简 介： 本文详细介绍了第十六届全国大学生智能汽车竞赛中智能视觉组的系统方案。本组的比赛由组委会统一指定C恩智浦半导体公司生产的32台单片机模型I.MX RT使用1064 作为核心控制器OpenART mini摄像头视觉处理模块对Apriltag识别数字目标，使用它Lenet进行模型培训。智能汽车需要收集轨道电磁信息，尽快绕过轨道两圈，执行关心动物、击中水果、识别三叉路口等任务。智能汽车使用六个电磁传输来检测轨道信息，并根据对称配对电感收集到的电磁信号的差异进行相应的方向调整；通过编码器检测智能汽车的实时速度，使用 PID 控制算法调整电机转速和舵机转角，实现智能汽车行驶过程中速度和方向的闭环控制；为了提高模型车辆调试的简单性，使用无线串口模块TFT显示模块等调试工具达到了良好的人机交互效果，大大节省了调试时间。经过大量的实验，实验结果表明，该系统的设计方案是可行的。 ： ，，，
第一章 绪论
1.1 智能车研究背景
??目前，在企业生产技术不断提高、自动化技术要求不断深化的环境下，智能车辆和基于智能车辆开发的产品已成为自动物流运输、灵活生产组织等系统的关键设备。智能汽车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等功能于一体的综合性系统。它集中使用计算机、传感、信息、通信、导航和自动控制技术，是一个典型的高科技综合体。它具有自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、速度和巡航控制功能，结合图像识别和大数据知识实现一些特定功能，是现代人工智能发展的重要组成部分。
??全国大学生智能汽车竞赛从 2006 ，由教育部高等教育委员会委托高等学校自动化教学指导委员会旨在加强学生实践、创新能力和培养团队精神创意技术竞赛，成功举办了15届，2021年举办了第16届全国大学生智能汽车竞赛。全国大学生智能汽车竞赛是在竞赛组委会提供的统一汽车模型平台上使用英飞凌（Infineon）、宏晶公司（STC）、灵动微电子（MindMotion）、沁恒微电子（WCH）、恩智浦（NXP）公司生产的微控制器作为程主控制器，公司生产的微控制器通过设计传感器收集电路和电机驱动电路，编制相应的算法程序和组装模型车辆，制作能够独立识别道路的模型车辆，按照规定的路线行驶，并完成一些特定的功能，以完成时间最短的为胜利。
1.2 智能视觉组竞赛规则简介
??比赛是在 PVC 在轨道上，轨道由黑色边线和电磁引导。模型从车库驶出，运行两周后进入车库。比赛时间是从模型驶出车库到返回车库的时差，所以计时线圈放置在车库门口。轨道上的斑马线和斑马线下的磁铁放置与以往的规则相同。
▲ 图1.1 车库斑马线 ??以下两项任务需要在车模行驶过程中完成。
- 任务一：根据三叉路口数字目标上的奇偶，选择哪个支路。如果是偶数，选择右边的十字路口。如果是奇数，选择左边的十字路口。第二圈选择的支路方向与第一圈不同。
- 任务二：在路上识别Apriltag，并根据路边目标的图案执行不同的动作。如果是动物，在该区域停止超过三秒钟。如果是水果，用激光击打水果。
??最后，根据完成任务和完成赛道的时间，得到最后的完成时间。
1.3 方案总体介绍
??赛道表面为白色，两侧有连续黑线作为赛道边界，黑线宽度为20-30mm。轨道中央有一条电磁导线。该模型通过收集电磁信息进行路径检测。参与者的目标是使智能汽车在驾驶过程中按照规则完成视觉组的一些指定任务，并在轨道上运行两周，并在最短的时间内进入车库。根据竞赛规则的相关规定，本智能汽车系统采用竞赛组委会提供的 C 模型，以 NXP 32 微控制器I.MX RT使用1064作为核心控制器python视觉模型训练，IAR软件开发是在开发环境中进行的。OpenART 相机扫描轨道元素，如Apriltag、动物图片、数字目标、水果图片。通过五种方式对相机识别的图像进行分类IO并行输送到端口I.MX RT1064微控制器，根据分类结果控制执行器，通过编码器检测速度，通过单片机正交解码脉冲计算速度和距离；转向舵和驱动电机分别使用PD,PID控制，并使用舵机转向 差速算法实现转向。PWM信号控制驱动电路调节电机功率，然后控制速度。
1.4 本文结构
??本文分为七章。第一章主要介绍了竞争背景和智能汽车系统的总体方案；第二章从智能汽车系统的机械结构出发，详细阐述了智能汽车系统各部分机械结构的设计和安装；第三章重点介绍了智能汽车系统中涉及的电气硬件设计方案和原理；第四章介绍了电机舵机的控制算法；第五章介绍了图像识别算法；第六章介绍了调试过程中使用的一些工具、手段和问题；第七章简要列出了智能汽车的一些物理参数。
第二章 机设计和调整机械结构
??设计算一辆性能优越的智能汽车，首先需要使模型具有稳定的机械结构。稳定的机械结构有利于编制智能汽车的控制算法，特别是在高速运行时，可以有效地减少模型漂移和抖动的干扰，降低控制难度。因此，它不仅是设计控制策略和算法的基础，也是突破智能速度瓶颈的关键。因此，我们在遵守竞争规则的前提下，对模型进行了各种调整，使模型具有更好的运行性能。
2.1 整体布局
??根据智能视觉组竞有限公司根据智能视觉组竞赛规威龙科技有限公司生产的智能车竞赛专用模型车（C1型模型车)，前轮转向，后轮驱动，采用双驱动RS380马达，配套伺服器型号为 S3010。车型采用车盘一体化和后轴双轴设计，具有刚性足、重心低、操控性强的特点。但在实际使用过程中，虽然低底盘机构降低了重心，使车型在运行过程中更加稳定，但不利于车型通过坡道。因此，在设计过程中没有安装影响车型上坡的前泵把，并调整了整体重心，防止车型卡在坡道最高点。组装好的智能车如图2所示.1所示。
▲ 图 2.1 智能车全貌 2.2 舵机安装
? 根据智能视觉组的任务要求，车模至少需要安装两个舵机，一个负责控制车模转向，型号为S3010，另一个负责控制识别摄像头转向，型号为PDI-6225MG。
2.2.1 转向舵机
转向舵机是控制车模稳定运行的关键部件，同时舵机转向也是整个控制系统中延迟较大的一个环节。通过分析转向轮的转向原理可以发现，在相同条件下，转向连杆与舵机的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向时角度变化越快。这相当于增加角度调节头的转动半径，提高了线速度。根据上述特性，为了提高舵机响应速度，将舵机竖直安装，使舵机的输出臂更长，这样就可以在舵机输出较小的转角时，前轮转动较大的角度，从而提高了整个车模转向控制的速度。同时舵机安装在车模正中央，避免多级传动产生空程和死区问题并保证两轮转动角度一致。
▲ 图 2.2 转向舵机
2.2.2 摇头舵机
控制识别摄像头转动的摇头舵机对摄像头的识别能力有着一定的影响，为了能够获得较好的视野，所选摇头舵机拥有300°的转动角度，并将其安装在车模正前方，底部通过热熔胶与转向舵机相连，并用支架固定，确保摇头舵机在车模高速行驶的过程之�