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任务名称
2022年_7月_C题：小车跟随行驶系统
任务要求
难度

一、任务

设计一套小车跟随行驶系统，采用 TI 的 MCU，由一辆领头小车和一辆跟随小车组成，要求小车具有循迹功能，且速度在 0.3 ~ 1m/s 可调，能在指定路径上完成行驶操作，行驶场地的路径如图 1 所示。其中，路径上的 A 点为领头小车每次行驶的起始点和终点。当小车完成一次行驶到达终点，领头小车和跟随小车要发出声音提示。领头小车和跟随小车既可以沿着 ABFDE 圆角矩形（ 简称为内圈 ）路径行驶，也可以沿着 ABCDE 的圆角矩形（ 简称为外圈 ）路径行驶。当行驶在内圈 BFD 段时，小车要发出灯光指示。此外，在测试过程中，可以在路径上 E 点所在边的直线区域，由测试专家指定位置放上“等停指示”标识（见图 1 左侧），指示领头小车在此处须停车，等待 5 秒后再继续行驶。 

二、 要求

  1. 将领头小车放在路径的起始位置 A 点，跟随小车放在其后 20cm 处，设定领头小车速度为 0.3m/s，沿着外圈路径行驶一圈停止，要求：（20 分）
    • 领头小车的平均速度误差不大于 10%；
    • 跟随小车能跟随领头小车行驶，全程不能发生小车碰撞；
    • 完成一圈行驶后领头小车到达 A 点处停车，跟随小车应及时停止，停止时间差不超过 1s，且与领头小车的间距为 20cm，误差不大于 6cm。
  2. 将领小车放在路径轨迹的起始位置 A 点，跟随小车放在路径上 E 点所在边的直线区域，由测试专家指定的位置，设定领头小车速度为 0.5m/s，沿着外圈路径行驶两圈停止，要求：（20 分）
    • 领头小车的平均速度误差不大于 10%
    • 跟随小车能快速追上领头小车，然后按 20cm 间距跟随领头小车行驶，全程不能发生小车碰撞：
    • 完成两圈行驶后领头小车达到 A 点停止，跟随小车应及时停止，两车停止的时间差不超过 1s，且与领头小车的间距为 20cm，误差不大于 6cm。
  3. 将领头小车放在路径的起始位置 A 点，跟随小车放在其后 20cm 处，领头小车和跟随小车连续完成三圈路径的行驶。第一圈领头小车和跟随小车都沿着外圈路径行驶。第二圈领头小车沿着外圈路径行驶，跟随小车沿着内圈路径行驶，实现超车领跑。第三圈跟随小车沿着外圈路径行驶，领头小车沿着内圈路径行驶，实现反超和再次领跑。要求：（30 分）
    • 全程两个小车行驶平稳，顺利完成两次超车，且不能发生小车碰撞；
    • 完成三圈行驶后领头小车到达 A 点停止，跟随小车应及时停止，两车停止的时间差不超过 1s，且与领头小车的间距为 20cm，误差不大于 6cm；
    • 小车行驶速度可自主设定，但不得低于 0.3m/s，且完成所规定的三圈轨迹行驶所需时间越短越好。
  4. 由测试专家在路径的 E 点所在边的直线区域指定位置，放上“等停指示”标识。然后，将领头小车放在路径的起始位置 A 点，跟随小车放在其后 20cm 处，设定领头小车速度为 1m/s，沿着外圈路径行驶一圈，行驶中两小车不得发生碰闯。要求：（20 分）
    • 领头小车的平均速度误差不大于 10%；
    • 领头小车达到“等停指示”点停车，停车位置准确，误差不大于 5cm；
    • 在“等停指示”处停车时间为 5s，误差不超过 1s。
  5. 其他。（10 分）
  6. 设计报告。（20 分）

三、说明

  1. 作品中的小车中尺寸不大于 15cm（宽）×25cm（长）。小车尺寸包括小车本体、以及小车所安装的传感器等总体的尺寸大小。
  2. 行驶场地上铺设白纸，行驶路径用 1cm 宽的黑色引导线来标志，可以印刷或打印在白纸上，也可以用黑色胶带纸直接粘贴在白纸上。轨迹上的起始点 A，用垂直贴在路径引导线的黑色标志线来标记，标志线为 2cm 宽、5cm长。“等停指示”用间隔 5cm 的两条 2cm 宽、10cm 长的黑色平行标志线来标记，可以事先在一张小的纸片上打印好，测试时对接粘贴在行驶路径的引导线上即可。除题目要求的标记之外，行驶场地上不得有其他任何指示标记。
  3. 跟随小车的行驶完全由领头小车指挥控制，领头小车上有启动按键和设置按键，而跟随小车只有一个上电开关，不得有其他启动和操作按键。每一次行驶发车时，领头小车和跟随小车按照题目要求摆放在行驶路径的指定位置，跟随小车上电，处于等待接收领头小车指令的状态。领头小车一键启动行驶，直到整个行驶过程结束。
  4. 在两个小车跟随行驶过程中，除了两个小车间的相互通信外，不得有车外遥控和其他通信指令辅助。
  5. 在本题目要求 4 中，领头小车遇到“等停指示”需立即停车，停车后车身应在“等停指示”第二条横线以内，车头超出第二条横线的距离为停车位置误差。
  6. 为了便于测试，允许在制作行驶场地时，在路径的 E 点和 A 点的旁边画上刻度尺，如图 2 所示。

参考答案

GPT-4o给出的设计方案：

一、系统概述

设计一套自动跟随车系统，使用TI的MCU控制两辆车：一辆领头车和一辆跟随小车。系统要求领头车在指定道路上行驶，并且与跟随小车保持可控距离，完成以下三种测试任务。

二、硬件设计

1. 领头车和跟随小车

  1. MCU 控制器

    使用TI的MCU，如TI的MSP430系列或CC2650系列，作为主控制器，处理传感器数据并控制车辆运动。

  2. 电机驱动

    使用H桥电路（如L298N或DRV8833）驱动直流电机，实现前进、后退和转向控制。

  3. 传感器模块

    • 距离传感器： 使用超声波传感器（如HC-SR04）或者激光测距传感器（如VL53L0X）测量两辆车之间的距离。
    • 红外传感器： 使用红外传感器模块跟踪道路边界和识别指定位置（如A点和B点）。
    • 颜色传感器： 使用颜色识别传感器（如TCS3200）检测区域标记的颜色和身份标识。

  4. 通信模块

    • 无线通信： 使用蓝牙模块（如HC-05）实现领头车和跟随小车之间的通信。

  5. 其他组件

    配备必要的电池和电源管理模块，确保系统能稳定运行。

三、系统软件设计

1. 领头车控制算法

  1. 路径跟踪

    通过PID控制算法，实现领头车按道路标志行驶。红外传感器用于检测道路边界，分别检测左右两侧的信号并进行路径校正。

  2. 位置检测

    通过预先设定的标识（如颜色或红外信号），在到达特定位置（如A点和B点）时，领头车发送信号给跟随小车。

  3. 速度控制

    控制领头车的速度，使其保持在0.3m/s至1m/s的范围内。使用闭环控制系统调整PWM信号，维持恒定速度，面对坡道或障碍物时进行速度调节。

  4. 通信协议

    利用无线通信模块与跟随小车同步当前状态和位置信息。

2. 跟随小车控制算法

  1. 距离保持

    跟随小车使用距离传感器监测与领头车之间的距离，通过PID闭环控制系统调节自身速度，保持指定距离（20cm）。

  2. 路径跟踪

    跟随领头车预先设定的路径。利用自身红外传感器或颜色传感器实现路径检测和矫正。

  3. 动作指令执行

    根据领头车通过无线模块发送的指令执行相应动作（如停止、加速、转向等）。

  4. 位置校准

    当收到领头车到达特定位置（如A点）的信号时，进行位置校准，确保其到达指定位置，并准备接收进一步指令。

四、任务测试场景

1. 测试任务一

  • 领头车从路径起点出发，按照预设速度行驶至路径终点，跟随小车保持20cm距离跟随。
  • 一旦领头车到达预设点，发送指令给跟随小车，两车同时停止。

2. 测试任务二

  • 领头车从指定位置开始，依次行驶到两个目标点（如A和B），在每个点处保持短暂停留。
  • 跟随小车保持与领头车20cm的距离，精确停车位置误差不超过6cm。

3. 综合测试任务

  • 领头车从路径起点沿外圈行驶，然后从内圈行驶至预定停靠点，模拟复杂路径。
  • 跟随小车全程保持距离，调整速度和方向，最终在内圈停靠点与领头车同时停止。

五、画图

硬件连接概述

1. 领头车硬件连接

  1. MCU（主控制器）

    • TI MCU (例如 MSP430/CC2650)
    • 电源 (3.3V 或 5V)
    • 地 (GND)

  2. 电机驱动模块

    • H桥电路 (例如 L298N, DRV8833)
    • MCU PWM 控制端 -> H桥输入端
    • H桥输出端 -> 电机
    • 电源 (电机所需电压，如 7.4V)
    • 地 (GND)

  3. 传感器模块

    • 距离传感器 (超声波/激光测距)
      • 电源 (3.3V / 5V)
      • 地 (GND)
      • 触发信号 (TRIG) -> MCU GPIO
      • 回响信号 (ECHO) -> MCU GPIO
    • 红外传感器
      • 电源 (3.3V / 5V)
      • 地 (GND)
      • 输出信号 -> MCU GPIO
    • 颜色传感器
      • 电源 (3.3V / 5V)
      • 地 (GND)
      • 输出信号 -> MCU I2C 端口 (SDA, SCL)

  4. 无线通信模块

    • 蓝牙模块 (例如 HC-05)
      • 电源 (3.3V)
      • 地 (GND)
      • TX -> MCU RX
      • RX -> MCU TX

  5. 语音播报模块

    • 扬声器模块
      • 电源 (3.3V / 5V)
      • 地 (GND)
      • 音频输入 -> MCU PWM 输出端

2. 跟随小车硬件连接

  1. MCU（主控制器）

    • TI MCU (例如 MSP430/CC2650)
    • 电源 (3.3V 或 5V)
    • 地 (GND)

  2. 电机驱动模块

    • H桥电路 (例如 L298N, DRV8833)
    • MCU PWM 控制端 -> H桥输入端
    • H桥输出端 -> 电机
    • 电源 (电机所需电压，如 7.4V)
    • 地 (GND)

  3. 传感器模块

    • 距离传感器 (超声波/激光测距)
      • 电源 (3.3V / 5V)
      • 地 (GND)
      • 触发信号 (TRIG) -> MCU GPIO
      • 回响信号 (ECHO) -> MCU GPIO
    • 红外传感器
      • 电源 (3.3V / 5V)
      • 地 (GND)
      • 输出信号 -> MCU GPIO
    • 颜色传感器
      • 电源 (3.3V / 5V)
      • 地 (GND)
      • 输出信号 -> MCU I2C 端口 (SDA, SCL)

  4. 无线通信模块

    • 蓝牙模块 (例如 HC-05)
      • 电源 (3.3V)
      • 地 (GND)
      • TX -> MCU RX
      • RX -> MCU TX

硬件连接图

  1. Power Section:

    • Battery Pack (7.4V) -> Power Distribution Board or Directly to Loads
    • Voltage Regulators (3.3V, 5V) -> MCU and sensors power lines
    • Ground (GND) -> Common ground line for all components

  2. Motor Drivers:

    • MCU PWM pins -> H-Bridge (IN1, IN2)
    • H-Bridge (OUT1, OUT2) -> Motors
    • H-Bridge power -> Battery Pack
    • H-Bridge GND -> Common ground

  3. Distance Sensors:

    • MCU GPIO (trigger) -> Distance Sensor (TRIG)
    • Distance Sensor (ECHO) -> MCU GPIO

  4. IR Sensors:

    • Sensors powered by 3.3V / 5V lines
    • Outputs from sensors -> MCU GPIOs

  5. Color Sensors:

    • I2C SDA/SCL lines -> MCU I2C ports
    • 3.3V / 5V power lines -> Sensors power inputs

  6. Communication Modules:

    • Bluetooth HC-05 (TX/RX) -> MCU UART pins (RX/TX)
    • Power and ground lines connected as needed

  7. Audio Module:

    • MCU PWM output -> Audio amplifier or directly to small speaker
    • Speaker power connected to proper voltage line

六、系统调试与优化

  1. 现场调试

    测试领头车路径跟踪和速度控制算法，确保其能稳定完成预定路径。

    调整跟随小车的PID参数，保证其能实时跟随领头车，并保持稳定距离。

  2. 系统校准

    校准所有传感器数据，并进行多次试验，确保测量精度和响应速度符合要求。

  3. 代码优化

    优化MCU控制代码，减少计算延迟，提升系统实时性。

七、测试结果验证

  1. 准确性检查

    在完整测试前，验证每个模块的独立功能，包括距离测量、红外路径检测、颜色识别和无线通信等。

  2. 整体测试

    演示领头车和跟随小车完成完整测试任务，记录行驶时间、距离误差和位置精度，评估系统整体性能。

 

该题目考察的知识点：

  1. 自动跟随系统：设计跟随小车系统，实现小车按照指定路径行驶并保持固定距离。
  2. 速度控制：多档速度控制和调节，确保小车按照给定速度行驶，调整速度避免碰撞。
  3. 红外传感器应用：利用红外传感器进行距离测量和路径检测，确保实时跟踪。
  4. 电机驱动控制：使用L298N或类似电机驱动模块，实现电机的正反转及速度控制。
  5. MCU编程：使用STM32系列微控制器采集传感器数据，并根据逻辑进行处理和控制输出。
  6. 路径规划和算法：设计控制算法，确保小车能够按预定路径行驶并进行必要的路径调整。
  7. 系统综合调试：系统的硬件和软件结合，实现稳定的自动跟随功能。
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