第十三屆“恩智浦”杯全國大學生智能汽車競賽-信標對抗組比賽總結

• 一、比賽形式
• 二、主控板電源電路
• • 1. DC-DC穩壓電路
  • • 1.1 電路原理圖
    • 1.2 穩壓芯片TPS565201熱仿真
    • • 1.2.1 仿真條件
      • 1.2.2 仿真結果
    • 1.3 穩壓芯片TPS565201輸出電流電壓仿真
    • • 1.3.1 仿真結果
  • 2. 線性穩壓電路
  • • 2.1 電路原理圖
    • 2.2 線性穩壓芯片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 雙電機后輪差速：阿克曼（Ackermann）轉向模型
    • • 2.1.1 理論模型
      • 2.1.2 公式推導
      • 2.1.3 算法實現
    • 2.2 接近信標策略：采用舵機PD控制+參數查表法沿信標燈切線方向滅燈
    • 2.3 圖像補償
  • 3. 圖像識別部分
  • • 3.1 攝像頭型號：山外鷹眼硬件二值化攝像頭
    • 3.2 圖像的存儲與壓縮
    • 3.3 圖像橫、縱坐標的計算
    • 3.4 圖像濾波
    • 3.5 創新點：側面攝像頭輔助判斷轉彎方向
  • 4. 調試界面部分
  • • 4.1 攝像頭實時圖像顯示
    • 4.2 當前狀態信息顯示
    • 4.3 主要參數顯示和設置
• 四、比賽經驗總結
• 五、比賽視頻

一、比賽形式

信標對抗組是讓小車通過攝像頭識別閃爍的紅外信標位置，并駛近信標燈，借助小車周圍的磁鐵切割磁感線從而熄滅信標。

二、主控板電源電路

1. DC-DC穩壓電路

1.1 電路原理圖

(1) 芯片型號：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) 環境溫度：30℃
(5) PCB銅厚：2盎司

圖2. TPS565201芯片熱仿真設置

1.2.2 仿真結果

(1) IC最大溫度：81.9℃
(2) PCB最大溫度：81.1℃

圖3. TPS565201芯片熱仿真結果

1.3 穩壓芯片TPS565201輸出電流電壓仿真

1.3.1 仿真結果

圖4. TPS565201芯片輸出電流電壓仿真結果

2. 線性穩壓電路

2.1 電路原理圖

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

圖5. 線性穩壓電路原理圖

2.2 線性穩壓芯片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switch-case語句實現有限狀態機編程。

圖7. 有限狀態機邏輯框架

為了增加可讀性，采用枚舉表示各狀態（如下圖）。

圖8. 狀態說明

2. 控制部分

2.1 雙電機后輪差速：阿克曼（Ackermann）轉向模型

2.1.1 理論模型

圖9. 阿克曼（Ackermann）轉向模型

2.1.2 公式推導

$$\frac{v}{R}=\frac{v1}{R1}=\frac{v2}{R2}$$$$tan\theta =\frac{L}{R}$$$$R1=R?\frac{1}{2}T$$$$R2=R+\frac{1}{2}T$$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 算法實現

2.2 接近信標策略：采用舵機PD控制+參數查表法沿信標燈切線方向滅燈

首先沿著期望的路徑手推小車，并將信標的橫坐標、縱坐標和寬度通過藍牙發送到上位機，儲存在Excel文件中，所得到的橫坐標作為期望橫坐標。以圖像中的實際橫坐標作為反饋，輸入量為期望橫坐標，輸出量為控制舵機角度的PWM波。期望橫坐標與圖像寬度、縱坐標通過查表法建立一一對應的關系，缺點是一旦改變閾值，圖像寬度改變，需要修改的參數較多。原先通過MATLAB對采集到的數據進行擬合，但是發現有些地方數據較分散，找不到合適的擬合函數，所以改用查表法。

圖10. 曲線擬合結果（橫坐標-信標寬度，縱坐標-信標中心點的橫坐標）

在之后的國賽中為了解決利用信標寬度作為PID模型輸入值的缺點，我們改用信標的縱坐標，這樣可以避免因調節閾值而反復修改PID參數和輸入的期望值。

2.3 圖像補償

由于今年規則中信標燈的紅外發射頻率變為10HZ，實際中會出現50ms的無圖像，造成舵機頻繁抖舵，嚴重情況下會因電流過大而燒壞舵機的穩壓芯片。省賽中使用80×60的分辨率，攝像頭幀率合適，抖舵影響不大，所以沒有做圖像補償。但是分辨率改成160×120之后，幀率只有50幀/秒，抖舵現象嚴重，并且經常因為圖像丟失而開始自轉尋找目標。

圖11. 橫坐標補償算法

圖12. 縱坐標補償算法

圖13. 橫圖像補償效果（藍色為離散的原始數據，紅色為連續的補償數據）

3. 圖像識別部分

3.1 攝像頭型號：山外鷹眼硬件二值化攝像頭

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

3.2 圖像的存儲與壓縮

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

3.3 圖像橫、縱坐標的計算

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

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，只能通過遍歷數組尋找離散的點進行簡單的濾波。

圖14. 圖像濾波算法

3.5 創新點：側面攝像頭輔助判斷轉彎方向

由于比賽中熄滅一盞信標燈之后，下一盞信標燈的位置是隨機的，如果采用固定的轉彎方向會導致繞遠路而浪費時間，因此我們采用雙攝像頭輔助定位。省賽前因為圖像分辨率都80×60，所以采用單核雙攝的方案主控芯片也能帶的動。但是國賽改用160×120的分辨率之后，第二個攝像頭無法正常工作，于是改用雙核雙攝的方案，其中兩塊芯片之間通過串口通信。
實現方式是前面的攝像頭為主攝像頭，用于正常尋找目標并反饋給控制系統。當前面的攝像頭沒有捕捉到圖像時，判斷右邊的攝像頭得到的數據，如果右邊攝像頭有圖像，則往右轉，反之往左轉。

圖15. 雙攝像頭擺放位置

4. 調試界面部分

4.1 攝像頭實時圖像顯示

4.2 當前狀態信息顯示

由上至下分別為：橫坐標、縱坐標、圖像寬度、當前工作模式、左輪速度、右輪實時速度、橫坐標期望值。

4.3 主要參數顯示和設置

由上至下分別為：直線速度期望值、舵機中值、舵機PID模型比例系數、舵機PID模型積分系數、舵機PID模型微分系數、正常模式/調試模式、轉彎速度期望值。

四、比賽經驗總結

1.攝像頭焦距需要調節到合適位置，否則能看到近距離的目標但是看不到遠距離的目標或者能看到遠距離的目標而近距離目標模糊，所以調節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.經典控制理論是基于剛性模型所建立，而實際上我們通常所遇到的例如智能車的結構都是柔性結構，結構之間存在柔性間隙以及諧振等，所以我們在小車前端的舵機連桿以及減震結構中加入黃油，堵住間隙又能起到潤滑效果。

3.單片機超頻之后耗電會加快。

4.6v/250A船型開關使用一段時間后會出現問題，導致電池電壓經過開關之后降壓。

5.pwm頻率對發熱有影響。頻率太低，電機外殼會產生渦流。

6.使用BTN作為電機驅動芯片，允許通過的最大電流較低，容易燒芯片，尤其是B車電機動力大，驅動電流較大。mos管允許通過的電流值較大，但是一個電機需要四個mos管組成一個全橋電路驅動，一個BTN相當于一個半橋。

7.電機和舵機控制放在定時器中斷中。電機控制頻率1khz，定時周期1ms。舵機控制頻率100hz，定時周期10ms。電機和舵機如果同時放在一個1ms定時器里面，每進一次中斷變量自加一，加到10的時候，執行舵機控制程序，中間可能會被其它中斷打斷，而使得中斷里面沒有按照10ms的周期控制舵機。所以電機和舵機盡量放在兩個定時器中斷里面。實時性高的程序放進中斷里。

8.PID實時調參方法：設置三個電位器，通過調節電位器旋鈕，改變PID三個參數Kp、Ki、Kd，并通過無線模塊將參數實時發送給小車，同時接收小車速度信息，將速度波形顯示在電腦上。

9.在車底鋪滿鋁箔可以有效減少小車運行過程中產生的靜電。

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.降壓芯片壓差過大會導致芯片工作功率增大而發燙。

12.ABS制動防抱死系統：每秒制動8次左右，讓輪胎邊滾邊滑。

13.Matlab數據擬合工具箱cftool。

14.LSD限滑：兩側驅動輪轉速差值被允許在一定范圍內，以保證正常的轉彎等行駛性能。

15.沒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的抓地力，更強的抓地力意味著賽車尤其是在彎道中就能有更快的車速。
相關資料：
https://www.zhihu.com/question/23747154/answer/257882068?utm_source=qq&utm_medium=social

16.F1賽車彎道轉向相關資料：
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B車輪胎）：
①在輪胎里面墊海綿，使得輪胎膨脹起來一點。
②先將輪胎密封，然后用注射筒向輪胎內充氣。
③使用細砂紙將輪胎磨平（規則不允許），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。對于鷹眼硬件二值化攝像頭，可以通過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負載大，攝像頭幀率會下降。

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

20.新C車比舊C車容易打滑。

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電路線性穩壓效率高。

五、比賽視頻

VLOG｜廈門五日游(廈門大學嘉庚學院智能車全國總決賽)

總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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