2022年_10月_B题：具有自动泊车功能的电动车
一、任务
设计制作具有自动泊车功能的电动车，可在图 1 所示的作品测试泊车场地上，分别独立完成“倒车入库/出库”或“侧方入库/出库”的单项操作，也可连续完成这两项入库/出库的操作。
二、要求
- 单项倒车入库/出库①：如图 2 所示，一键启动摆放在“发车区 1”内的电动车，电动车以“右侧垂直泊车方式”自动倒车进入库 2 内居中位置停车（详见图 2 中库区 abcd，此时库 1、库 3 内均停有车辆），倒车入库时间T1越短好（T1定义见本题说明，T1>30s 的T1测试项成绩记 0 分）。电动车在库内停车到位 5s 后，沿车头方向右转出库，车身整体出库时间不超过 15s。（20 分）
- 单项侧方入库/出库①：如图 3 所示，一键启动摆放在“发车区 2”内的电动车，电动车以“右侧平行泊车方式”自动泊入库 5 内居中位置停车（详见图 3 中库区 abcd，此时库 4、库 6 内均停有车辆），侧方入库时间T2越短越好（T2定义见本题说明，T2>30s 的T2测试项成绩记 0 分）。电动车在库内停车到位 5s 后，沿车头方向出库，车身整体出库时间不超过 15s。（20 分）
- 单项倒车入库/出库②：移除图 2 中库 1、库 3 内停放的车辆，逐条按照第（1）项要求，电动车完成“邻库无车”时的倒车入库/出库。（20 分）
- 单项侧方入库/出库②：移除图 3 中库 4、库 6 内停放的车辆，逐条按照第（2）项要求，电动车完成“邻库无车”时的侧方入库/出库。（20 分）
- 连续倒车与侧方入库/出库①：如果参赛者确认其作品能连续完成第（1）、（2）项功能要求，可直接测试本项，成功完成的将在第（1）、（2）项得分基础上加 5 分。此刻泊车场地（图 1）中的库 1、3、4、6 内均居中停有车辆。电动车自图 1 中“发车区 1”内一键启动泊车，按第（1）、（2）项要求，连续完成自动倒车及侧方入库/出库。（5 分）
- 连续倒车与侧方入库/出库②：如果参赛者确认能够连续完成第（3）、（4）项功能要求，则直接测试第（6）项，成功完成的可在第（3）、（4）项得分基础上加 5 分。此刻同时移除泊车场地（图 1）中的库 1、3、4、6 内所有停放车辆，电动车自图 1 中“发车区 1”内一键启动泊车，按照第（3）、（4）项要求，连续完成自动倒车与侧方入库/出库。（5 分）
- 其他 （10 分）
- 设计报告（20 分）
三、说明
- 电动车规定：参赛电动车必须为前轮转向式四轮车，车长投影≥25cm，车宽投影≥15cm，车高（含检测装置高度）≤30cm，禁用履带车或麦克纳姆轮。违规使用的电动车不予测试。
- 测试场地：赛区测试电动车自动泊车的场地如图 1 所示，单项泊车场地（图 2、图 3）各为赛区测试场地（图 1）的一部分，赛区测试场地不标注蓝色字符和线段，直线段 hj 长度范围 50~70cm（具体长度由赛区决定）。倒库泊车的三个车库（库 1~3）长度均为 35cm、宽度均为 23cm；侧方泊车的三个车库（库 4~6）长度均为 50cm、宽度均为 25cm。图中长方形 abcd 为泊车库，线段 ab 为“库口线”，线段 bc、cd、da 为“库边线”；线段 uv 与 mn为道路边缘线，mn 与所有“库口线”重合。泊车场地应铺白纸，纸上的黑色实线用 1.8cm 左右宽度的黑色胶带粘贴而成。
- 发车区 1：测试第（1）、（3）项及第（5）、（6）项要求的功能时，电动车应摆放于图 1 中“发车区 1”内，即车身右侧投影线距离直线段 mn 约 5cm，车头投影线距离前方虚线段 wv 约 5~30cm，测试时将随机调整该距离。
- 发车区 2：测试第（2）、（4）项要求的功能时，电动车应摆放于图 3 中“发车区 2”内，即车身右侧投影线距离直线段 mn 约 5cm，车头投影线距离前方虚线段 hk 约 5~30cm，测试时将随机调整该距离。
- 入库时间：电动车无论倒车入库还是侧方入库，都必须以倒车方式进入库 2 或库 5。电动车在库口附近启动最后入库动作（此动作前电动车须停顿 1s）时，发出第一声蜂鸣；电动车入库停车到位时，再发出第二声蜂鸣。两次蜂鸣之间的时差分别定义为“倒车入库时间T1”或“侧方入库时间T2”。
- 库内停车：电动车入库后，应尽量停泊在库 2 或库 5 的库区中部，车头方向应与库内箭头方向相同。当泊车库的邻库内停有车辆，入库电动车应尽量与邻库内停车的车头车尾对齐停车。
- 邻库车辆：库 1、库 3、库 4、库 6 内需停放的“邻库车辆”应为电动车的同型车，或自制模拟停放车辆的物体（该物体与电动车身长宽尺寸相同、高度＜20cm）,物体材质不限，但其内不得有任何电子元器件，测试时自带。
- 失误扣分：电动车泊车过程中，出现以下三项操作失误的将按规则扣分：
- 测试要求：如电动车能够完成“连续倒车与侧方入库/出库”，应直接测试第（5）或第（6）项；如电动车不能完成“连续倒车与侧方入库/出库”，可选择单独测试第（1）、（2）项或第（3）、（4）项，此后将不再测试第（5）或（6）项。每项最多允许测试两次，各项测试成绩以最好的一次成绩为准，满分时，该项不测第二次。
- 其他说明：电动车检测泊车库区的技术方法不限，但不得借助车载自检测装置（不得超出车身外沿）以外的任何检测电路、遥控装置与网络资源，电动车泊车全程禁止人工介入。
- 补充建议：建议借鉴驾照考核科目 2“倒车入库/出库”、“侧方入库/出库”操作规则；也可查看网上科目 2 视频，参考其动作要领。
GPT-4o给出的设计方案：
一、系统概述
本设计方案旨在制作一个具有自动泊车功能的电动小车，能够分别完成“倒车入库/出库”和“侧方位停车入库/出库”的单项操作，也可以连续完成该两项入库/出库的操作。具体要求如下：
- 倒车入库/出库：按照图2所示路径完成操作。
- 侧方位停车入库/出库：按照图3所示路径完成操作。
- 支持连续完成倒车和侧方位停车的操作。
二、硬件设计
1. 传感器模块
（1）、超声波传感器
- 用于检测车周围的障碍物和距离。布置在小车前后和两侧，确保实时监测环境信息。
（2）、红外传感器
- 用于精确检测地面上的停车框线。布置在车底，确保能够准确识别停车位置。
（3）、陀螺仪和加速度计
- 检测车身姿态和移动方向。确保转弯和直行过程中姿态稳定。
2. 导航与控制模块
（1）、主控MCU（如TI的MSP430或TIVA系列）
- 负责处理所有传感器数据、控制电机和通信模块，实现自动驾驶功能。
（2）、电机驱动模块
- 使用H桥电机驱动模块（如L298N），控制小车的前进、后退、左右转向等操作。
- 结合PWM信号，实现精准控制速度和方向。
3. 电源模块
（1）、充电电池
- 提供小车运动的主要能源，确保长时间稳健运行。
- 包括电池管理系统（BMS），保证充电和放电过程中的安全性。
三、软件设计
1. 控制算法
（1）、驱动控制
- 通过MCU产生的PWM信号，控制电机速度和方向。
- 实现前进、后退、左转、右转和停止功能。
（2）、路径规划
- 根据超声波传感器数据，计算小车当前位置和目标位置之间的路径。
- 使用Dijkstra算法或A*算法，规划最优路径，避开障碍物。
（3）、动作序列
- 定义倒车入库/出库和侧方位停车入库/出库的一系列预定动作。
- 根据传感器反馈，实时调整动作序列，确保小车准确入库和出库。
2. 状态检测与反馈
- 传感器数据处理： 实时收集并处理超声波、红外线和陀螺仪数据，判断当前小车位置和姿态。
- 动作反馈： 对比实际运动轨迹与预定路径，根据偏差实时调节电机驱动参数。
3. 软件流程
- 初始化： MCU启动后初始化各模块，进行传感器校准。
- 路径规划： 根据用户选择的操作（如倒车入库/出库、侧方位停车），进行路径规划。
- 执行动作： 控制电机执行预定动作序列，根据传感器反馈调整路径。
- 状态判断： 判断入库/出库操作是否成功，给出提示或重新调整。
四、调试与测试
1. 硬件调试
- 传感器校准： 调整超声波和红外传感器的灵敏度和精度。
- 电机驱动测试： 校验电机在不同PWM信号下的响应速度和稳定性。
2. 软件调试
- 路径规划算法： 测试在各种复杂环境下的路径规划能力，确保避障效果。
- 控制算法： 调整PID控制参数，确保直线行驶和转弯过程中的平稳性和精确性。
3. 综合测试
- 单项操作测试： 模拟实际测试场地，分别测试倒车入库/出库和侧方位停车入库/出库功能，确保成功率。
- 连续操作测试： 测试连续执行两个单项操作的能力，确保切换平滑，操作准确。
五、系统优化
1. 提高传感器精度
- 优化传感器数据处理算法，提升距离检测和位置识别的精度。
2. 提高控制算法效率
- 优化路径规划和PID参数调整，提升系统响应速度和操作稳定性。
3. 增强系统鲁棒性
- 在不同环境条件下进行测试和优化，保证系统在各种复杂环境中的稳定性和可靠性。
六、总结
通过上述设计方案，可以实现一个具有自动泊车功能的电动小车，能够分别完成倒车入库/出库和侧方位停车入库/出库操作，并能连续完成两个单项操作。不仅满足了题目要求，还通过优化传感器、控制算法和系统鲁棒性，确保系统的高效、稳定和可靠。
该题目考察的知识点：
- 自动泊车系统设计：从硬件和软件方面综合设计自动泊车系统，包括传感器的选择和安装、数据处理以及泊车控制算法的实现。
- 传感器技术：理解并应用超声波传感器、红外传感器和摄像头等技术，从而实现对目标车位和障碍物的精准检测。
- 嵌入式系统：包括MCU（微控制单元）的选型、编程和调试，使系统能够实时响应外部传感器输入并做出相应决策。
- 电机控制：实现对电动车电机的精确控制，涵盖前进、后退和转向动作。
- 无线通信：掌握无线模块的使用，实现遥控器与电动车之间的通信。
- 系统集成：综合考察传感器数据获取、信号处理以及电机控制等多方面技术，最终实现自动泊车功能。
- 算法实现：包括路径规划、障碍物避让等算法的实现和优化。
