01引言

技術(shù)報(bào)告主要講述了本組信標(biāo)車的機(jī)械、硬件、算法情況。今年的信標(biāo)組有別于往年的光電信標(biāo)，采用聲音信標(biāo)的形式，場地中的信標(biāo)燈發(fā)出以0.2048s為周期的Chirp信號(hào)，要求信標(biāo)車完成定位、追蹤和避障。和傳統(tǒng)利用攝像頭來進(jìn)行搜燈任務(wù)的信標(biāo)車相比，今年的聲音信號(hào)定位具有精度低、周期長的特點(diǎn)，使得更高精度的定位，更加有效的降噪，以及在定位信號(hào)沒有更新的時(shí)候如何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制成了本屆信標(biāo)車的難點(diǎn)。

此外，今年高反光率的圓臺(tái)型信標(biāo)燈以及可能出現(xiàn)的室外光環(huán)境為避障任務(wù)增加了巨大的挑戰(zhàn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，需要設(shè)計(jì)低噪聲的麥克風(fēng)支架，降低運(yùn)動(dòng)過程中由輪子、齒輪等部件帶來的噪聲影響。軟件方面，需要對不同的環(huán)境噪聲進(jìn)行分析，針對各種噪聲的特點(diǎn)設(shè)計(jì)濾波算法；圍繞信標(biāo)燈的光學(xué)和形態(tài)特征，結(jié)合攝像頭和測距模塊進(jìn)行避障方案設(shè)計(jì)；利用卡爾曼濾波等算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳感器和聲音定位的融合，實(shí)現(xiàn)在聲音定位信號(hào)更新前的運(yùn)動(dòng)控制。

硬件電路方面，過大的信息量和過多的外設(shè)傳感器對芯片的算力有著不低的要求，因此必須選用多塊MCU才能達(dá)到要求，由于TC264DA的耗電量巨大，也對穩(wěn)壓部分設(shè)計(jì)有了新的要求。

本篇技術(shù)報(bào)告將針對這些問題，提出比較可行的解決方案。

02機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電磁直立組比賽任務(wù)

（1）車模

可以選用H型兩輪車?；蛘咦灾栖嚹?。

（2）傳感器

允許使用攝像頭、麥克風(fēng)、陀螺儀等不含有自解算功能的傳感器。

（3）比賽賽道

比賽是在指定藍(lán)底布上進(jìn)行，底布上鋪設(shè)有聲音信標(biāo)燈。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，因組委會(huì)指定的TC264DA算力有限，我們不得不使用多塊核心板，從而必須搭建多層電路板結(jié)構(gòu)。H車模為麥克納姆輪車模，無需安裝舵機(jī)。

第一層原計(jì)劃用來固定碳桿支架，但由于碳桿較易將高頻振動(dòng)傳至麥克風(fēng)處產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，因而作為備用層處理。

第二層為主控板層，負(fù)責(zé)主要的傳感器采集、信息結(jié)算、運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，留有各類接口以便于未來的調(diào)試與拓展。

第三層為攝像頭采集板層，使用兩塊TC264DA核心板用以采集MT9V034攝像頭回傳的信息，經(jīng)過處理后通過串口傳回主控板。

第四層為攝像頭安裝板層，用以固定前后兩個(gè)攝像頭。

第五層為麥克風(fēng)固定層，采用了傳導(dǎo)振動(dòng)能力較差的木材搭建。

整體視圖如圖2.3.1所示。

2.3 傳感器的安裝與架設(shè)

我們主要使用的傳感器為用于聲音定位的麥克風(fēng)模塊和用于避障的傳感器MT9V034攝像頭，其固定位置與方式如圖2.4.1所示。

2.4智能車主要技術(shù)參數(shù)

智能車主要技術(shù)參數(shù)包括物理尺寸、電路指標(biāo)等，具體參數(shù)見表 2.1。

03電路設(shè)計(jì)

3.1總覽

受疫情影響，今年我們的正式準(zhǔn)備時(shí)間不足兩個(gè)月，因此，比起高性能的IC選型，我們更傾向于高穩(wěn)定性的IC選型，以保證盡可能低的電路故障率。

穩(wěn)壓芯片采用LM2596S系列和AMS1117系列，來自于TI和AMS公司的這兩款芯片久經(jīng)市場的考驗(yàn)，十分穩(wěn)定可靠。其中作為LDO的AMS1117存在著電流過大時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重的現(xiàn)象，為了避免結(jié)溫，我們于其上安裝了散熱片，發(fā)熱情況得以減輕。

3.2主控板設(shè)計(jì)

主控板是整個(gè)車模的核心，我們采用穩(wěn)定可靠的LM2596S與AMS1117系列作為電源管理芯片，龍邱公司的TC264DA核心板作為主運(yùn)算及控制單元。為了方便調(diào)試、檢修與拓展，我們電源線的連接均使用KF128壓線端子，并且在主控板上留有各式接口，方便未來的編程及維護(hù)。

3.3 攝像頭拓展板設(shè)計(jì)

在之后的工作中，為了更好地進(jìn)行避障，我們計(jì)劃加裝兩個(gè)MT9V034攝像頭，而一塊TC264DA的算力明顯是不夠的，因此我們單獨(dú)設(shè)計(jì)了一板搭載有兩塊TC264DA核心板的拓展板，通過串口與主板進(jìn)行通訊，電源管理部分沿用主控板的設(shè)計(jì)。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為了考慮到整體硬件的穩(wěn)定性，我們選用往屆智能車競賽中被大量使用的方案，也是我們認(rèn)為較為穩(wěn)妥的方案–英飛凌公司生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTN7971B。

我們在數(shù)據(jù)手冊中發(fā)現(xiàn)BTN7971B自帶電流檢測引腳，因此我們決定嘗試在電路中加入電流環(huán)，但實(shí)際測試中其效果并不令人滿意–兩片驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)發(fā)生電磁干擾的情況，由于時(shí)間緊迫，我們并未做進(jìn)一步嘗試。

就隔離部分而言，我們采用的是邏輯芯片的隔離方法，邏輯芯片的內(nèi)部效果接近于磁耦隔離，只能單向?qū)?，但是隔離效果較差，對于大功率電器基本無隔離效果，其基礎(chǔ)隔離能力足夠。光耦隔離的原理是一端利用光源發(fā)射信號(hào)，另一端接收光信號(hào)，兩邊以光作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，相當(dāng)于單向?qū)?，所以不存在一方面電壓電流過大將另一方面燒毀的情況。

04軟件算法

信標(biāo)車的運(yùn)動(dòng)總共分成了追燈和避障兩個(gè)部分。而為了滿足對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制需要，信標(biāo)車需要完成信標(biāo)位置信息的獲取，障礙物位置信息的獲取，以及車模自身的角速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、車身運(yùn)動(dòng)的速度矢量等信息的獲取。

4.1 聲音定位

今年的信標(biāo)組采用聲音信標(biāo)的形式，圓臺(tái)型的信標(biāo)燈發(fā)出Chirp聲音信號(hào)以及相應(yīng)的FM調(diào)頻信號(hào)，信標(biāo)車需要根絕聲音和FM信號(hào)來完成信標(biāo)燈的定位。由于信標(biāo)燈發(fā)出的聲音可以基本視為遠(yuǎn)場信號(hào)，因此可以通過不同麥克風(fēng)互相關(guān)得到不同聲音信號(hào)的相位差，并以此來近似獲得聲源與兩個(gè)麥克風(fēng)連線的夾角。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)麥克風(fēng)連線的法線正負(fù)30°范圍內(nèi)的聲源可以基本定位準(zhǔn)確。因此兩個(gè)麥克風(fēng)可以完成前后各60°，共120°的角度定位。全車三個(gè)麥克風(fēng)，兩兩互相關(guān)，共三組，完成四周360°的信標(biāo)燈定位。

互相關(guān)運(yùn)算通常依靠FFT來縮短運(yùn)算用時(shí)，但是使用FFT時(shí)需要存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)中間運(yùn)算步驟中產(chǎn)生的復(fù)數(shù)序列，并且需要對ADC采集得到的序列通過補(bǔ)零加長。這樣的空間代價(jià)對于單片機(jī)而言是不太劃算的。反觀FFT在時(shí)間上帶來的縮短，由于聲速很快，因此在20cm間距的麥克風(fēng)之間產(chǎn)生的相移很有限，獲取互相關(guān)最大值根本不需要計(jì)算整個(gè)互相關(guān)序列，只需要在首尾的一小段查找即可。計(jì)算可得，在這樣的條件下，F(xiàn)FT帶來的運(yùn)算時(shí)間縮短并不明顯，因而車模采用直接互相關(guān)的方法進(jìn)行運(yùn)算。

通過互相關(guān)可以根據(jù)信標(biāo)燈發(fā)出的聲音來定位信標(biāo)燈，但是由于車模在運(yùn)動(dòng)過程中輪子、齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)出噪聲，而這些噪聲會(huì)影響定位的準(zhǔn)確性，因此需要對采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。根據(jù)錄音采集不同車速下的聲音信號(hào)，經(jīng)過FFT變換進(jìn)行頻譜分析，判斷得出車輪噪聲較信標(biāo)聲音而言相對高頻，因此在頻域采用理想低通濾波器，對超過信標(biāo)燈Chirp信號(hào)頻率的高頻信號(hào)進(jìn)行截止。通過低通濾波和機(jī)械減震配合，綜合取得了相對良好的定位效果。

4.2避障算法

今年的信標(biāo)燈由于呈圓臺(tái)型，所以一旦車模往上撞擊，很可能會(huì)發(fā)生四輪懸空，卡住下不來的情況。而又因?yàn)閳A臺(tái)的底角較小，所以依靠反射的測距傳感器在此處應(yīng)用的效果都會(huì)比它們面對平面應(yīng)用的效果要差得多。為了確保避障的穩(wěn)定性，我們采用了攝像頭避障的方案。

由于與往年不同，十五屆的信標(biāo)燈外觀呈金屬光澤，因此信標(biāo)燈的外觀很大程度上取決于環(huán)境光的影響。經(jīng)過實(shí)際測試，當(dāng)場地光源在信標(biāo)燈的一側(cè)時(shí)，信標(biāo)燈的向光面和背光面圖像差異十分明顯。

為了獲取更好的障礙物判斷效果，在攝像頭上加上高通濾鏡，用以加大藍(lán)底布和信標(biāo)燈的圖像差異。之后，通過偏振片和基于索貝爾算子的邊緣檢測來實(shí)現(xiàn)對燈光或者陽光在藍(lán)底布上形成的光斑的濾除。由于信標(biāo)燈罩與場地之間的邊緣較為明顯，而在高通濾鏡的作用下，相較藍(lán)底布灰度值也較高，因此在獲得了邊緣檢測的結(jié)果后，再在滿足灰度值條件的邊緣點(diǎn)上通過區(qū)域生長法來找到完整的信標(biāo)燈圖像。

4.3運(yùn)動(dòng)控制

車模通過編碼器和MPU6050來獲取自身的車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向角速度信息。通過角度，角速度和轉(zhuǎn)速的串級(jí)來實(shí)現(xiàn)對智能車的運(yùn)動(dòng)控制。在避障的時(shí)候基于當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行曲率規(guī)劃，防止出現(xiàn)突然打滑的情況，導(dǎo)致避障失敗。由于不同車速下，在攝像頭判斷出障礙物帶來的時(shí)延中車輛向前行進(jìn)的距離不同，所以對不同車速下的避障過程線性地規(guī)劃不同的曲率半徑以達(dá)到更好的避障效果。

05開發(fā)與調(diào)試

5.1 開發(fā)工具

程序的開發(fā)是在TASKING 下進(jìn)行的，包括源程序的編寫、編譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件。Tasking公司 1977年成立，是 8 位、16 位、32 位嵌入式微控制器開發(fā)工具 提供商，Tasking 開發(fā)工具被汽車制造商廣泛使用。對高度復(fù)雜和功能豐富的嵌 入式系統(tǒng)的依賴程度很高，這意味著您需要一款能保證產(chǎn)品質(zhì)量、安全性和可靠 性的嵌入式設(shè)計(jì)工具。

TASKING 開發(fā)工具以及我們的認(rèn)證服務(wù)，將有助于確保 設(shè)計(jì)一次成功。他可以支持 DSP 和 8 位、16 位、32 位處理器，為微控制器和軟核提供開發(fā)工具。

在對不同的噪聲進(jìn)行錄音分析的過程中使用了Octave等數(shù)學(xué)軟件，通過仿真和對錄制聲音的處理，我們大大縮短了方案設(shè)計(jì)的時(shí)間。同時(shí)，通過將麥克風(fēng)錄制的音頻通過串口發(fā)送至電腦并轉(zhuǎn)化為音頻放出，幫助我們直觀地判斷了噪聲的情況。

在攝像頭的使用過程中使用了山外調(diào)試助手，串口上傳采集到的圖像，在我們選擇濾鏡和設(shè)計(jì)圖像處理算法的過程中提供了巨大的幫助。

此外，我們使用名為vofa+的上位機(jī)，這款通用工具能讓嵌入式開發(fā)人員在實(shí)時(shí)環(huán)境中監(jiān)測嵌入式系統(tǒng)。有了vofa+，不再需要像以前一樣為了得到系統(tǒng)反饋必須停止一個(gè)應(yīng)用程序；有了 vofa+，用戶 可以圖形化方式 觀測正在運(yùn)行的嵌入式應(yīng)用程序的內(nèi)部，這樣節(jié)省了大量的開發(fā)時(shí)間；有了vofa+，開發(fā)者可以保證系統(tǒng)正確地運(yùn)行，或者迅速找到系統(tǒng)的不穩(wěn)定性 , 這些不穩(wěn)定性一般情況下 ( 不用工具 ) 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)。

※ 結(jié)束語

2020是無比特殊的一年，許許多多的科創(chuàng)競賽都延期或者選擇了取消，在這樣嚴(yán)峻的疫情下，全國大學(xué)生智能汽車競賽能夠正常舉辦對于所有參賽的選手來說無疑都是一個(gè)巨大的驚喜。

由于東北疫情的反復(fù)，今年大部分時(shí)間，我們都沒有辦法在學(xué)校里進(jìn)行智能車的設(shè)計(jì)和調(diào)試，大家只能在家里盡可能地創(chuàng)造條件，不論是購置儀器工具還是在家里鋪設(shè)賽道，大家都毫無怨言，積極地做出自己的貢獻(xiàn)。在今年如此艱難的條件下，與其說我們是為了比智能車比賽而做的這些，倒不如說是那份智能車精神在不斷激勵(lì)著我們。

今年的信標(biāo)組，不論是全新的TC264單片機(jī)還是從未接觸過的聲音定位，對我們來說是完完全全陌生的挑戰(zhàn)。雖然非常辛苦，但也收獲良多，對于麥克風(fēng)、咪頭、放大器的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，對于聲音信號(hào)處理的初步熟悉，對于信號(hào)與系統(tǒng)的加深理解以及對于硬件運(yùn)算加速的接觸、使用等等知識(shí)和經(jīng)歷都是做其他任何組別都無法體驗(yàn)的。最后盡管由于時(shí)間倉促，仍舊沒有讓信標(biāo)車達(dá)到我們心目中的預(yù)期，但也算是善始善終，取得了不錯(cuò)的結(jié)果。

智能車的經(jīng)歷對我來說，不僅僅是知識(shí)的學(xué)習(xí)、工程的認(rèn)識(shí)，更重要的是，他向我展示了無垠的技術(shù)天地。?我在感慨于其浩渺的同時(shí)，也深深認(rèn)識(shí)到自己的渺小，而也正是這樣一份渺小與無力激勵(lì)著我在不斷進(jìn)取。兩年前初識(shí)智能車的我是一個(gè)不折不扣的小白，回顧那時(shí)我犯過的許多錯(cuò)誤，真是幼稚可笑。然而，現(xiàn)在的我又何嘗不是什么都不會(huì)的菜鳥呢？曾經(jīng)的我以為努力拼搏，終成雄鷹，翱翔藍(lán)天。如今發(fā)現(xiàn)，技術(shù)的天空永遠(yuǎn)是那么的寬闊，在這片充滿著無窮魅力的蔚藍(lán)下，我永遠(yuǎn)是一只小小鳥吧。

愿所有在藍(lán)底布上，信標(biāo)燈的聲音里，焊錫、松香的氣味中度過一個(gè)個(gè)日日夜夜的智能車人們，繼續(xù)懷揣著極速的夢想與激情，勇敢前進(jìn)！