▌01 简介

1.课程内容背景

本文给出面向清华新雅书院2021春季学期的CDIE（Creative Design & Intelligent Engineering）方向的三年级同学开设一门八周时间的综合设计课程。针对CDIE本科同学既有扎实的工程基础和设计功底，由于专业审美能力的复合型能力，该课程内容拓展同学们以智能工程为中心的创新设计能力。

设计出课程时间内容主要从两方面考虑：
1. 以信息（电子）为核心的智能运行平台；
2. 美学工艺设计的外观和环境设计内容。本文主要从智能运行平台角度给出课程内容要求。

2.课程内容来源

由于课程周期短（八周时间），因此智能运行平台尽量以成熟的平台为主，课程同学主要以软件编程（嵌入式C语言，或者Python语言开发）为主要工作，熟练运用图像处理、信号检测、运动控制以及机器视觉来驱动平台运行。因此，以 全国大学生智能车竞赛 光电信标组为基础，进行适当的简化和修改，形成课程内容（智能体运动平台）的主要部分。

在智能车竞赛存在两大新标体系：

光电信标组：车模使用阿克曼（Ackermann）车模模型，即前轮转向+后轮驱动，信标引导为光电+机器视觉；
声音信标组：车模使用麦克纳姆（Mecanum）轮车膜结构，即可以全向运行方式，信标引导为声音+机器视觉；

下图为光电信标组运行模式：

^{▲ 智能车竞赛光电信标组}

下图为声音信标运行模式：

^{▲ 智能车竞赛声音信标组}

考虑到简化控制，因此课程设计内容采用上述两者的混合模式，即信标采用光电引导，车模运行采用麦克纳姆轮结构。这种方案在第14届智能车竞赛中也经过了验证。

3.课程内容工程要求

（1）学生设计要求

■ 硬件平台基础包括：

麦克纳姆轮全向运动车模平台；
车模运动驱动电路；
具有OpenMV视觉检测模块；
红外方向传感器平台；

这部分详见本文的第二部分。

■ 学生需要掌握工程知识：

车模机械运动原理；
车模运动驱动与控制原理；
机器视觉基本原理与红外光电检测基本原理
Python，嵌入式C语言开发技能；

■ 学生主要开发要求（工程方面）：

编写车模运动控制算法，完成对按照随机顺序点亮的信标进行搜索，接近。开发工作包括以下两个方面：

在OpenMV视觉模块通过Python开发模式，编写信标识别算法与车模运动控制算法；
在车模运动控制单片机平台，通过嵌入式C语言开发接收OpenMV识别数据，编写红外传感器接收与决策算法；

（2）工程应用场景

如果将信标设想为火场货源，那么整个场景就可以设定为火场救援行动。可以进行单个车模对信标的定向搜索与抢救，也可以由两个，或者两个以上的车模完成火场的协同搜索与救援；

如果将信标设想为待救援的病人，车模运行可以设定为医院救护车运行去病人区域，完成病人的转运工作。

▌02 声音信标与智能车模

1.信标系统

光电信标是由若干个可以发送红光、红外的信标通过现场总线（特殊设计的总线形式）连接而成。通过总结接口模块可以有计算机控制按照一定顺序点亮。

信标本身具有车模靠近检测线圈，当车模运行到信标附近（半径为40厘米）的区域内，便可以向信标主控单元发送信号，便于主控单元完成信标的切换。

信标的个数和摆放位置可以根据现场情况进行却带。信标所在的场地的尺寸大约在5×7米的范围之内。

^{▲ 信标结构示意图}

2.麦克纳姆轮智能车模

小型麦克纳姆轮车模结构下图所示，左边是已经安装有驱动电路和控制板的车模，右边是车模底盘结构示意图。

^{▲ 麦克纳姆轮车模} ^{左：已经安装控制板的车模，右：车模底盘}

该车模可以完成前后左右定向运动直线运动、原地转向运动以及弧线运动。车载电池、电机驱动板以及单片机控制模块接收上层运动命令完成基本运动功能。

3.OpenMV模块

OpenMV是一款可编程的摄像头模块，通过内置的MicroPython变语言可以完成对周围环境中特定目标的识别。摄像头本身内置了一些图像处理算法，便于识别一些简单目标，验证一些基础的机器视觉算法非常方便。

OpenMV平台有很多种类，可以选择基于NXP公司的RT1064系列的模块，也可以选择ST公司的STM32H7系列的模块。

模块还提供了了丰富的外部接口，可以与前面麦克纳姆轮运动控制单片机进行通信。

^{▲ OpenMV 摄像头模块}

详细的介绍可以参见： OpenMV中国官方代理 :https://singtown.com/openmv/对应的网站。

OpenMV视觉模块主要用于识别周围信标的精确位置，用于躲避未点亮的信标以及跟踪点亮的信标。

4.红外方向模块

红外方向检测模块识别信标发送的红外调制光，可以大体给出信标所在的方向位置。配合OpenMV视觉模块完成信标的精确定位。

由于视觉定位范围有限，如果点亮的信标已经位于可视范围之外，使用红外方向模块可以引导车模进行区域前往信标所在的区域。

^{▲ 红外方向检测}

红外方向传感器连接在车模运动控制的单片机板上。

▌03 场地环境要求

为了便于利用机器视觉，红外传感器对于信标的定位，减少室外的阳光影响，系统运行建议在没有阳光直射的室内环境内。如果可能，远离透光的大型窗户。

为了突出发送红色、红外光线的信标，场地内的颜色尽量以蓝色、绿色为主色调，减少红色物体和区域面积。

根据OpenMV识别的特点，它内置了AprilTag识别算法，可以在场地内铺设一定的 AprilTag （一种简化的二维码，用于物体定位）作为车模本身和环境标签。来达到车模协同运动和环境内容定义。

^{▲ AprilTag用于车模物体标签和环境标签}

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