睿龍七隊(duì)提交材料睿龍七隊(duì)技術(shù)報(bào)告_h

1、第十四屆“恩智浦”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽 技術(shù)報(bào)告學(xué)校：黑龍江工程學(xué)院1隊(duì)伍名稱：睿龍七隊(duì) 參賽隊(duì)員：趙智飛 馬洪巖 李怡鑫李柏春侯聰 帶隊(duì)教師：崔宏耀齊益強(qiáng)2第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解第 14 屆“恩智浦”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽關(guān)保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和恩智浦半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)參賽隊(duì)員簽名：趙智飛 馬洪巖 李怡鑫李柏春 侯聰 帶隊(duì)教師簽名： 崔宏耀 齊益強(qiáng) 期： 2019 年 8 月 18 日 日3技術(shù)報(bào)告1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 1.

2、1 系統(tǒng)概述1.2 整車布局2.智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化 2.1 傳感器安裝3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3.1 主控芯片3.2 電源部分3.3 單片機(jī) 3.3V 供電3.4 路由器/雷達(dá) 5V 供電3.5 雷達(dá)轉(zhuǎn) usb3.6 電源板原理圖4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4.1 整體 ROS 通信4.2 ROS 開發(fā)工具與實(shí)現(xiàn)4.3 使用導(dǎo)航4.4 電腦與底盤主控芯片通訊協(xié)議編寫4.5 amcl 參數(shù)的設(shè)置4.6 move_base 主要參數(shù)的調(diào)整4第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告5.使用導(dǎo)航算法 1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 1.1 系統(tǒng)概述第十四屆創(chuàng)意組室外組比賽規(guī)則要求車模根據(jù)已構(gòu)建好的地圖自主導(dǎo)航，避開

3、錐桶障礙 物，從賽道起點(diǎn)跑到終點(diǎn)，記錄比賽完成時(shí)間，根據(jù)完成時(shí)間進(jìn)行比賽成績排名。所以任務(wù) 集中在整體路徑規(guī)劃，局部路徑規(guī)劃，處理異常行為。閱讀比賽要求以及查閱相關(guān)書籍，可以得知本次室外光電組智能車是一個自主移動機(jī)器人 （采取 ROS 系統(tǒng)），即可以從當(dāng)前位置自動移動到目標(biāo)位置。借助鋼鐵俠公司官方提供的 車模和提供的例程以及 ROS 生態(tài)下強(qiáng)大的軟件包，可以完成比賽任務(wù)。機(jī)構(gòu)各模塊功能簡述如下：激光雷達(dá)選用鐳神 LS01G 三角法激光雷達(dá)，測量角度為 360，最大測量范圍8 米，測量頻率 36004000Hz，測量精度 1m 以內(nèi)為毫米級，1m 以上為實(shí)際距離的 1%，角度分別率為1，掃描頻率

4、 311Hz。姿態(tài)傳感器使用 ART-IMU-02A 姿態(tài)傳感器，姿態(tài)角測量范圍姿態(tài)角：測量范圍(pitch/roll):90/180 度，動態(tài)精度：0.5 度，分辨率：0.1 度；航向角(yaw)：180 度，動態(tài)精度：2（RMS） - 189 -分辨率：0.1 度；陀螺儀：測量范圍(pitch/roll/yaw):1000 度/s，零偏穩(wěn)定性：50 度/h非5線性度：0.2%FS，加速度計(jì)：三軸測量范圍:2g，零偏穩(wěn)定性:5mg，非線性度:0.5%FS； 磁力計(jì)：三軸測量范圍:12Guass，分辨率:0.003Guass，分線性度:0.1%FS；氣壓計(jì)： 高度分辨率:1cm，測量范圍:10

5、1200mbar。 直流無刷電機(jī)使用 ART-M1-K2150 直流無刷電機(jī)，kv 值為 2150，功率為 2400w，最高電壓 19V，最高轉(zhuǎn)速 45000rpm。舵機(jī)使用 ART-SG995 舵機(jī)，工作頻率為 1520s/330Hz，工作電壓為 4.8V6.0V。1.2 整車布局：鋼鐵俠官方提供整體布局，我們僅在此基礎(chǔ)上適當(dāng)改裝調(diào)整。1.3 需要解決問題（1）Linux 系統(tǒng)的熟悉（2）ROS 系統(tǒng)的掌握（3）各種傳感器數(shù)據(jù)的融合（4）定位的準(zhǔn)確，減少漂移2.智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化 2.1 傳感器安裝：IMU 安置在車輛前方增加 512 線編碼器件3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 主控芯片6

6、第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告采用 NCP 提供的 K66 芯片，主頻為 200mhz 使用了兩路 pwm 輸出，其中一路給 電調(diào)提供信號，另一路為舵機(jī)提供信號。與主機(jī)之間通過 CH340G 將串口信號轉(zhuǎn) 化為 USB 信號，采用 USB-B 接口。剩余電路圖如下74.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告4.1 整體 ROS 通信Topic 話題是節(jié)點(diǎn)用來傳輸數(shù)據(jù)的總線。通過話題進(jìn)行消息路由不需要節(jié)點(diǎn)之間直接連接，這 就意味著發(fā)布者和訂閱者之間不需要知道彼此的存在。同一個話題可以有多個訂閱者，也可 以有多個發(fā)布者。話題默認(rèn)采用 TCP/IP 長連接的方式傳輸。

7、話題之間的通信是通過在節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送ROS 消息實(shí)現(xiàn)的。對于發(fā)布器和訂閱器之間的通信， 發(fā)布器和訂閱器之間必須發(fā)送和接收相同類型的消息。這意味著話題的類型是由發(fā)布在它上 面的消息類型決定的。Servicev 當(dāng)需要直接與節(jié)點(diǎn)通信并獲得應(yīng)答時(shí)，將無法通過話題實(shí)現(xiàn)，而需要使用服務(wù)。服務(wù)(services)是節(jié)點(diǎn)之間通訊的另一種方式。服務(wù)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求(request)并獲得一個響應(yīng)(response)。 服務(wù)調(diào)用非常適用于那些只需要偶爾去做并且會在有限時(shí)間里完成的事情。Action 動作，此機(jī)制非常適合作為時(shí)間不確定目標(biāo)導(dǎo)向型的操作的接口。4.2 ROS 開發(fā)工具與實(shí)現(xiàn)：使用 roboware s

8、tudio 方便查看編寫調(diào)試。4.3 使用導(dǎo)航機(jī)器人所能做的最基本的一件事就是在真實(shí)環(huán)境中動來動去。為了更有效地移動，機(jī)器人需 要知道它自己在哪里，需要到哪里去。為了做到這件事，我們需要給機(jī)器人一個環(huán)境地圖，9一個起始位置，以及一個目標(biāo)位置。使用 ROS 的 amcl 包在地圖中定位機(jī)器人。amcl 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一系列概率定位算法，總稱為自適應(yīng)蒙特卡洛定位算法（Adaptive Monte Carlo Localization)機(jī)器人的定位，也叫作它的 pose（位姿），是由 map coordinate frame(地圖坐標(biāo)系，有時(shí)候也叫做世界坐標(biāo)系）中的一個位置和方向表示的。amcl 維護(hù)的

9、一系列位姿，用來表示機(jī)器人可能的位置。這些 candidate pose(候選位姿）中的每一個都有一個與之關(guān)聯(lián)的概率；概率越大表示機(jī)器人處于這一位姿的可能性越大。機(jī)器人到處移動過程中，程序根據(jù) 地圖和某個給定位姿算出一個理想的傳感器數(shù)據(jù)，并與實(shí)際的傳感器數(shù)據(jù)相比較。對于每個 候選位姿，如果比較的結(jié)果是一致的，那么這個位姿的可信度就會提高，反之如果不匹配，則可信度下降。隨著時(shí)間的推移，可信度低的位姿（也就意味著機(jī)器人不太可能處于這些位 姿）就會被去除，可信度低的位姿（也就意味著機(jī)器人不太可能處于這些位姿）就會被去除， 可信度高的被留下來。隨著機(jī)器人的移動，候選位姿也隨之移動，一直跟隨著估計(jì)出來的

10、機(jī) 器人里程計(jì)數(shù)據(jù)。一個完成定位的機(jī)器人，我們嘗試著讓它動一下。這個導(dǎo)航系統(tǒng)被前輩稱作 navstack也就是導(dǎo)航軟件包。導(dǎo)航軟件包的工作原理navigation goal(導(dǎo)航目的地）被發(fā)送到導(dǎo)航軟件包中，為了做到這一點(diǎn)，我們進(jìn)行一個（action）并傳入一個 MoveBaseGoal 類型的參數(shù)表示目的地，這個參數(shù)是某個坐標(biāo) 系（通常是 map 坐標(biāo)系）中的位姿（位置和方向）。導(dǎo)航軟件包中的組件 global planner（本地規(guī)劃器）使用路徑規(guī)劃算法和地圖，規(guī) 劃一條從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的最短路徑。這個路徑被傳入 local planner（本地規(guī)劃器）中，本地規(guī)劃器會試圖驅(qū)動機(jī)器人沿

11、10第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告著這個路徑行走。本地規(guī)劃器使用傳感器的信息繞開擋在機(jī)器人前面卻不在地圖中的障礙，比如行人。如果本地規(guī)劃器被卡住無法規(guī)劃出路徑，它會請求全局規(guī)劃器規(guī)劃一條新的路徑， 并嘗試重新跟隨這條路徑。當(dāng)機(jī)器人接近目的位姿的時(shí)候，行為調(diào)用就結(jié)束了。4.4 電腦與底盤主控芯片通訊協(xié)議編寫借助鋼鐵俠官方提供的培訓(xùn)我們隊(duì)伍基本了解了底盤電機(jī)和電調(diào)控制的方式以及協(xié)議的處 理。首先編寫之初查看 NXP 通信轉(zhuǎn)接板指令協(xié)議，可以得知定義通信中的指令格式、指令類型和指令內(nèi)容。轉(zhuǎn)接板可以只需要根據(jù)上位機(jī)指令來輸出 pwm 波來控制電調(diào)舵機(jī)。根據(jù)其中 的內(nèi)容提示我們可以自己設(shè)計(jì)下發(fā)通

12、信格式，自己進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是由于比賽時(shí)間限制我們隊(duì) 伍暫時(shí)采用已有格式進(jìn)行承襲。編寫時(shí)主要的要點(diǎn)有：pwm 波輸出的頻率為 50HZ，本隊(duì)伍使用的單片機(jī)為 K66，應(yīng)該進(jìn)行分頻操作，以保證電機(jī)舵機(jī)的正常工作;使用 uart 串口通信協(xié)議，波特率為 38400，8 位數(shù)據(jù)位 1 位停止位，無奇偶校驗(yàn)；要根據(jù)下發(fā)的指令格式進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化操作轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的舵機(jī)電機(jī) pwm 數(shù)值。具體程序如下所示：主函數(shù)： /*11*以單片機(jī)（k66）作為直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以下為單片機(jī)的執(zhí)行和接受命令的程序void main(void)DisableInterrupts;/關(guān)閉總中斷PLL_Init(PLL200);/初始化

13、 PLL 為 200MPIT_Init(PIT0,10);/PIT 定時(shí)中斷LED_Init();/LED 燈初始化ADC_Init(ADC_0);/AD 采集初始化ADC_Init(ADC_1);FTM_PWM_Init(FTM0, FTM_CH0,20000, 1500);/電 機(jī)PWM 初始化/引腳 PTC2FTM_PWM_Init(FTM3, FTM_CH7,20000, 2080);/565 2435/.舵機(jī) PWM 初始化/引腳FTM_AB_Init(FTM1);/正交解碼初始化GPIO_Init(PTC,2, GPO,0);/測程序運(yùn)行時(shí)間引腳GPIO_Init(PTB, 18,

14、 GPO,0);/測程序運(yùn)行時(shí)間引腳12第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告/GPIO_Init(PTC, 6, GPI,1);/調(diào)試狀態(tài)Init_LCD_PORT();/初始化 LCD 的端口Lcd_Init();/初始化 LCDLCD_Clear(BLACK);/清屏BACK_COLOR=BLACK;/背景色設(shè)置為黑色POINT_COLOR=RED;/畫筆顏色Show_static_info_on_lcd();/顯示一些變量的提示信息Show_Team_name();/隊(duì)名信息（ 檢查顯示屏是否能正常顯示）PID_Ince_Con_Initia();/速度控制PID參數(shù)初始化sen_va

15、r1 = 45;UART_Init (UART_4,38400); /.串 口 初 始 化,UART4,用 PTE24,E2513UART_Irq_En(UART_4);/UART 中斷開啟EnableInterrupts;while(1)tem_1=ADC_Ave(ADC_1,ADC1_DP0,ADC_12bit,100);/電池電壓采集fv_1=(float)tem_1)*14.38167/4096; /11.38167/轉(zhuǎn)為電壓tem_2=ADC_Ave(ADC_1, ADC1_DM0,ADC_12bit,100);/電池電壓采集fv_2=(float)tem_2)*8.38167/40

16、96;/轉(zhuǎn)為電壓if(fv_110.3|fv_2100)count=101; count_2+; if(count_2100)count_2=0; GPIO_Reverse(PTC,2);/電壓低于一定值以后蜂鳴器開始報(bào)警 /Send_Mess_to_Upper_Mec();/上位機(jī)發(fā)送的指令14第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告Moter_Speed=(Mot_pulse*MS_4PULSE)/M_S_PULSE/Coefficent;/速度計(jì)算 /sen_var0=Moter_Speed*30;Only_Moter_motion(Want_Speed);/驅(qū)動電機(jī)/參數(shù)：float s

17、peed_aim，目標(biāo)速度 /Show_Pulse_on_lcd(150,100);#if 0/山外上位機(jī)顯示波形/波特 率設(shè)為:9600if(sen_var1 = -45)sen_var1 = 45; elsesen_var1 = -45;RLYD_sendware(uint8*)(sen_var), sizeof(sen_var);/波形顯示LED_Ctrl(LED0, RVS);#endifUART 中斷中對接受數(shù)據(jù)的處理 /* 睿龍 7 隊(duì)睿 龍 科 技 *函數(shù)名稱：void Send_Mess_to_Upper_Mec(void)*功能說明：k66 單片機(jī)向上位機(jī)通信*參數(shù)說明：15

18、*函數(shù)返回：*修改時(shí)間：2019.07.2322.10*備注：*/void Send_Mess_to_Upper_Mec(void)UART_Query_Str (UART_4,cpp,1);/接受方式，接受字符 for(Upper=0;Upper9;Upper+)/處理方式 if(HHHUpper=170&HHHUpper+6=85)sump=HHHUpper+1+HHHUpper+2+HHHUpper+3+HHHUpper+4;if(256+HHHUpper+5=sump)|(HHHUpper+5=sump)hpp0=HHHUpper; hpp1=HHHUpper+1; hpp2=HHHU

19、pper+2; hpp3=HHHUpper+3; hpp4=HHHUpper+4; hpp5=HHHUpper+5; hpp6=HHHUpper+6;yes_ok=1;pwm_di=hpp2*256+hpp1 - 1000;pwm_du=hpp4*256+hpp3+525+80;FTM_PWM_Duty(FTM3,FTM_CH7,pwm_du);/舵機(jī)直接輸出 Want_Speed = pwm_di/1000.000;/輸入指令換算成目標(biāo)速度 if(yes_ok=1)for(Upper=0;Upper Upper_PWM? Upper_PWM: PID_SWG.PWM_Mod;/限幅 PID_

20、SWG.PWM_Mod = PID_SWG.PWM_Mod Floor_PWM?Floor_PWM: PID_SWG.PWM_Mod;return PID_SWG.PWM_Mod;增量式PID 控制 根據(jù)位置式 PID 控制公式，寫出 n-1 時(shí)刻的控制量：設(shè)得到令19為積分系數(shù)；為微分系數(shù)，可以將上式簡化為增量式 PID 控制 增量式 PID 控制主要是通過求出增量，將原先的積分環(huán)節(jié)的累積作用進(jìn)行了替換，避免積分環(huán)節(jié)占用大量計(jì)算性能和存儲空間。增量式 PID 控制的主要優(yōu)點(diǎn)為：算式中不需要累加?？刂圃隽縰(k)的確定僅與最近 3 次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；計(jì)算機(jī)每

21、次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時(shí)影響范圍小、不會嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；手動自動切換時(shí)沖擊小。當(dāng)控制從手自動切換時(shí)，可以作到無擾動切換 。由于增量式需要對控制量進(jìn)行記憶，所以對于不帶記憶裝置的系統(tǒng)，只能使用位置式PID 控制方式進(jìn)行控制。4.5 amcl 參數(shù)的設(shè)置4.6 move_base 主要參數(shù)的調(diào)整根據(jù)查找以及對鋼鐵俠官方包的研究了解了以下 param 設(shè)置20第十四屆全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報(bào)告DWAPlannerROS:acc_lim_th: 0.1 #旋轉(zhuǎn)加速度極限 acc_lim_x: 0.5acc_lim_y: 0.0#y 方向的加速度絕對值,該值只

22、有全向移動的機(jī)器人才需配置max_vel_x: 0.5min_vel_x: 0.0max_vel_y: 0.0min_vel_y: 0.0max_trans_vel: 0.5 #robot 平移速度絕對值min_trans_vel: 0.1max_rot_vel: 0.2 #robot 旋轉(zhuǎn)速度絕對值 defalt:1.0-0.4 min_rot_vel: 0.0# Trajectory Scoring Parameters goal_distance_bias: 30.0path_distance_bias: 20.0occdist_scale: 0.01 #定義控制器躲避障礙物的程度forward_point_distance: 0.5stop_time_buffer: 0.2scaling_speed: 0.5max_scaling_factor: 0.2 #publish_cost_grid: false# Oscillation Prevention Parametersoscillation_reset_dist: 0.05 #在振蕩標(biāo)志復(fù)位之前機(jī)器人必須以米為單位行進(jìn)多遠(yuǎn)# Forward Simulation Parametersvx_