武汉理工大学信标技术报告

1、第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告第十四届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛技 术 报 告学 校： 武汉理工大学队伍名称：布鲁克参赛队员：曹昌项恩康王段炼带队教师：邹斌曲帅锋I第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 II第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告摘要本文以第十四届“恩智浦”杯智能车竞赛为背景，介绍了武汉理工大学的信标对抗赛题的队员的设计方案以及调试结果。本赛题组成员采用了组委会新推出的 H 车模，采用两片基于 Cortex-M4 的 32 位微 MK66FX 系列处理器，采用了 MT9V034 数字摄像头作为寻找信标灯的传感器。通过调试，我们实现了较快速度的越野灭灯以及较慢速度

2、的避障功能。 关键字：信标对抗，智能车，避障，路径规划，图像处理III第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告目录1.1 背景介绍11.2 现实意义14.1 主控板 1 的设计64.1.1 稳压电路64.1.2 最小系统的设计74.1.3 主控板接口资源引出84.2 主控板 2 的设计94.3 电机驱动的设计95.1 程序结构设计115.1.1 主控板 1 程序结构流程图115.1.2 主控板 2 程序125.2 信标灯的识别，与路径的拟合125.2.1 灯光选择125.2.2 摄像头的选择125.2.3 信标灯的识别，及处理125.2.4 灭灯过程处理135.2.5 路径拟合13IV第十四届全

3、国大学生智能汽车竞赛技术报告5.3 转向控制146.1 障碍灯的识别156.2 发现障碍物后的基本动作156.3 对抗过程中的防撞措施16总结17参考文献18V第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告第一章引言1.1 背景介绍智能车比赛从举办到现在已经经历了十四个年头，从一开始单一的传统组到现在形式多样的各类组别。智能车比赛的规模也是在不断地壮大，使越来越多学子得到充足的锻炼，在提升自己的同时，也为国家科技的进步贡献出了小小的一份力量。 本组为双车对抗组，双车对抗组在具体的比赛过程中最值得注意的也是其最大的亮点就是避障的问题，在比赛中避免与另一辆车或者熄灭的信标灯产生物理上面的接触，在铺有蓝色广

4、告布的平整场地内随机安放数量为五至十五左右的信标灯塔，车模在信标的导引下做定向运动。信标内部安装有红色和红外发光二极管（LED）阵列，通过比赛系统控制信标灯塔闪烁或者熄灭。赛题要求车模可以通过光电传感器、摄像头等识别信标的红光或者红外光进行定位，按照比赛控制系统闪烁信标灯的顺序利用磁铁对信标进行灭灯处理。在决赛中，要求两辆车模进行对抗，通过对比两车模灭灯的数量得出胜负。 1.2 现实意义当然，实际的应用背景决定了所有科研成果的有效性和实际性，科技结合实际才能发挥出它自己最大的作用。本赛题不仅趣味性强，实用价值也同样很高。如在战火纷飞的战场中，自动救援机器人需要通过视觉获取敌方以及己方的位置，规

5、划路径，躲避敌人，快速寻找己方伤者，及时救治；餐厅机器人需要能避开餐厅复杂的障碍物，自动规划路径，将食物送至客人桌上；AGV 搬运机器人需要有避开其他 AGV 搬运机器人，且与之相互协调路径以达到搬运货物的目的；自动驾驶的汽车需要有自主规划路径以及快速安全的避障功能，汽车时代背景下，汽车事故也在日益不断地上升，如何有效的减少甚至是消除其的发生，是对我们比赛任务的一种考验，将其扩大，使其升华，更好地为人类服务。未来，机器人能实现自主行动的关键技术难点在于如何通过机器视觉以及其他的辅助传感器理解复杂的外界环境自动规划路径，并且能拥有避开危险障碍的能力。因此，本赛题具有很高的科研价值与实用价值。 1

6、第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告第二章主要研究内容要想进国赛、就得跑的快，要想拿大奖、想法创意得上膛，这一直是我们在整个学习研究中贯彻落实的核心思想。首先我们需要解决的便是如何实现单车的越野跑，和第十二届信标越野的具体要求一样。首先我们得实现单车的信标灯的识别、速度的控制、转弯控制、路径的优化等一系列内容和功能。通过对规则的解读和思考，最终我们总结了以下几个需要研究设计的内容： （1）信标的识别：信标的识别质量，稳定性是小车能稳定快速完成比赛的首要条件。 （2）速度的控制：速度控制方面，我们采用了转速、电流双闭环控制方案，想要达到启动、加速、减速等各种工作状态速度跟随性能很好的效果。 （

7、3）路径优化：速度已经调到极限的情况下，如何路径优化减少大量的比赛时间是值得仔细考虑的。 （4）避开对方小车：此次双车对抗的看点也是本次比赛的重点精髓所在，如何有效的在车模运行过程中实现灭灯的同时能对对手的车模做出自己的应激反应，合理有效的避让、甚至对抗另一辆车才是我们的想法和创意的重点所在。 （5）避开熄灭的信标灯：我们需要寻找、熄灭闪亮的信标灯，可是场地同时存在着更多的熄灭的信标灯，如果高速行驶的小车撞上信标灯可能会导致信标灯被撞毁或者车模损坏，因此需要识别熄灭的信标灯并且避开。 本系统需要完成上述几个研究内容和方向，在此方向上进行方式方法的创新 设计和研究，达到简单智能的分析、应急、处理

8、、避障和对抗的目的。 2第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告第三章机械结构的设计 我们选用的车模是 H 车模。信标组的任务要求车模具有较好的加减速 和灵活的转弯特性，H 车使用四个麦克纳姆轮，四个 380 电机。为了获得更好的加减速效果，我们尽量将车模质量做轻、重心降低，在电机输出力矩一定时，轻便 的车模将获得更高的加速度，这是我们机械设计的出发点；由于车模原装麦克纳姆轮与赛道之间的摩擦力较小，增大摩擦力时改装的出发点。 3.1 摄像头的安装摄像头我们选择神眼 MT9V034 灰度摄像头，灰度摄像头相较于鹰眼黑白摄像头，对于赛道的适应能力更强，并且信息更丰富处理更便利。我们一共安 装了两个神

9、眼 MT9V034 灰度摄像头。两个摄像头都加装红外滤光片，将除了 红外光以外的光线滤掉，只可看到正在闪烁的信标。关于摄像头高度，规则规定，车模最高点不能超过 20 厘米，相比去年 40 厘米下降很多；摄像头越高， 视野畸变越小，图像失真越小，利于处理，因此我们将摄像头安装在离地 20 厘米处。由于赛道的大小为 5m7m，所以我们将红外摄像头的前瞻定为 9m，使 其能在场地的任何一个位置看到点亮信标。3.2 编码器的安装我们选用龙邱生产的 512 线 mini 增量式编码器，该型号编码器体积小、 质量轻、稳定性好、精度高，输出型号类型为 CMOS 信号，抗干扰能力强。安 装时要仔细调节编码器齿

10、轮与电机齿轮的啮合，保证阻尼适中，两者啮合太紧会 增加电机负载，太松又会导致打齿并且影响编码器测量精度。实际安装如图 3.1 所示。 3第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图 3.1 3.3 电池和电路板的安装 我们车上有四块电路板，分别是主控板、2 块驱动板和一块锂电池保护板。电池我们采用两节 sony18650。为了让双向跑的车模获得更好的 加速性能和转弯性能，我们把车的重心放在中间位置，所以电池安放在车体两侧；主控板和驱动板叠在一起放在底板正中间，锂电池保护板则放在最底下。电池和电路板安装如图图 3.23.4 保护装置车模在赛场上行驶过程中很有可能会和信标灯或者对面车模等发生碰撞， 防

11、护装置必不可少，尤其是车前的防护装置，车模在高速行驶时撞到障碍，会产 生很大的冲击力，很容易撞坏。所以我一开始们用 3D 打印了车前的保护装置，设计了几次都轻易地被撞4第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告碎了。后来就选用了用金属将碳素杆固定在车的盘前方，再加上路肩缓冲。另外，在 保护装置前部还留了槽，装上两个按键，当车模撞到障碍，按键通，随即采取 制动倒车策略， 减少撞击造成的损失 3.5 齿轮间隙的调节齿轮间隙的大小在一定程度上对车模行驶时的噪音有很大的影响，轮胎齿轮 和电机的齿轮啮合间隙太小，会发出尖锐的摩擦声音，间隙太大，会出现丢齿、漏齿的现象。所以合适的齿轮间隙对于车模运行的状况也有

12、一定的影响。对于齿 轮的调整策略，没有很好的方法可以去走捷径，只有通过不断地尝试，不断地调整，最后得出一个较好的齿轮间隙。 5第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告第四章硬件电路的设计小车上的电路板通过电池供电，通过一系列稳压器分别给 MCU、电机驱动、人机交互模块以及其他外设传感器供电，外设传感器又通过信号线与 MCU 进行通讯，使得 MCU 能通过通讯协议读取数据，写入数据。小车采用了双主控方案，其中一个主处理器负责前方信标灯的寻找，以及小车运动状态的控制，另一块处理器则负责后方信标灯的寻找。两处理器之间通过通讯协议交换数据，相互协调，以达到最优的控制周期。元器件的选择，合理的布局，使得电

13、路板运行可靠、稳定。系统硬件的结构图如图 4-1 所示。 图系统硬件的结构图4.1 主控板 1 的设计4.1.1 稳压电路 主控板采用了外设与 MCU 分开供电的方案，最小系统由单独一片 TPS79333 供电。因此，在电池电压以及 5V 供电正常的情况下，外设用电的变化不对最小系统的供电产生影响，保证了其电源的稳定可靠。TPS76850 稳压电路如图 4-2 所示，TPS79333 稳压电路如图4-3 所示。 6第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 4-2 TPS79333 稳压电路 图 4-3 TPS76850 压电路 4.1.2 最小系统的设计我们选用 MD66FX 系列芯片作为我

14、们的主控芯片。为了使最小系统工作稳定，专门为其提供了一块 TPS79333 芯片提供高质量的稳定电压。最小系统包括了一系列滤波电容、复位电路、两个晶振电路以及 JTAG 仿真调试接口。最小系统的原理图如图 4-5 所示。 7第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 4-5 最小系统原理图 4.1.3 主控板接口资源引出为了使电路板尽可能小，只引出需要的外设资源以及预留了 IO 接口。接口资 源一览表如表 4-1 所示。表 4-18接口资源数量串口2蜂鸣器14 路电机 PWM 接口2摄像头2oled 显示屏接口1JTAG 仿真接口2电池电源接口1电机驱动电源接口2编码器45V 接口2GND 接

15、口2第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 图 4-6 主控板 PCB 图 4.2 主控板 2 的设计当灯从车的后方出现时，切换至后置摄像头找灯，复核还要连接测距传感器，因此只预留出摄像头接口、4 个串口以及 JTAG 仿真口和通讯口。 4.3 电机驱动的设计从主控板传过来的 PWM 信号首先通过 SN74HC244PWR 缓冲芯片，至 IR2104S 芯片的 2 号引脚。缓冲芯片的作用在于把主控引脚与驱动电路隔离开来，防止驱动板上的电压电流造成 PWM 口电流倒灌进而烧毁引脚。从 SN74HC244PWR 出来的驱动信号通过 IR2104S 驱动芯片实现了电平的转换，由原来的 3.3V 电平

16、转换成了 12V 的电平，保证了 LR7843 芯片能快速稳定地被驱动。 为了保证驱动能通过较大电流，对主要的电机驱动回路的导线进行了加粗、开窗以及加锡处理。电机驱动原理图如图 4-8 所示，3D 图如图 4-9 所示。 9第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图 4-8 电机驱动原理图 图 4-9 电机驱动 PCB 图 10第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告第五章软件系统设计输出期望速度传给速度控制器，同时舵机开始控制小车沿着外切信标灯的路径接近信标，直至将它熄灭。然后控制转向，小车以圆弧轨迹再次寻找下一个信标灯，同时主控 2 通过红外对管检测小车两侧是否有障碍物，将障碍物信息通过串口传

17、给主控板 1，主控板 1 控制小车运动轨迹躲避障碍物。 5.1 程序结构设计5.1.1 主控板 1 程序结构流程图基本程序结构流程图如图 5-1 所示。虽然采用的是双主控方案，可是在对小车进行控制的时候，还是主控板 1 中的处理器发出控制信号，辅助主控只起到检测障碍物以及障碍物分析的作用。在程序循环运行的首端，必须首先检测障碍物信息。表 1 中的优先级别表中，障碍物的检测的优先级别是最高的，因为小车的安全性需要保证，而障碍物可能会造成小车的意外车祸，严重的会导致比赛失败。若发现障碍物，应该先躲避障碍物，待远离危险障碍物之后再执行灭灯任务。 图 5-1 主程序结构流程图11第十四届全国大学生智能

18、汽车竞赛技术报告5.1.2 主控板 2 程序辅助主控的任务是接受测距传感器的数据将障碍信息传输给主核，进行障碍物的识别。表 1 中的优先级别表中，小车前方障碍物的优先级别要高于小车两侧的障碍物，因此，程序中应该首先检测小车前方是否有障碍物，若无障碍物，则不作任何操作，若发现障碍物，则应该通过通讯协议将障碍物信息发送给主控板 1 中，使小车及时避开障碍物。5.2 信标灯的识别，与路径的拟合5.2.1 灯光选择信标灯点亮时按周期发出 40KHz 的红外光和 10Hz 的红光。红光闪烁频率低，且易受到环境光线的影响，而红外光闪烁频率高，可以看成是长亮，且不受环境可见光的影响。因此我们选择识别红外光，

19、可以得到较稳定，且轮廓清晰的图像。 5.2.2 摄像头的选择我们采用的是神眼摄像头，它的采光芯片为 MT9V034，此款摄像头为灰度摄像头并且帧率可以达到 100fps，达到了信标车运动控制的需要 图 5-3 信标灯二值化图 5.2.3 信标灯的识别，及处理图 5-3 为处理之后的二值化图像。信标灯为圆柱体，较小的斑点是倒影，为反射所致。 12第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告因为信标灯图像边沿连续，所以我们采用的算法为连通域识别算法，即通过识别信标灯边界，进而将图中所有孤立的图形都找出来。我们设定找取最符合信标灯规则的连通域，这样可以除去环境噪点并找到信标灯。 通过连通域算法得到信标灯边

20、界，这样就可以准确定位灯的位置。 5.2.4 灭灯过程处理灭灯处理我们有两种方案，一种是让智能车系统直接冲着信标灯跑，当车与信标灯的距离达到一定的阈值之后，便使车模有一定角速度，使其绕过信标灯塔，该方法存在的问题是，灯距不一样，会导致灭灯之前的车速不一样，必定需要按照智能车的速度与信标灯的距离来控制车体角速度的大小，控制的条件比较复杂，且智能车容易撞到信标灯。另一种方案则是使车模在一开始便冲着信标灯偏移一定的距离的点跑，此方法可以增加快速跑的距离，智能车靠近信标灯的时候又不需要减速太多，不需要考虑防止撞信标灯的问题，缺点就是增大了智能车的行驶路程。通过比较，我们采用第二种方案。图 5-4 与图

21、 5-5 分别为方案一与方案二的示意图。 图 5-5 方案二 图 5-4 方案一 5.2.5 路径拟合灭灯的要求是车上的磁铁进入灯所在的线圈内，但要求不能撞到灯。所以我们选择将灭灯路径从原来的，灯与车两点间的直线，改为车与线圈的切线。 具体的实现方案： 手动将车放在期望的路径上，并记录信标灯在图像中的纵向位置和横向置， 13第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告然后进行拟合。MATLAB 拟合曲线下图 5-7。其近似为一条直线，且误差小于实际测试时方向的调整误差。所以可将其关系视为线性关系。图 5-6 为变量示意图。 图 5-6 变量示意图 图 5-7 信标横坐标与纵坐标的拟合曲线图5.3 转

22、向控制对于转向的闭环控制，我们采用了 PD 控制算法，在信标灯出现在小车视野内时，转向PD 控制器开始起作用。转向控制 PD 的输入为切线路径拟合得到的横坐标值与信标灯的位置偏差值，目标偏差值设定为 0，转向 PD 控制器的输出值为舵机 PWM 控制口的 PWM 值。在一14第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告个控制周期内，转向 PD 控制器进行一次运算出控制车身姿态。图 5-9 是由单片机上传至上位机所得到的响应曲线图。 图 5-9 方向控制响应曲线图 图中，黄色波形为目标设定值，蓝色波形为实际值，横坐标为采样点（可看作是时间轴）。从图中可看出响应曲线超调量小于 5%，由此可知，车在找到灯

23、后能平滑的将车的方向调整到误差允许的范围内，不会发生抖动现象。这点可以在视频中得到体现。因为采用 PD控制，所以系统不可避免地存在静差。 第六章对抗策略6.1 障碍灯的识别我们采用 4 个 TFmini 激光测距模块，当车向目标灯前进时，若前方 1.5m 内出现不亮灯，则测距模块检测到避障信息，就使小车采取斜移的方式躲避障碍。6.2 发现障碍物后的基本动作如果车身左边 TFmini 检测到障碍物则向左平移，如果车身右边 TFmini 检测则向左平移。 15第十四届全国大学生智能汽车竞赛技术报告6.3 对抗过程中的防撞措施6.3.1 双车对抗中可能面对的相撞情况我们有两种灭灯路径，如图 6-5 所示。方式一是环绕信标灯，方式二是外切信标灯，在通常情况下，