“火线救援”智能车

作者：2016级王广晗 精仪系；范雨晗 自动化系

指导老师：无

关键词： 电子设计大赛 自主导航 多传感器

摘要

这辆智能车是第21届“商汤杯”清华大学电子设计大赛“火线救援”的参赛作品之一，获得一等奖（第二名）。该车具有全向平移能力，装备多种传感器，能够前往任意给定坐标，在黑色网格线迷宫内进行循迹、避障、路径规划等。

硬件组成

图1 小车整体

小车整体结构为常见于智能车中的多层亚克力板-铜柱结构。动力为4个37GB520减速电机，空载转速500r/min，带有编码器测速。4个麦克纳姆轮让小车具有平面内任意移动的能力。电源为3s动力锂电池。

小车具有多种传感器。4个OpenMV摄像头分别位于小车的前后左右，用于四个方向的循迹。6个红外光电开关用于检测周围的墙壁，实现避障。8个红外对管用于统计循迹中走过的格数。高精度陀螺仪用于测量yaw角度。

小车主控为基于STM32F103RC单片机的开发板，集成了编码器、电机驱动和稳压功能。ZigBee模块用于与裁判上位机通信获取坐标信息，无线烧录器和蓝牙模块用于调试。由于传感器数量较多，还有一块辅助STM32F103C8单片机，和额外的DC-DC供电模块等。

图2 主要部件大致空间分布

底层硬件

传感器数量很多，接口各异，如果全部连接到主控STM32上，由于开发板引脚没有全部引出，GPIO和通信接口的数量不够。因此增加一块辅助STM32单片机，用于接收ZigBee（UART），陀螺仪（CAN），4个OpenMV（UART,PWM）的数据，每20ms发给主控STM32。而对实时性要求较高的电机、编码器、光电开关、红外对管，以及调试用的蓝牙模块，则连接到主控STM32上。

图3 各部件电气连接

    利用编码器，电机具有PID速度环，再结合麦克纳姆轮的运动方式，可实现直接控制小车的前后速度y，左右速度x，自转速度r。

上层逻辑

本次电设的任务大体分为两块，其一是要在外围区域依赖上位机给出的位置信息，实现自主行走，其二是要在内部不依赖位置信息，实现循迹避障穿过迷宫到达指定位置。

图4 比赛场地及裁判上位机界面

  逻辑控制主要依赖状态机变量和switch语句，每20ms执行一次。如果当前在外场且方向不朝着下一个点，就转过去，转的方向对了就走过去，快到了减速，到了再转，以此类推；如果进了迷宫，每次红外对管判断要到交叉点时就减速，到了就读取一次障碍信息并进行一次基于Dijkstra算法的路径规划，根据返回的结果判断应该前进？后退？左转？右转？掉头？左平移？右平移？，下次就进入相应状态，如果无事发生，就执行一次循迹位置环和角度环，位置环决定小车垂直于黑线的速度，角度环决定小车角速度。

外部链接：源代码https://github.com/wanggh16/EDC2019