作品視頻演示地址https://www.bilibili.com/video/BV1pGHb6VEod/?spm_id_from333.1387.0.0vd_source6ea1beb17174384a0b3d09d6d35580f6第十五屆全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題賽題 1智能車光電象棋對(duì)抗一、競(jìng)賽要點(diǎn)本賽題以中國(guó)象棋文化為載體打造光電智能車同場(chǎng)對(duì)抗競(jìng)技任務(wù)核心考察參賽隊(duì)在光電目標(biāo)識(shí)別、自主導(dǎo)航定位、運(yùn)動(dòng)控制與智能決策方面的綜合工程能力。賽題要求車輛全程全自主運(yùn)行禁止場(chǎng)外遙控與人工干預(yù)。二、競(jìng)賽內(nèi)容1. 場(chǎng)地設(shè)置采用 3 m × 2 m 矩形賽場(chǎng)四周設(shè) 80 mm 高擋板場(chǎng)地分為中央對(duì)抗區(qū)、兩側(cè)球門區(qū)、發(fā)車區(qū)與棋子堆放區(qū)。2. 對(duì)抗棋子全場(chǎng)隨機(jī)投放 32 枚象棋棋子紅黑各 16 枚按棋子等級(jí)設(shè)置 1–10 分差異化分值。3. 參賽車輛每隊(duì)配置 1 輛智能車發(fā)車狀態(tài)尺寸不超過(guò) 250 mm × 200 mm × 180 mm質(zhì)量 ≤ 1.5 kg采用車載電池供電搭載功率 ≤ 1 mW 的 II 類安全激光系統(tǒng)可使用推板、滾輪等推進(jìn)機(jī)構(gòu)禁止電磁鐵吸附、遙控操作與破壞性裝置。4. 計(jì)分與勝負(fù)判定車輛推動(dòng)棋子整體進(jìn)入己方球門區(qū)按棋子對(duì)應(yīng)分值累計(jì)得分惡意沖撞對(duì)方車輛、激光功率超標(biāo)等行為將被扣分或直接判負(fù)。最終按累計(jì)得分判定勝負(fù)若出現(xiàn)平局依次比較進(jìn)球總數(shù)量、“帥/將”棋子歸屬仍相同則進(jìn)行 60 秒金球加賽先得分方獲勝。圖 1 實(shí)測(cè)推回單枚棋子三、賽題分析與設(shè)計(jì)需求賽題的本質(zhì)是一個(gè)“感知–定位–決策–執(zhí)行”閉環(huán)的限時(shí)對(duì)抗任務(wù)每一條規(guī)則都可以直接轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)約束。規(guī)則條款設(shè)計(jì)約束與對(duì)策3 m × 2 m 場(chǎng)地四周 80 mm 擋板擋板是最可靠的定位基準(zhǔn)雷達(dá)掃描面放在 50 mm 高度能看見(jiàn)擋板、對(duì)方車和門框立柱看不見(jiàn)約 10 mm 厚的棋子球門區(qū)在短邊、發(fā)車區(qū)在角落、中央設(shè)棋子堆放區(qū)尺寸待修訂所有區(qū)域尺寸參數(shù)化發(fā)車姿態(tài)已知定位無(wú)需全局初始化32 枚棋子紅黑各 16按等級(jí) 1–10 分需要“檢測(cè) 字符分類”兩級(jí)視覺(jué)兩色棋子對(duì)雙方均計(jì)分策略按分值/耗時(shí)貪心車 ≤ 250 mm × 200 mm × 180 mm、≤ 1.5 kg、車載電池重量預(yù)算 1.0–1.1 kg樹莓派 5 需 5 V/5 A 穩(wěn)定供電≤ 1 mW 二類安全激光系統(tǒng)雷達(dá)為 Class 1905 nm另加 ≤ 1 mW 650 nm 線激光做推板口棋子檢測(cè)并準(zhǔn)備功率實(shí)測(cè)記錄允許推板/滾輪禁止電磁鐵、遙控、破壞性裝置被動(dòng) V 形推板比賽時(shí)硬件禁用 Wi-Fi車載按鈕啟動(dòng)惡意沖撞對(duì)方車輛扣分/判負(fù)雷達(dá)聚類檢測(cè)對(duì)方車45 cm 內(nèi)停車讓行平局判定進(jìn)球數(shù) → 帥/將歸屬 → 60 s 金球帥/將優(yōu)先級(jí)最高金球階段改為最近棋子優(yōu)先從計(jì)分規(guī)則看得分的關(guān)鍵不是單枚棋子推得多精確而是單位時(shí)間內(nèi)的得分效率32 枚棋子均勻散布在 6 m2 場(chǎng)地上平均間距約 0.43 m一次推行攜帶多枚棋子、優(yōu)先處理己方半場(chǎng)的高分棋子是提高總分的主要杠桿。因此設(shè)計(jì)需求歸結(jié)為四點(diǎn)定位要穩(wěn)推線誤差小于推板半寬、識(shí)別要快邊跑邊建圖、推板要能自動(dòng)聚心、策略要會(huì)算賬。圖 2 實(shí)測(cè)圖像識(shí)別四、總體方案與系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)采用“樹莓派 5B 負(fù)責(zé)感知與決策、Pico 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制”的兩級(jí)架構(gòu)把非實(shí)時(shí)的 Linux 上層與需要硬實(shí)時(shí)的電機(jī)控制徹底分開(kāi)。樹莓派 5B4 核 Cortex-A768 GB運(yùn)行相機(jī)采集、棋子檢測(cè)與分類、雷達(dá)定位、世界模型、策略狀態(tài)機(jī)和路徑規(guī)劃以 20 Hz 輸出線速度與角速度指令Pico 運(yùn)行 200 Hz 電機(jī)速度環(huán)、編碼器計(jì)數(shù)、IMU 航向積分、里程計(jì)上報(bào)和通信看門狗兩者通過(guò) USB 串口以 ASCII 行協(xié)議通信。圖表代碼下載全屏廣角相機(jī) 30 fps棋子檢測(cè) 字符分類地面單應(yīng)→車體坐標(biāo)世界模型: 棋子地圖 對(duì)方位置激光雷達(dá) 10 Hz點(diǎn)到墻 ICP 定位里程計(jì) IMU 50 Hz非墻點(diǎn)聚類→對(duì)方車策略狀態(tài)機(jī) 20 HzPico 速度環(huán) 200 Hz左右電機(jī)五、軟件架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)軟件在樹莓派 OS 64 位上用 Python 3 實(shí)現(xiàn)依賴 OpenCV、picamera2、ncnn/onnxruntime 和 numpy按功能拆為配置、雷達(dá)驅(qū)動(dòng)、定位、感知、世界模型、運(yùn)動(dòng)原語(yǔ)、策略、下位機(jī)通信和仿真九個(gè)模塊模塊間只通過(guò)數(shù)據(jù)類傳遞信息便于單獨(dú)測(cè)試和替換。上下位機(jī)通信采用 USB 串口 ASCII 行協(xié)議下行為速度指令、停車和里程計(jì)清零上行為里程計(jì)位姿、按鈕狀態(tài)和電池電壓文本協(xié)議能直接用串口工具抓包調(diào)試。Pico 固件用 MicroPython 編寫編碼器計(jì)數(shù)由 PIO 狀態(tài)機(jī)完成。運(yùn)行方式systemd 開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)主程序啟動(dòng)后自動(dòng)禁用無(wú)線網(wǎng)卡只有插入調(diào)試跳線帽時(shí)才保留 Wi-Fi車載按鈕觸發(fā)比賽流程狀態(tài) LED 顯示就緒/運(yùn)行/故障。全部幾何、分值、速度參數(shù)集中在一個(gè)配置文件更換參賽隊(duì)伍或場(chǎng)地時(shí)只需修改一個(gè)隊(duì)伍參數(shù)。開(kāi)機(jī)到就緒約 20 s發(fā)車前預(yù)留一分鐘上電。圖 3 實(shí)測(cè)全部完成任務(wù)六、標(biāo)定、測(cè)試與仿真驗(yàn)證驗(yàn)證工作分三層仿真驗(yàn)證策略、單元測(cè)試驗(yàn)證模塊、模擬場(chǎng)地整場(chǎng)對(duì)抗驗(yàn)證系統(tǒng)。1. 標(biāo)定流程按順序進(jìn)行搭建 3 m × 2 m 模擬場(chǎng)80 mm 木板圍擋按圖紙貼區(qū)域線把車擺在已知位姿比對(duì)定位輸出標(biāo)定雷達(dá)安裝偏置與零角地面單應(yīng)矩陣用 ≥ 6 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)定到賽場(chǎng)后用真實(shí)地面復(fù)標(biāo)一次在賽場(chǎng)燈光下采集 2,000 張以上棋子圖像利用賽前布置時(shí)間微調(diào)檢測(cè)與分類模型電機(jī)速度環(huán)用階躍響應(yīng)調(diào)參目標(biāo)超調(diào)不超過(guò) 10%。2. 單元測(cè)試指標(biāo)推板在不同入射角±30°和偏置±7 cm下的鏟棋成功率 ≥ 95%推行 2 m 后棋子保持率 ≥ 95%球門口釋放后棋子整體進(jìn)入球門區(qū)的比例 ≥ 95%定位在 5 分鐘連續(xù)運(yùn)動(dòng)后誤差 ≤ 3 cm。3. 整場(chǎng)測(cè)試整場(chǎng)測(cè)試不少于 20 場(chǎng)統(tǒng)計(jì)每枚棋子平均耗時(shí)和失敗原因脫困、丟棋、誤識(shí)別按占比逐項(xiàng)調(diào)參。4. 仿真驗(yàn)證用一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真器復(fù)現(xiàn)場(chǎng)地、隨機(jī)投放的 32 枚棋子、V 形推板的攜帶與聚心、雷達(dá)射線、相機(jī)視場(chǎng)與帶噪聲的里程計(jì)定位、地圖和策略代碼與實(shí)車完全相同。初版策略在仿真中 180 s 內(nèi)推入 13–15 枚棋子、得分約 60 分定位平均誤差 0.8 cm仿真暴露的主要問(wèn)題是角落處原地轉(zhuǎn)向撞墻和球門前棋子堆積已分別用轉(zhuǎn)向包絡(luò)圓余量和槽位分配解決預(yù)計(jì)調(diào)優(yōu)后可達(dá) 18 枚、超過(guò) 90 分。