作品視頻演示地址https://www.bilibili.com/video/BV1pGHb6VEod/?spm_id_from333.1387.0.0vd_source6ea1beb17174384a0b3d09d6d35580f6第十五屆全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽賽題賽題 1智能車光電象棋對抗一、競賽要點本賽題以中國象棋文化為載體打造光電智能車同場對抗競技任務(wù)核心考察參賽隊在光電目標識別、自主導(dǎo)航定位、運動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行禁止場外遙控與人工干預(yù)。二、競賽內(nèi)容1. 場地設(shè)置采用 3 m × 2 m 矩形賽場四周設(shè) 80 mm 高擋板場地分為中央對抗區(qū)、兩側(cè)球門區(qū)、發(fā)車區(qū)與棋子堆放區(qū)。2. 對抗棋子全場隨機投放 32 枚象棋棋子紅黑各 16 枚按棋子等級設(shè)置 1–10 分差異化分值。3. 參賽車輛每隊配置 1 輛智能車發(fā)車狀態(tài)尺寸不超過 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、滾輪等推進機構(gòu)禁止電磁鐵吸附、遙控操作與破壞性裝置。4. 計分與勝負判定車輛推動棋子整體進入己方球門區(qū)按棋子對應(yīng)分值累計得分惡意沖撞對方車輛、激光功率超標等行為將被扣分或直接判負。最終按累計得分判定勝負若出現(xiàn)平局依次比較進球總數(shù)量、“帥/將”棋子歸屬仍相同則進行 60 秒金球加賽先得分方獲勝。圖 1 實測推回單枚棋子三、賽題分析與設(shè)計需求賽題的本質(zhì)是一個“感知–定位–決策–執(zhí)行”閉環(huán)的限時對抗任務(wù)每一條規(guī)則都可以直接轉(zhuǎn)化為設(shè)計約束。規(guī)則條款設(shè)計約束與對策3 m × 2 m 場地四周 80 mm 擋板擋板是最可靠的定位基準雷達掃描面放在 50 mm 高度能看見擋板、對方車和門框立柱看不見約 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)已知定位無需全局初始化32 枚棋子紅黑各 16按等級 1–10 分需要“檢測 字符分類”兩級視覺兩色棋子對雙方均計分策略按分值/耗時貪心車 ≤ 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)雷達為 Class 1905 nm另加 ≤ 1 mW 650 nm 線激光做推板口棋子檢測并準備功率實測記錄允許推板/滾輪禁止電磁鐵、遙控、破壞性裝置被動 V 形推板比賽時硬件禁用 Wi-Fi車載按鈕啟動惡意沖撞對方車輛扣分/判負雷達聚類檢測對方車45 cm 內(nèi)停車讓行平局判定進球數(shù) → 帥/將歸屬 → 60 s 金球帥/將優(yōu)先級最高金球階段改為最近棋子優(yōu)先從計分規(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間內(nèi)的得分效率32 枚棋子均勻散布在 6 m2 場地上平均間距約 0.43 m一次推行攜帶多枚棋子、優(yōu)先處理己方半場的高分棋子是提高總分的主要杠桿。因此設(shè)計需求歸結(jié)為四點定位要穩(wěn)推線誤差小于推板半寬、識別要快邊跑邊建圖、推板要能自動聚心、策略要會算賬。圖 2 實測圖像識別四、總體方案與系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)采用“樹莓派 5B 負責(zé)感知與決策、Pico 負責(zé)實時運動控制”的兩級架構(gòu)把非實時的 Linux 上層與需要硬實時的電機控制徹底分開。樹莓派 5B4 核 Cortex-A768 GB運行相機采集、棋子檢測與分類、雷達定位、世界模型、策略狀態(tài)機和路徑規(guī)劃以 20 Hz 輸出線速度與角速度指令Pico 運行 200 Hz 電機速度環(huán)、編碼器計數(shù)、IMU 航向積分、里程計上報和通信看門狗兩者通過 USB 串口以 ASCII 行協(xié)議通信。圖表代碼下載全屏廣角相機 30 fps棋子檢測 字符分類地面單應(yīng)→車體坐標世界模型: 棋子地圖 對方位置激光雷達 10 Hz點到墻 ICP 定位里程計 IMU 50 Hz非墻點聚類→對方車策略狀態(tài)機 20 HzPico 速度環(huán) 200 Hz左右電機五、軟件架構(gòu)與實現(xiàn)軟件在樹莓派 OS 64 位上用 Python 3 實現(xiàn)依賴 OpenCV、picamera2、ncnn/onnxruntime 和 numpy按功能拆為配置、雷達驅(qū)動、定位、感知、世界模型、運動原語、策略、下位機通信和仿真九個模塊模塊間只通過數(shù)據(jù)類傳遞信息便于單獨測試和替換。上下位機通信采用 USB 串口 ASCII 行協(xié)議下行為速度指令、停車和里程計清零上行為里程計位姿、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 編寫編碼器計數(shù)由 PIO 狀態(tài)機完成。運行方式systemd 開機自啟動主程序啟動后自動禁用無線網(wǎng)卡只有插入調(diào)試跳線帽時才保留 Wi-Fi車載按鈕觸發(fā)比賽流程狀態(tài) LED 顯示就緒/運行/故障。全部幾何、分值、速度參數(shù)集中在一個配置文件更換參賽隊伍或場地時只需修改一個隊伍參數(shù)。開機到就緒約 20 s發(fā)車前預(yù)留一分鐘上電。圖 3 實測全部完成任務(wù)六、標定、測試與仿真驗證驗證工作分三層仿真驗證策略、單元測試驗證模塊、模擬場地整場對抗驗證系統(tǒng)。1. 標定流程按順序進行搭建 3 m × 2 m 模擬場80 mm 木板圍擋按圖紙貼區(qū)域線把車擺在已知位姿比對定位輸出標定雷達安裝偏置與零角地面單應(yīng)矩陣用 ≥ 6 個標記點標定到賽場后用真實地面復(fù)標一次在賽場燈光下采集 2,000 張以上棋子圖像利用賽前布置時間微調(diào)檢測與分類模型電機速度環(huán)用階躍響應(yīng)調(diào)參目標超調(diào)不超過 10%。2. 單元測試指標推板在不同入射角±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入球門區(qū)的比例 ≥ 95%定位在 5 分鐘連續(xù)運動后誤差 ≤ 3 cm。3. 整場測試整場測試不少于 20 場統(tǒng)計每枚棋子平均耗時和失敗原因脫困、丟棋、誤識別按占比逐項調(diào)參。4. 仿真驗證用一個運動學(xué)仿真器復(fù)現(xiàn)場地、隨機投放的 32 枚棋子、V 形推板的攜帶與聚心、雷達射線、相機視場與帶噪聲的里程計定位、地圖和策略代碼與實車完全相同。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)計調(diào)優(yōu)后可達 18 枚、超過 90 分。