第十三屆“恩智浦”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽-信標(biāo)對(duì)抗組比賽總結(jié)

• 一、比賽形式
• 二、主控板電源電路
• • 1. DC-DC穩(wěn)壓電路
  • • 1.1 電路原理圖
    • 1.2 穩(wěn)壓芯片TPS565201熱仿真
    • • 1.2.1 仿真條件
      • 1.2.2 仿真結(jié)果
    • 1.3 穩(wěn)壓芯片TPS565201輸出電流電壓仿真
    • • 1.3.1 仿真結(jié)果
  • 2. 線性穩(wěn)壓電路
  • • 2.1 電路原理圖
    • 2.2 線性穩(wěn)壓芯片LMS1585A輸出電流電壓仿真
    • • 2.2.1 仿真條件
      • 2.2.2 仿真結(jié)果
• 三、控制邏輯及策略
• • 1. 主程序框架
  • 2. 控制部分
  • • 2.1 雙電機(jī)后輪差速：阿克曼（Ackermann）轉(zhuǎn)向模型
    • • 2.1.1 理論模型
      • 2.1.2 公式推導(dǎo)
      • 2.1.3 算法實(shí)現(xiàn)
    • 2.2 接近信標(biāo)策略：采用舵機(jī)PD控制+參數(shù)查表法沿信標(biāo)燈切線方向滅燈
    • 2.3 圖像補(bǔ)償
  • 3. 圖像識(shí)別部分
  • • 3.1 攝像頭型號(hào)：山外鷹眼硬件二值化攝像頭
    • 3.2 圖像的存儲(chǔ)與壓縮
    • 3.3 圖像橫、縱坐標(biāo)的計(jì)算
    • 3.4 圖像濾波
    • 3.5 創(chuàng)新點(diǎn)：側(cè)面攝像頭輔助判斷轉(zhuǎn)彎方向
  • 4. 調(diào)試界面部分
  • • 4.1 攝像頭實(shí)時(shí)圖像顯示
    • 4.2 當(dāng)前狀態(tài)信息顯示
    • 4.3 主要參數(shù)顯示和設(shè)置
• 四、比賽經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
• 五、比賽視頻

一、比賽形式

信標(biāo)對(duì)抗組是讓小車(chē)通過(guò)攝像頭識(shí)別閃爍的紅外信標(biāo)位置，并駛近信標(biāo)燈，借助小車(chē)周?chē)拇盆F切割磁感線從而熄滅信標(biāo)。

二、主控板電源電路

1. DC-DC穩(wěn)壓電路

1.1 電路原理圖

(1) 芯片型號(hào)：TPS565201
(2) 輸入電壓：6.8V-8.4V
(3) 輸出電壓：6V

圖1. DC-DC電路原理圖

1.2 穩(wěn)壓芯片TPS565201熱仿真

1.2.1 仿真條件

(1) 輸入電壓：8.4V
(2) 輸出電壓：6V
(3) 工作電流：4A
(4) 環(huán)境溫度：30℃
(5) PCB銅厚：2盎司

圖2. TPS565201芯片熱仿真設(shè)置

1.2.2 仿真結(jié)果

(1) IC最大溫度：81.9℃
(2) PCB最大溫度：81.1℃

圖3. TPS565201芯片熱仿真結(jié)果

1.3 穩(wěn)壓芯片TPS565201輸出電流電壓仿真

1.3.1 仿真結(jié)果

圖4. TPS565201芯片輸出電流電壓仿真結(jié)果

2. 線性穩(wěn)壓電路

2.1 電路原理圖

(1) 芯片型號(hào)：LMS1585A
(2) 輸入電壓：6.8V-8.4V
(3) 輸出電壓：5V

圖5. 線性穩(wěn)壓電路原理圖

2.2 線性穩(wěn)壓芯片LMS1585A輸出電流電壓仿真

2.2.1 仿真條件

(1) 輸入電壓：7.6V
(2) 輸出電壓：5V
(3) 工作電流：1A

2.2.2 仿真結(jié)果

圖6. LMS1585A芯片輸出電流電壓仿真

三、控制邏輯及策略

1. 主程序框架

通過(guò)switch-case語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)編程。

圖7. 有限狀態(tài)機(jī)邏輯框架

為了增加可讀性，采用枚舉表示各狀態(tài)（如下圖）。

圖8. 狀態(tài)說(shuō)明

2. 控制部分

2.1 雙電機(jī)后輪差速：阿克曼（Ackermann）轉(zhuǎn)向模型

2.1.1 理論模型

圖9. 阿克曼（Ackermann）轉(zhuǎn)向模型

2.1.2 公式推導(dǎo)

$$\frac{v}{R}=\frac{v1}{R1}=\frac{v2}{R2}$$$$tan\theta =\frac{L}{R}$$$$R1=R?\frac{1}{2}T$$$$R2=R+\frac{1}{2}T$$由此可得：$$v1=\frac{v}{R}?R1=v?(1?\frac{Ttan\theta }{2L})$$$$v2=\frac{v}{R}?R2=v?(1+\frac{Ttan\theta }{2L})$$

2.1.3 算法實(shí)現(xiàn)

2.2 接近信標(biāo)策略：采用舵機(jī)PD控制+參數(shù)查表法沿信標(biāo)燈切線方向滅燈

首先沿著期望的路徑手推小車(chē)，并將信標(biāo)的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和寬度通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到上位機(jī)，儲(chǔ)存在Excel文件中，所得到的橫坐標(biāo)作為期望橫坐標(biāo)。以圖像中的實(shí)際橫坐標(biāo)作為反饋，輸入量為期望橫坐標(biāo)，輸出量為控制舵機(jī)角度的PWM波。期望橫坐標(biāo)與圖像寬度、縱坐標(biāo)通過(guò)查表法建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，缺點(diǎn)是一旦改變閾值，圖像寬度改變，需要修改的參數(shù)較多。原先通過(guò)MATLAB對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，但是發(fā)現(xiàn)有些地方數(shù)據(jù)較分散，找不到合適的擬合函數(shù)，所以改用查表法。

圖10. 曲線擬合結(jié)果（橫坐標(biāo)-信標(biāo)寬度，縱坐標(biāo)-信標(biāo)中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)）

在之后的國(guó)賽中為了解決利用信標(biāo)寬度作為PID模型輸入值的缺點(diǎn)，我們改用信標(biāo)的縱坐標(biāo)，這樣可以避免因調(diào)節(jié)閾值而反復(fù)修改PID參數(shù)和輸入的期望值。

2.3 圖像補(bǔ)償

由于今年規(guī)則中信標(biāo)燈的紅外發(fā)射頻率變?yōu)?0HZ，實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)50ms的無(wú)圖像，造成舵機(jī)頻繁抖舵，嚴(yán)重情況下會(huì)因電流過(guò)大而燒壞舵機(jī)的穩(wěn)壓芯片。省賽中使用80×60的分辨率，攝像頭幀率合適，抖舵影響不大，所以沒(méi)有做圖像補(bǔ)償。但是分辨率改成160×120之后，幀率只有50幀/秒，抖舵現(xiàn)象嚴(yán)重，并且經(jīng)常因?yàn)閳D像丟失而開(kāi)始自轉(zhuǎn)尋找目標(biāo)。

圖11. 橫坐標(biāo)補(bǔ)償算法

圖12. 縱坐標(biāo)補(bǔ)償算法

圖13. 橫圖像補(bǔ)償效果（藍(lán)色為離散的原始數(shù)據(jù)，紅色為連續(xù)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)）

3. 圖像識(shí)別部分

3.1 攝像頭型號(hào)：山外鷹眼硬件二值化攝像頭

山外鷹眼攝像頭其本身已經(jīng)做了硬件二值化，直接得到黑白圖像，好處是減輕了主控芯片進(jìn)行軟件二值化的運(yùn)算壓力，提升了運(yùn)算效率，但是壞處是只能對(duì)黑白圖像做處理，容易受到環(huán)境干擾。

3.2 圖像的存儲(chǔ)與壓縮

由于山外攝像頭讀取到的圖像只有黑色和白色，所以在數(shù)組中只需要用0和1來(lái)表示。山外官方的代碼中將八個(gè)像素放入一個(gè)字節(jié)中，因此分辨率60*80的圖像只需要用60*80/8=600大小的數(shù)組存放。

3.3 圖像橫、縱坐標(biāo)的計(jì)算

一張圖像有60行80列，信標(biāo)在圖像中是0，其它地方是1，所以將每一行的80個(gè)像素相加求和，和最小的那一行可以看做是信標(biāo)的縱坐標(biāo)，同理和最小的那一列可以看做是信標(biāo)的橫坐標(biāo)。

3.4 圖像濾波

由于鷹眼攝像頭輸出的只有黑白二值化圖像，只能通過(guò)遍歷數(shù)組尋找離散的點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波。

圖14. 圖像濾波算法

3.5 創(chuàng)新點(diǎn)：側(cè)面攝像頭輔助判斷轉(zhuǎn)彎方向

由于比賽中熄滅一盞信標(biāo)燈之后，下一盞信標(biāo)燈的位置是隨機(jī)的，如果采用固定的轉(zhuǎn)彎方向會(huì)導(dǎo)致繞遠(yuǎn)路而浪費(fèi)時(shí)間，因此我們采用雙攝像頭輔助定位。省賽前因?yàn)閳D像分辨率都80×60，所以采用單核雙攝的方案主控芯片也能帶的動(dòng)。但是國(guó)賽改用160×120的分辨率之后，第二個(gè)攝像頭無(wú)法正常工作，于是改用雙核雙攝的方案，其中兩塊芯片之間通過(guò)串口通信。
實(shí)現(xiàn)方式是前面的攝像頭為主攝像頭，用于正常尋找目標(biāo)并反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)前面的攝像頭沒(méi)有捕捉到圖像時(shí)，判斷右邊的攝像頭得到的數(shù)據(jù)，如果右邊攝像頭有圖像，則往右轉(zhuǎn)，反之往左轉(zhuǎn)。

圖15. 雙攝像頭擺放位置

4. 調(diào)試界面部分

4.1 攝像頭實(shí)時(shí)圖像顯示

4.2 當(dāng)前狀態(tài)信息顯示

由上至下分別為：橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、圖像寬度、當(dāng)前工作模式、左輪速度、右輪實(shí)時(shí)速度、橫坐標(biāo)期望值。

4.3 主要參數(shù)顯示和設(shè)置

由上至下分別為：直線速度期望值、舵機(jī)中值、舵機(jī)PID模型比例系數(shù)、舵機(jī)PID模型積分系數(shù)、舵機(jī)PID模型微分系數(shù)、正常模式/調(diào)試模式、轉(zhuǎn)彎速度期望值。

四、比賽經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1.攝像頭焦距需要調(diào)節(jié)到合適位置，否則能看到近距離的目標(biāo)但是看不到遠(yuǎn)距離的目標(biāo)或者能看到遠(yuǎn)距離的目標(biāo)而近距離目標(biāo)模糊，所以調(diào)節(jié)焦距使得最大距離的圖像以及最近距離的圖像都能較為清晰。

2.經(jīng)典控制理論是基于剛性模型所建立，而實(shí)際上我們通常所遇到的例如智能車(chē)的結(jié)構(gòu)都是柔性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)之間存在柔性間隙以及諧振等，所以我們?cè)谛≤?chē)前端的舵機(jī)連桿以及減震結(jié)構(gòu)中加入黃油，堵住間隙又能起到潤(rùn)滑效果。

3.單片機(jī)超頻之后耗電會(huì)加快。

4.6v/250A船型開(kāi)關(guān)使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致電池電壓經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)之后降壓。

5.pwm頻率對(duì)發(fā)熱有影響。頻率太低，電機(jī)外殼會(huì)產(chǎn)生渦流。

6.使用BTN作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，允許通過(guò)的最大電流較低，容易燒芯片，尤其是B車(chē)電機(jī)動(dòng)力大，驅(qū)動(dòng)電流較大。mos管允許通過(guò)的電流值較大，但是一個(gè)電機(jī)需要四個(gè)mos管組成一個(gè)全橋電路驅(qū)動(dòng)，一個(gè)BTN相當(dāng)于一個(gè)半橋。

7.電機(jī)和舵機(jī)控制放在定時(shí)器中斷中。電機(jī)控制頻率1khz，定時(shí)周期1ms。舵機(jī)控制頻率100hz，定時(shí)周期10ms。電機(jī)和舵機(jī)如果同時(shí)放在一個(gè)1ms定時(shí)器里面，每進(jìn)一次中斷變量自加一，加到10的時(shí)候，執(zhí)行舵機(jī)控制程序，中間可能會(huì)被其它中斷打斷，而使得中斷里面沒(méi)有按照10ms的周期控制舵機(jī)。所以電機(jī)和舵機(jī)盡量放在兩個(gè)定時(shí)器中斷里面。實(shí)時(shí)性高的程序放進(jìn)中斷里。

8.PID實(shí)時(shí)調(diào)參方法：設(shè)置三個(gè)電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器旋鈕，改變PID三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd，并通過(guò)無(wú)線模塊將參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送給小車(chē)，同時(shí)接收小車(chē)速度信息，將速度波形顯示在電腦上。

9.在車(chē)底鋪滿鋁箔可以有效減少小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的靜電。

10.減少部分雜光干擾的方法：
①使用偏振片。
②將攝像頭架高。
③鏡頭采用平光鏡。

11.降壓芯片壓差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致芯片工作功率增大而發(fā)燙。

12.ABS制動(dòng)防抱死系統(tǒng)：每秒制動(dòng)8次左右，讓輪胎邊滾邊滑。

13.Matlab數(shù)據(jù)擬合工具箱cftool。

14.LSD限滑：兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差值被允許在一定范圍內(nèi)，以保證正常的轉(zhuǎn)彎等行駛性能。

15.沒(méi)有坑紋的光頭胎相比有坑紋的輪胎，在干地上能提供更多的摩擦力（接觸面積越大，摩擦力越大），更多的摩擦力意味著更強(qiáng)的抓地力，更強(qiáng)的抓地力意味著賽車(chē)尤其是在彎道中就能有更快的車(chē)速。
相關(guān)資料：
https://www.zhihu.com/question/23747154/answer/257882068?utm_source=qq&utm_medium=social

16.F1賽車(chē)彎道轉(zhuǎn)向相關(guān)資料：
https://www.guokr.com/post/691728/focus/0345131746/

17.增大輪胎摩擦力的各種方法（主要針對(duì)B車(chē)輪胎）：
①在輪胎里面墊海綿，使得輪胎膨脹起來(lái)一點(diǎn)。
②先將輪胎密封，然后用注射筒向輪胎內(nèi)充氣。
③使用細(xì)砂紙將輪胎磨平（規(guī)則不允許），增大受力面積，或者將輪胎磨粗糙。
④涂軟化劑。
⑤新C車(chē)輪胎需要多跑跑可以有助于磨輪胎。
⑥松香磨成粉溶解在酒精里，然后涂輪胎上。

18.廣角鏡鏡頭角度越大，鏡頭中的紅外圖像就越小。對(duì)于鷹眼硬件二值化攝像頭，可以通過(guò)提高閾值和提高分辨率使得圖像更大，但是分辨率提高之后CPU負(fù)載大，攝像頭幀率會(huì)下降。

19.信標(biāo)組推薦芯片及攝像頭：K66+總鉆風(fēng)
推薦識(shí)別方案：圖像分割、識(shí)別顏色；
推薦避障方案：線性CCD、攝像頭。

20.新C車(chē)比舊C車(chē)容易打滑。

21.防止輪胎與輪轂分離可以采用704硅膠涂抹在輪胎與輪轂貼合處。

22.DC-DC電路線性穩(wěn)壓效率高。

五、比賽視頻

VLOG｜廈門(mén)五日游(廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院智能車(chē)全國(guó)總決賽)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的第十三届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛-信标对抗组比赛总结的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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