光电四轮智能车软件系统的设计与实现【字数：10032】
摘 要本文以智能车竞赛为背景，以组委会提供的光电四轮组B车模作为硬件平台，开发设计了光电四轮车软件控制系统。该智能车系统是在智能车竞赛的基础上继续改进，使用恩智浦半导体公司生产的32位高性能处理器MK66FX1M0VLQ18芯片作为主控，摄像头采集赛道信息传输到主控，主控通过图像处理对赛道元素进行识别。然后分别通过位置是PD算法给出舵机打角角度，和增量式PID算法给出电机的PWM值输出量，实现稳定的闭环控制。同时本课题亦使用了NRF模块及LCD小液晶模块辅助调试智能车，方便其监测和调试相关参数，形成了一套完善可靠的智能车软件系统。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3 本文研究内容 2
1.4本文结构 2
第二章 系统总体设计简介 3
2.1智能车系统概述 3
2.2系统的硬件部分 3
2.3系统的软件部分 5
第三章 智能车软件系统设计 6
3.1 软件系统的程序控制流程图 6
3.2图像处理 7
3.2.1图像腐蚀 7
3.2.2赛道边界提取算法 9
3.2.3赛道元素识别 11
3.3控制部分 11
3.3.1 PID算法介绍 11
3.3.2 舵机控制 12
3.3.3 电机控制 13
3.4本章小结 14
第四章 开发与调试 15
4.1开发环境 15
4.2上位机 15
4.3无线调试模块 16
4.4拨码开关调试 17
4.5 LCD显示模块 17
4.6本章小结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
附录 主函数代码 22
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
智能车也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶[1]。其主要依靠传感器、控制器、执行器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
等装置，通过车载传感器系统和信息终端实现与人、车、路等外在条件的智能信息交换，是使车辆具备智能的环境感知能力，能够自动判断汽车行驶的安全及危险状态，并按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的[2]。它融合了环境感知、无线控制、信息反馈等功能集一身。汇合了机械、材料学、电子学、动力学、运动学、自动控制理论、软件工程以及人工智能等多个学科和技术领域，在一定程度上标志着一个国家的科学技术发展水平及综合实力。
智能车广泛应用于各种领域[3]，如工业，农业，国防，交通，物流，服务等行业，此外在救援，排雷，外太空，高辐射等特殊情况下也能取到很好的效果，之所以智能车能有如此广泛的应用领域，是因为它可以作为机器人移动的基础核心。近年来我国经济发展迅速，城镇化推进迅猛，我国汽车保有量和道路里程逐步增加，随着而来给我们生活带来了各种问题，各种交通拥堵、驾驶事故、汽车尾气污染等问题日益凸显，汽车给我们生活带来便利的同时也带来了新的烦恼，我们需要新的技术来解决这些问题。智能车就是一个有效解决方案，能够帮助人们实现无人驾驶从而解放人们双手，让人们可以在车上做其他事，可以有效提高人们的工作效率。计算机控制的精准性也能帮助人们合理规划路线提升交通效率，更不用担心疲劳驾驶、酒驾等交通事故了，人们的生命安全也得到了保障。
综上所述，智能车无论是对生产力水平的发展还是对人类生活水平的提高都有着不可忽视的作用，其存在了巨大的潜在价值。
1.2国内外研究现状
国外智能车研究起步较早，早在上世纪 50 年代初，国外就开始机器视觉、人工智能、自主导航等智能小车技术的研究。1953年，美国贝瑞特电子公司研制出全球第一台由牵引式拖拉机改装而成的自主导航车，其只能在布置好的导轨上传送货物。80年代美国提出ALV（自主地面车辆）计划（8轮，驾驶环境为校园，低速），随后卡耐基 ? 梅隆大学、麻省理工大学等美国大学都加入了无人驾驶汽车研究。90年代美国卡耐基 ? 梅隆大学研制成功的无人驾驶汽车完成了横穿5000多公里的美国洲际高速公路试验。
进入新世纪以来，国外无人驾驶汽车的发展则更迅速了。国外各大汽车企业及IT行业巨头纷纷涌入该行业，研发进程十分迅速，不少研发车型已接近量产。2010年，奥迪无人驾驶自动汽车TTS行驶12.42公里，抵达落基山派克峰顶。2012年5月8日，美国机动车驾驶管理处（Department of Motor Vehicles）更是为Google的无人驾驶汽车颁发了第一张合法车牌。2016 年谷歌自动驾驶汽车项目独立成立新公司 Waymo，Google 开发的自动驾驶汽车在现实世界中的路测里程更是累计已超过 322 万公里。2017年3月，特斯拉推出自动驾驶系统Autopilot 8.1，达到Level3有条件自动驾驶水平。
我国无人驾驶汽车的研究相比国外起步较晚，始于20世纪80年代。1989年国防科技大学研制出我国第一辆智能小车。1992年在国防科技大学才诞生了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。2010年国防科技大学和一汽大众联合研制出红旗旗舰无人驾驶汽车，可在高速公路上行驶的最高稳定速度为130km/h，最大峰值行驶速度为170km/h。2015年12月，百度无人驾驶汽车在国内首次实现城市、环路及高速道路混合路况下的全自动驾驶。2016年百度无人车获得美国加州政府颁发的全球第15张无人车上路测试牌照。2018年2月15日，百度Apollo无人车在港珠澳大桥开跑，并在无人驾驶模式下完成8字交叉跑的高难度动作。
1.3 本文研究内容
本论文以第十三届“恩智浦”杯智能汽车竞赛光电组比赛规则为参考，其B车模作为硬件平台，利用光电传感器采集环境信息，设计一个软件控制系统。使其能正确识别前方赛道信息，诸如弯道、十字、障碍、圆环等赛道元素。在识别赛道信息的基础上，对智能车的转向和速度进行有效控制使其能自主稳定的在指定赛道上运行。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3 本文研究内容 2
1.4本文结构 2
第二章 系统总体设计简介 3
2.1智能车系统概述 3
2.2系统的硬件部分 3
2.3系统的软件部分 5
第三章 智能车软件系统设计 6
3.1 软件系统的程序控制流程图 6
3.2图像处理 7
3.2.1图像腐蚀 7
3.2.2赛道边界提取算法 9
3.2.3赛道元素识别 11
3.3控制部分 11
3.3.1 PID算法介绍 11
3.3.2 舵机控制 12
3.3.3 电机控制 13
3.4本章小结 14
第四章 开发与调试 15
4.1开发环境 15
4.2上位机 15
4.3无线调试模块 16
4.4拨码开关调试 17
4.5 LCD显示模块 17
4.6本章小结 18
结束语 19
致 谢 20
参考文献 21
附录 主函数代码 22
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
智能车也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶[1]。其主要依靠传感器、控制器、执行器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
等装置，通过车载传感器系统和信息终端实现与人、车、路等外在条件的智能信息交换，是使车辆具备智能的环境感知能力，能够自动判断汽车行驶的安全及危险状态，并按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的[2]。它融合了环境感知、无线控制、信息反馈等功能集一身。汇合了机械、材料学、电子学、动力学、运动学、自动控制理论、软件工程以及人工智能等多个学科和技术领域，在一定程度上标志着一个国家的科学技术发展水平及综合实力。
智能车广泛应用于各种领域[3]，如工业，农业，国防，交通，物流，服务等行业，此外在救援，排雷，外太空，高辐射等特殊情况下也能取到很好的效果，之所以智能车能有如此广泛的应用领域，是因为它可以作为机器人移动的基础核心。近年来我国经济发展迅速，城镇化推进迅猛，我国汽车保有量和道路里程逐步增加，随着而来给我们生活带来了各种问题，各种交通拥堵、驾驶事故、汽车尾气污染等问题日益凸显，汽车给我们生活带来便利的同时也带来了新的烦恼，我们需要新的技术来解决这些问题。智能车就是一个有效解决方案，能够帮助人们实现无人驾驶从而解放人们双手，让人们可以在车上做其他事，可以有效提高人们的工作效率。计算机控制的精准性也能帮助人们合理规划路线提升交通效率，更不用担心疲劳驾驶、酒驾等交通事故了，人们的生命安全也得到了保障。
综上所述，智能车无论是对生产力水平的发展还是对人类生活水平的提高都有着不可忽视的作用，其存在了巨大的潜在价值。
1.2国内外研究现状
国外智能车研究起步较早，早在上世纪 50 年代初，国外就开始机器视觉、人工智能、自主导航等智能小车技术的研究。1953年，美国贝瑞特电子公司研制出全球第一台由牵引式拖拉机改装而成的自主导航车，其只能在布置好的导轨上传送货物。80年代美国提出ALV（自主地面车辆）计划（8轮，驾驶环境为校园，低速），随后卡耐基 ? 梅隆大学、麻省理工大学等美国大学都加入了无人驾驶汽车研究。90年代美国卡耐基 ? 梅隆大学研制成功的无人驾驶汽车完成了横穿5000多公里的美国洲际高速公路试验。
进入新世纪以来，国外无人驾驶汽车的发展则更迅速了。国外各大汽车企业及IT行业巨头纷纷涌入该行业，研发进程十分迅速，不少研发车型已接近量产。2010年，奥迪无人驾驶自动汽车TTS行驶12.42公里，抵达落基山派克峰顶。2012年5月8日，美国机动车驾驶管理处（Department of Motor Vehicles）更是为Google的无人驾驶汽车颁发了第一张合法车牌。2016 年谷歌自动驾驶汽车项目独立成立新公司 Waymo，Google 开发的自动驾驶汽车在现实世界中的路测里程更是累计已超过 322 万公里。2017年3月，特斯拉推出自动驾驶系统Autopilot 8.1，达到Level3有条件自动驾驶水平。
我国无人驾驶汽车的研究相比国外起步较晚，始于20世纪80年代。1989年国防科技大学研制出我国第一辆智能小车。1992年在国防科技大学才诞生了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。2010年国防科技大学和一汽大众联合研制出红旗旗舰无人驾驶汽车，可在高速公路上行驶的最高稳定速度为130km/h，最大峰值行驶速度为170km/h。2015年12月，百度无人驾驶汽车在国内首次实现城市、环路及高速道路混合路况下的全自动驾驶。2016年百度无人车获得美国加州政府颁发的全球第15张无人车上路测试牌照。2018年2月15日，百度Apollo无人车在港珠澳大桥开跑，并在无人驾驶模式下完成8字交叉跑的高难度动作。
1.3 本文研究内容
本论文以第十三届“恩智浦”杯智能汽车竞赛光电组比赛规则为参考，其B车模作为硬件平台，利用光电传感器采集环境信息，设计一个软件控制系统。使其能正确识别前方赛道信息，诸如弯道、十字、障碍、圆环等赛道元素。在识别赛道信息的基础上，对智能车的转向和速度进行有效控制使其能自主稳定的在指定赛道上运行。
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