摄像头循迹的两轮平衡智能小车控制系统设计与实现开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，汽车的高速发展对于人们的生活也是越来越便利，出行的速度也是越来越快。如此，人们对于汽车的安全性能也是越来越加的重视，这也对汽车行业的领先者与爱好者对于技术的要求愈加的苛刻，但这却也促进了人们对于科技未知领域的追求与探究。而摄像头的两轮智能小车控制的设计正是对于未来汽车行业的一个领域的探究。通过对于摄像头的两轮智能小车控制的设计，以此来探究机器代替人类驾驶的目的性与目标性。若是智能车能够成功的实现无人驾驶，这对于人类的科技将会做出巨大的贡献与迈出坚实的一步。智能车辆（Intelligent Vehicle）技术的发展不仅仅改进了车辆的环保、安全以及节能的性能。更是能够减少道路交通事故的发生，提高交通系统效率。而且在军事、工业、科学等领域都具有广阔的发展前景，而如今智能车，已经成为世界各国共同关注一个十分重要的问题。本文首先回顾了智能车辆系统发展的历史，随后总结了智能车辆在国内外的一些研究的现状，最后是对智能车辆的研究方向及其关键技术方法进行了阐述。智能车辆是如今智能交通中关键性的一项技术，它主要是集合了规划决策、环境感知和辅助驾驶等一系列的功能，集中的使用了传感器、计算机、信息融合、智能控制等技术，是各类高科技技术的结合。智能车辆技术主要是将驾驶员的感官延伸出去成为了控制的衍生，来弥补驾驶员对于某些控制上的缺点，帮助驾驶员在某种困难的路况条件下得以安全地驾驶。智能车辆的深入研究，可以提高人们对车辆的了解与控制，降低事故的发生率，提高安全指数。如今，对于如何利用高科技技术来实现智能车辆的实际应用，已经成为社会上主要的研究项目和推动汽车工业发展的动力。在当今的社会中，为进一步的研究智能车的特性。摄像头采集数据的能力愈加的重要，而这也对于汽车行业走向智能化提供了极高的便利，摄像头的出现对于智能小车起到了积极而重要的作用。因此，如何研究设计摄像头的两轮平衡小车为一个重要的课题。

2. 国内外研究现状分析

国外：智能车辆的研究、设计与开发，可以从本质上突破当今社会的汽车的信息交换、信息采集处理、车辆控制、行车导航与定位、汽车安全保证等技术方案与结构。就当今社会而言，智能车辆可以说是未来汽车发展的目标趋势，汽车工业的信息革命。随着微电子技术、传感器技术、通信技术以及智能控制的发展，智能车辆技术也在迅速地进步。目前国内外研究智能车辆相关技术十分的火热，实力雄厚的车辆公司、研究所和高等院校都在积极展开对智能车辆的研究，试图着去占领智能车辆的技术的制高点[1]。美国是目前高科技技术影响力最大的国家之一，而美国对智能车的研究格外的重视，也准备试图去占领智能车技术的一个制高点。因此美国交通部，曾对汽车的前后防撞系统投入了大量的资金进行研究，此后一些科研研究所和研发团体也都参加到智能车辆的研究工作当中[2]。美国的谷歌公司也投入到智能车辆的研究，其在2010年10月开发的智能车辆Google Driverless Car 已经在道路上进行了规定范围内的行驶测试，目前里程已达22.5万公里。谷歌公司的智能车通过一台3D激光测距仪、4台雷达、若干摄像头以及GPS定位系统，获取道路周围大量信息，从而对路面的各种未知的情况做出判断并以此来控制车辆在道路上的行驶[3]。而欧洲也对智能车辆投入了大量的资金来给予支持，并且在智能车辆的研究中，也取得了不错的成果，其中比较有代表性的是德国的VaMoRs智能车辆。该车辆是由德国国防军大学和奔驰公司联合开发，VaMoRs实现了高速公路上的自主驾驶。后续开发的VaMP智能车将这一记录打破，在高速公路上他的速度能达到160公里每小时，甚至还能实现车道跟踪和超车的一些动作[4]。意大利帕尔玛大学的ARGO智能车辆。帕尔玛大学研究的ARGO智能车辆主要采用视觉系统采集来完成在高速公路的行驶导航。车上安装激光扫描仪、激摄像机和GPS全球定位等传感器，采用3台计算机进行控制。2010年10月，ARGO智能车成功的实现了从意大利到上海的15000公里的无人驾驶实验，而在实验的全程中，主要是利用太阳能电池板给智能车供电。此项目是由两辆车组成，位于前面的引导车基本都是在自主行驶，后面的智能车根据前车所传送回来的一系列信息，自主进行判断，完全实现无人驾驶[4]。除了上述国家对只能车辆的研究，韩国、日本等国家对智能车辆的研究也慢慢取得了不小的进步。国内: 相对于国外的智能车的迅速发展，国内的智能车研究相对比较晚，与发达的国家已经有了一定的差距，但是已经有越来越多的研究机构、科研院所和高校参与到智能车的研究与开发，目前智能车的研究开发也在国内有了一定的成就与突破。清华大学作为代表，所研究的THMR-V智能车，在视觉导航系统领域有着深入的探索。其研制的THMR-V智能车由一辆七座厢式车改装而成THMR-V车体是由一辆七座厢式车改装并安装了方向、油门和刹车自动控制系统，车载传感系统主要用来完成道路模式识别以及远距离道路跟踪，控制体系采用基于模糊控制的局部路径规划及多层次感知-动作控制结构。经实验验证，该车具备在高速公路和一般道路上自主驾驶功能,行驶过程中能够对周围环境进行监控,并且能够躲避障碍物，道路检测和跟踪的可靠性较高[5]。国防科技大学无人驾驶汽车的研究在我国是从20世纪80年代开始进行的，而国防科技大学则是在1992年的时候，便成功的研制出了属于我国的，第一辆具有真正意义的无人驾驶汽车[6]。摄像头小车的图像采集是基于数字图像处理的，而数字图像处理是利用计算机系统,对从图像转换来的数字信号进行运算处理,以满足人们对其信息的需求。数字图像技术起源于世纪年代,目前随着信息技术迅发展,特别是互联网技术的高速发展,数字图像以其信息量丰富、传输速度快、距离远、使用工具简单方便等优点成为人类获得信息的重要来源。而数字图像处理所特有的处理精度高、处理内容丰富、可以进行复杂的非线性运算等功能强大的理手段更促进了自身的高速发展[7]。此外，上海交通大学也研发了CyberC3无人驾驶汽车，这辆智能车能够在非结构的城市道路上行驶、实现自主定位、导航以及避障的功能；同济大学也在2006年研发了无人驾驶清洁能源电动游览车等等。这些研究所、高校的研究对智能车的发展起到了至关重要的影响和非常积极的作用[8]。而且如今，越来越多的活动在丰富智能车的建设与发展。通过模拟智能车的建立，譬如当今的流行的飞思卡尔智能车大赛，都在积极的响应智能车的发展。如今的各个高校都在积极的组织全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛。而全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛是起源于韩国，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HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路径的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高为获胜者。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。

3. 研究的基本内容与计划

本次论文的研究内容具体如下：（1）摄像头智能车两轮平衡的总体结构。（2）硬件设计：利用飞思卡尔K60芯片为核心，通过该处理器的串口和各个数字I/O端口分别实现摄像头、电机驱动等控制，以此来实现智能小车基于摄像头的两轮平衡小车的控制。（3）软件设计：首先对软件设计进行总体设计，其次是智能小车如何实现直立、速度控制、转向控制设计以及摄像头图像采集的介绍。（4）开发环境与调试软件的介绍，以及整车的测试。

计划：第1周开题，阅读、收集、整理有关书籍和资料，分析并进行归类；第2周确定研究的技术方案，整理出相关资料；第3周 第4周 研究STM32开发板最小系统，明确自己接下来几周的任务，制定未来几周的计划；第5周第6周设计STM32最小系统电路，研究陀螺仪以及加速度信号，研究PWM的智能小车调速，研究与了解智能小车的程序编写过程；第7周第8周设计陀螺仪以及加速信号的电路，研究智能小车对于图像采集和处理，再次研究与了解智能小车的程序编写过程；第9周第10周设计图像采集和处理的电路，对智能小车进行软件程序的编写；第11周第12周 完善摄像头的两轮平衡智能小车控制的设计，对不足的地方进行修改；第13周第14周 撰写毕业论文；第15周修改毕业论文，初审，答辩；第16周再次修改论文，正式提交。

4. 研究创新点

相比于四轮小车的轻巧性的不足，平衡的两轮小车实现了对四轮小车这方面不足的改进与提高。

而与四轮小车最大不同之处在于摄像头的利用及使用，通过利用摄像头能够实现道路的清晰化，避免出现死角而不知的情况，极大的增加了汽车的安全性与可靠性，而如今社会的发展趋势，这两大重要的性能确实是至关重要，值得倾注心血研究。