對(duì)偏差進(jìn)行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp， Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。但單純的比例控制存在靜差不能消除的缺點(diǎn)，這里就需要積分控制。

積分控制：實(shí)質(zhì)上就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把偏差積累起來(lái)，一起進(jìn)行運(yùn)算。

微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢(shì),可在誤差信號(hào)出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用,有利于提高輸出響應(yīng)的快速性,減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲,降低系統(tǒng)的信噪比,從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制。

在實(shí)際中，我們組采用的是模糊PD控制，也就是對(duì)于不同的情況采用了多組PD參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。此處附上我們部分舵機(jī)PD控制代碼

代碼中Ki不是積分的Ki，而是賽道邊界對(duì)舵機(jī)的影響因素，也就是說(shuō)如果車模在直道上，車模又太靠右邊了，那么采集到的中心線也是直線的，而這樣對(duì)于突如其來(lái)的轉(zhuǎn)彎則是致命的。此時(shí)則賽道邊界Ki則起到一定控制作用，它使舵機(jī)左打一定角度，讓車�；氐劫惖勒�中間。

此處的參數(shù)最難調(diào)節(jié)，據(jù)三峽大學(xué)的朋友說(shuō)，他們調(diào)節(jié)這幾個(gè)參數(shù)就花了4個(gè)月，而我們因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，調(diào)節(jié)時(shí)間半個(gè)月不到。參數(shù)調(diào)節(jié)有一定技巧，不能盲目賦值。這里我舉個(gè)簡(jiǎn)單例子。上副圖像所得到PWM為正中間720，車跑直道。本次突來(lái)大S右轉(zhuǎn)，PWM為900。通過(guò)PD參數(shù)的調(diào)節(jié)，最終要得到的turn打角必須介于720和900之間。那么Kp和Kd就有了一定范圍。根據(jù)公式

turn=steer_middle+(int)((steer_value-steer_middle)*Kp+(turn1-steer_value)*Kd);

Turn假如為800，那么就可以得到二元一次方程，再多給幾次值，便可得到最佳的Kp和Kd了。

我們就得到的turn進(jìn)行分析。1：如果本次采集是正確的，那么舵機(jī)有一定打角，但是沒(méi)有打到那么大，下次如果還是大S右偏，PWM仍為900，那么在此經(jīng)過(guò)算法所得到的turn則介于800和900之間了。很明顯，如果圖像正常，那么只需兩幅圖像的時(shí)間就打到正常角度，對(duì)正常的打角不會(huì)有太大影響。2：如果本次采集為錯(cuò)誤，那么經(jīng)過(guò)算法則對(duì)本次打角有一定緩沖，并沒(méi)有讓舵機(jī)一次性打到錯(cuò)誤最大角度。這個(gè)就是算法的實(shí)現(xiàn)。

在算法實(shí)現(xiàn)后，切記一定要對(duì)turn進(jìn)行校正，因?yàn)榻?jīng)過(guò)算法后的PWM有可能因?yàn)槟銋��?shù)的錯(cuò)誤而變的超過(guò)舵機(jī)的正常范圍。防止舵機(jī)燒毀，則需要加上

if((turn<530))

turn=530; //左邊最大打角

if((turn>910))

turn=910; //右邊最大打角

4.6  電機(jī)PID控制和起始線識(shí)別

因?yàn)槲覀儨?zhǔn)備時(shí)間較晚，所以這兩個(gè)東西我都沒(méi)有用，對(duì)電機(jī)進(jìn)行的開(kāi)環(huán)控制，起始線則是直接延時(shí)3s后啟動(dòng)，終點(diǎn)線則是直接沖過(guò)去了。這里就不能為你提供多大的幫助，你可以閱讀別人的技術(shù)報(bào)告，從中學(xué)取。

五、結(jié)論

5.1  心得

自報(bào)名參加“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽以來(lái)，我們小組成員從查找資料、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、組裝車模、編寫程序一步一步的進(jìn)行，最后終于完成了最初目標(biāo)，定下了現(xiàn)在這個(gè)設(shè)計(jì)方案。在剛制作的初期我們遇到了很多困難，在選擇系統(tǒng)板時(shí)候，因?yàn)榱硗庖粋�(gè)組選擇了xs128，而今年又新出規(guī)定，可以使用K60這款32位的單片機(jī)，以為自己學(xué)過(guò)一段時(shí)間的ARM就可以征服它，結(jié)果差點(diǎn)撞的頭破血流。在編寫軟件的時(shí)候，完全沒(méi)有上屆留下的資料，沒(méi)有老師的指導(dǎo)，全部靠自己一字一句的編寫。在最小系統(tǒng)、主板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊分別設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，最后決定了我們最終的電路圖。在軟件設(shè)計(jì)方面，如攝像頭的采集數(shù)據(jù)，在寢室調(diào)節(jié)好的代碼放到實(shí)驗(yàn)室里面總是不采集圖像，用手擋住或者用帽子蓋住才采集，后來(lái)歷經(jīng)很久才發(fā)現(xiàn)是干擾問(wèn)題。此類的問(wèn)題層出不窮，就像我們說(shuō)的，動(dòng)則得咎，只要你在向前進(jìn)，就會(huì)犯錯(cuò)誤。這時(shí)候就要堅(jiān)持不懈的客服，而不是放棄。本次小車作為我們組辛勤汗水的結(jié)晶，凝聚著我們小組每個(gè)人的心血和智慧，隨著它的誕生，這份經(jīng)驗(yàn)將永伴我們一生，成為我們最珍貴的回憶。

在這幾個(gè)月的備戰(zhàn)過(guò)程中，特別感謝葉建明老師給我的幫助，同樣，也感謝一直支持和關(guān)注智能車比賽的學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)老師們。

現(xiàn)在，比賽結(jié)束了。歷時(shí)近四個(gè)月的準(zhǔn)備，雖然我們沒(méi)有取得優(yōu)異的成績(jī)，沒(méi)有給學(xué)校帶來(lái)光榮。但是我們也努力了。也許我們的知識(shí)還不夠豐富，考慮問(wèn)題也不夠全面，但是這份技術(shù)報(bào)告凝聚了我們組所有的知識(shí)總結(jié)。希望對(duì)下屆的“飛思卡爾杯”攝像頭組有所幫助。同時(shí)，我們也希望下屆的你，在比賽完后寫下和我一樣的報(bào)告，作為資源留給你的下屆同學(xué)。

六、參考資料

三天入門M4——Kinetis(V2)————野火編寫

source insight使用教程————周奇編寫

UE配合SI的使用方法（附加代碼移植教程）————周奇編寫

當(dāng)然還有很多有用的書籍，這里一時(shí)半會(huì)也想不起來(lái)具體信息了。更多的閱讀他人的報(bào)告，對(duì)你會(huì)有很大幫助。