摄像头智能车硬件系统的设计与实现开题报告

学士学位论文（设计）开题报告学生姓名所在院系机电与控制工程学院所在班级指导教师学生学号专业方向电气工程及其自动化开题时间导师职称论文题目摄像头智能车硬件系统的设计与实现文献综述：智能汽车是一种正在研制但尚未应用到社会生活中的新型高科技汽车，这种汽车集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统，集中的应用到制动控制、模糊识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多学科，具有重要的军用和民用价值。智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，研究人员从智能汽车的信息系统、控制系统、网络环境及智能结构等几个方面进行研究。智能汽车由导航信息资料，GPS定位系统，紧急报警系统，无线通信系统，自动驾驶系统、探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统等组成，智能汽车通过GPS实时分析车所在位置、行驶方向、速度等实时信息通过与导航信息资料对比得出车所在道路的状况，并把信息实时传输给指挥中心。由指挥中心综合分析后发出指令信息，根据指挥中心发回的指令信息自动驾驶，高效、快速、安全地完成驾驶任务，实现辆的智能控制。智能车有极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；它也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外它还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶由于人的反应速度及信息获取受到能见度的影响经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生。可见，智能汽车的发展将在很大程度上解决现在交通中遇见的部分问题。智能汽车与一般所说的自动驾驶有所不同，它指的是利用多种传感器和智能公路技术实现的汽车自动驾驶。智能汽车首先有一套导航信息资料库，存有全国高速公路、普通公路、城市道路以及各种服务设施的信息资料；其次是GPS定位系统，利用这个系统精确定位车辆所在的位置，与道路资料库中的数据相比较，确定以后的行驶方向；道路状况信息系统，由交通管理中心提供实时的前方道路状况信息，如堵车、事故等，必要时及时改变行驶路线；车辆防碰系统，包括探测雷达、信息处理系统、驾驶控制系统，控制与其他车辆的距离，在探测到障碍物时及时减速或刹车，并把信息传给指挥中心和其他车辆；紧急报警系统，如果出了事故，自动报告指挥中心进行救援；无线通信系统，用于汽车与指挥中心的联络；自动驾驶系统，用于控制汽车的点火、改变速度和转向等。智能车辆是一个集环境感知、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。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通领域当中。通常对车辆的操作实质上可视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。驾驶员既要接受环境如道路、拥挤、方向、行人等的信息，还要感受汽车如车速、侧向偏移、横摆角速度等的信息，然后经过判断、分析和决策，并与自己的驾驶经验相比较，确定出应该做的操纵动作，最后由身体、手、脚等来完成操纵车辆的动作。因此在整个驾驶过程中，驾驶员的人为因素占了很大的比重。一旦出现驾驶员长时间驾车、疲劳驾车、判断失误的情况，很容易造成交通事故。通过对车辆智能化技术的研究和开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全畅通、高效。对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性。智能车辆的主要特点是以技术弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶。“飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，在己举办全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等4大专业竞赛的基础上，经研究决定，委托高等学校自动化专业教学指导分委会主办自2006年每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。高等学校自动专业教学指导分委会决定飞思卡尔半导体公司为协办单位，赛事冠名为“飞思卡尔”杯。竞赛要求参赛者在提供的模型车体及主微控制器芯片基础上设计制作具有自主道路识别能力并满足比赛规则的智能汽车，在赛道上以最快速度完成赛程者为优胜。与以往的专业竞赛不同，智能车大赛是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新比赛，已经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，它由大赛组委会统一提供。比赛要求参赛队伍研究并设计一款能够自主辨识路线并能够自主行驶的智能车，在专门设计的封闭跑道上行驶，跑完整个赛程用时越短的参赛队伍成绩越好。智能车的设计要求参赛队伍首先对汽车动力学有一定的研究和了解，从而设计合理的机械结构。同时要求参赛队伍自行设计控制器系统电路、图像采集模块电路、电机驱动电路、电源模块电路等多个部分的电路。在硬件平台搭建完成后，参赛队伍要对智能车系统的路线辨识以及控制算法进行开发和调试，为了后期的调试方便，可以开发用于调试的上位机监控程序开题报告(正文)：一、毕业设计题目摄像头智能车硬件系统的设计与实现二、研究目的及意义移动机器人技术是机器人学科中的重要分支之一，近年来，诸多具有创新和挑战性的课题不断在这一领域提出。智能车辆，是一种移动轮式机器人，它集中运用了现代传感、信息融合、计算机、通讯、自动控制及人工智能等多种技术，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。目前，作为智能交通系统(ITS)中的重要组成部分，智能车辆技术已经成为该领域的研究热点。“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车。第六届“飞思卡尔”杯智能车竞赛提供A、B、C三种车模。其中电磁组选用B型车模，光电组用A型车模，摄像头组选用C型车模。A、B、C车模都由组委会统一提供。在第六届中首次在跑道上加上虚线，增加寻线的难度性。各参赛队伍在指定的车模基础上通过设计基于单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。在保证模型车运行稳定即不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越短成绩越好。智能车技术以汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科，这对进一步提高学生的综合素质，培养创新意识，培养学生从事科学、技术研究能力有着重要意义。三、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向我国从上世纪80年代开始着手无人驾驶汽车的研制开发，虽与国外相比还有一些距离，但目前也取得了阶段性成果。国内清华大学、国防科技大学、上海交通大学、西安交通大学、吉林大学、同济大学等都有过无人驾驶汽车的研究项目。1992年，国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。2000年6月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下国内最高纪录。2003年7月，国防科技大学和中国一汽联合研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速13Okm，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。智能车辆是一个集环境感知、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。四、注意研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路本课题的研究目标是摄像头智能车的硬件电路的设计与选型。通过对比论证信号调理电路方案，优化模拟电路对信号的处理。设计传感器信号软件处理方案和相应的自动路径识别控制算法。对系统整体调试分析，比较分析各种硬件电路方案优缺点，选出合理的硬件电路并制作出正确的PCB板。基于视频采集技术的智能车的路径识别系统需要建立完整的智能控制系统的硬件平台，即采集处理图像信号、系统电源、控制、驱动等电路。同时在数字摄像头的选择上也是非常关键的一环。由于视频采集技术的智能导航系统中的采集了大量的图像数据，并且带有噪点，如何尽可能多的滤去噪点有不影响路径的识别是难点，如何从大量的数据中寻找到小爱哦车行径的轨迹是重点。硬件设计框图如图1所示：图1硬件方案系统框图基于摄像头的智能车的路径识别系统的硬件设计部分根据功能可分为七个部分：以Freescale公司的MC9S12XS128为主控制器的最小系统模块、数字摄像头模块、电源管理模块、速度测量反馈模块、舵机驱动模块、电机驱动模块、辅助调试模块。此智能车辆定位系统用摄像头拍摄车辆前方的赛道，通过MC9S12xs128采样视频信号，获得图像数据。然后用合适的算法，如跟踪边缘检测算法，分析图像数据，提取目标指引线。然后，系统根据目标指引线的位置信息，对舵机和电机施以合适的控制。因为系统是一个有机的整体，所以任何一部分的改进都能提高小车的性能。虽然轮胎、驱动电机、舵机和电池等车模主要结构不能作改动，但是一些机械结构上的细节仍然会对小车性能产生影响，为此我们对这些细节进行了一定的调整。系统所用的传感器包括编码器和摄像头，它们可以完成赛道信息的采集和小车行驶参数的获取，算法部分主要涉及到PID控制算法和预判算法等，这部分将在后面详述。驱动电路板中的电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包括多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。主要包括如下不同的电压：[1]5V电压。主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路（如速度传感器）提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。[2]6V电压。主要是为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定。还要为摄像头进行道路检测时提供6V工作电源。[3]7.2V电压。这部分直接取自电池两端电压，主要为后轮电机驱动模块提供电源。整个电源模块的电路结构为：图2电源模块电路结构基于摄像头技术的智能车路径识别系统的整个软件部分分为5个部分，分别是摄像头图像数据的采集；传感器信号数据处理，该部分软件进行数据的二值化和去噪；路径识别控制算法部分，该部分软件程序利用数字滤波得到的数据设计路径识别算法；舵机驱动和电机驱动部分均采用PWM脉宽调节技术，通过相应的控制算法控制舵机的转向和智能车速度的控制。最终实现智能车的路径识别循迹前进。图3信息控制流程五、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、实验设备和实验环境条件等），解决的办法和预期达到的目标。机电与控制工程学院现拥有相关实验室2个，设计所需设备齐全，外加1个自动化研究所，可以为该设计提供可靠的模拟实验保证，提高设计的准确性。我系优秀的师资队伍也为该设计提供了更为广阔的知识来源，对该设计的质量有一定的监督和质检作用，为本设计提供了优秀的设计以及实验环境。本设计的