01 智能車競賽

一、背景介紹

第十七屆 全國大學(xué)生智能車競賽^[1] 將于2022年暑期舉行， 競速比賽規(guī)則^[2] 已于2021年11月公布。競速比賽分為九個賽題組，其中“智能視覺組”、“完全模型組”兩個組別具有更加復(fù)雜的機器視覺處理和模型車運動控制任務(wù)，比賽詳細內(nèi)容將會另行通過比賽細則進行說明。

本文是智能視覺組比賽細則。比賽細則正式文檔將會公布在全國大學(xué)生智能車競賽網(wǎng)站。

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▲ 圖1 全國大學(xué)生智能車競賽網(wǎng)站

二、智能視覺組描述

在智能車競賽競賽比賽規(guī)則中對于智能視覺組比賽任務(wù)有了初步的描述。摘抄如下：

1、車模

車模使用H/M車模。

車模作品制作完畢后，對于車模外形尺寸沒有限制。

2、微控制器與傳感器

微控制器使用NXP公司的單片機與視覺模塊。

傳感器可以包括有攝像頭，CCD，光電管等。

3、賽道與比賽任務(wù)

比賽場地采用與信標相同的場地。場地內(nèi)存在Apriltag標識物，位置已知；場地內(nèi)隨機放置5 ~ 20 個圖片內(nèi)容，位置已知；車模從出發(fā)點出發(fā)后，依次找到圖片位置并識別內(nèi)容。根據(jù)識別大類，將圖片(帶有磁性)搬運到賽道指定位置。

02 比賽細則

一、比賽場地

1、比賽環(huán)境

與傳統(tǒng)的“信標組”比賽環(huán)境相同，比賽場地部署在室內(nèi)無陽光直射的場地，地面保持基本平整。場地周圍50厘米范圍內(nèi)沒有其他障礙物。比賽場地外可以設(shè)置高度超過50厘米的圍擋，以防止競賽車模沖出賽場。

2、比賽場地

（1）場地形狀與尺寸

比賽場地形狀矩形，邊長在五米至七米的范圍內(nèi)。場地內(nèi)鋪設(shè)有普通藍色廣告布，與普通賽道組背景材質(zhì)一致。賽場邊界黃色封箱膠帶進行固定并標示場地位置。

▲ 圖2.1.1 比賽場地示意圖

（2）場地坐標

為了便于智能車在完成任務(wù)過程中對于行駛路徑進行優(yōu)化，比賽前將會把場地內(nèi)搜索識別目標的位置通過圖片識別的方式告知智能車。為了表示車模以及識別目標在場地內(nèi)的位置，對比賽場地建立相應(yīng)平面坐標系。

從場地內(nèi)左下角開始，往左、往上設(shè)置兩個相互垂直坐標軸：X方向坐標軸和Y方向坐標軸。以20厘米間隔作為長度的標準單位。

場地內(nèi)存在著邊長為20厘米的虛擬坐標網(wǎng)格，目標與車模在場地內(nèi)的坐標就以其中心所在網(wǎng)格對應(yīng)的坐標（Xn，Yn）來表示。場地內(nèi)靠近原地的第一個網(wǎng)格坐標為（1，1）,這也是比賽中車模的出發(fā)點。

▲ 圖2.1.2 比賽場地坐標● 注：場地內(nèi)地面并沒有視覺可見的坐標網(wǎng)格，智能車模需要使用Apriltag視覺定位、慣性導(dǎo)航、里程計、電子羅盤等傳感器輔助定位。

3、Apriltag定位

車模在場地內(nèi)運行時可以使用IMU、里程計、電子羅盤等輔助進行定位。不允許使用UWB，GPS，RTK等輔助定位。

為了增加定位精度，在競賽場地內(nèi)還設(shè)置有多個Apriltag標示立方體用于視覺輔助定位。

（1）Apriltag立方體

Apriltag立方體使用白色KT板，或者類似板材搭建成正立方體。外觀是白色，或者覆蓋有白色紙張。立方體的四周張貼有相同的Apriltag圖片。每個立方體所使用的Apriltag碼各不相同，在場地內(nèi)的位置也不同。

位置立方體是放置在場地內(nèi)固定位置，位置在比賽前進行公布。車模在運行過程中不允許撞擊立方體。

Ⅰ.Apriltag立方體尺寸

立方體的邊長為20厘米。Aprilta碼圖片的尺寸為18厘米，粘貼在立方體四個側(cè)面中心位置。

▲ 圖2.1.3 Apriltag立方體的尺寸

Ⅱ.Apriltag系列

Apriltag碼使用使用Tag25h9系列中的前十個Apriltag圖片。

▲ 圖2.1.4 使用Tag25h9系列中的前十個Apriltag圖片

（2）Apriltag位置

在每個場地的四周和中心會布置有十個左右的Apriltag立方體，它們大體位于場地內(nèi)四個邊界以及場地中間。具體所處的位置（Xn,Yn）會在比賽前進行公布。下面是一種Apriltag立方體擺放示意圖，其中擺放了10個Apriltag立方體，旁邊的數(shù)字是他們所在的位置。

▲ 圖2.1.5 Apriltag立方體在場地內(nèi)分布示意圖

二、比賽任務(wù)

智能視覺組的基本比賽任務(wù)為：從位置（1,1）出發(fā)，完成對場地內(nèi) 5 ~ 20個目標的搜索、識別與搬運。比賽完成任務(wù)的時間，時間短者勝利。

對于識別搜索遺漏、識別錯誤、搬運識別等將會通過相應(yīng)的加罰時間疊加在比賽任務(wù)時間上。

1、搜索目標結(jié)構(gòu)

搜索和搬運目標物是由KT板，或者相類似的材質(zhì)制作的圓盤。為了便于運動車模搬運，在圓盤底部粘貼有方形鐵片，可以被電磁鐵吸引。圓盤的正面粘貼或者噴涂有用于識別的圖片。

▲ 圖2.2.1 圓形的識別目標圓盤的半徑在7.5厘米到9厘米之間的范圍，厚度小于5毫米。鐵片的尺寸在10厘米到12厘米之間。

▲ 圖2.2.2 圓形目標物尺寸

2、搜索目標種類

搜索目標圖片種類包括有三大類，每一大類又包括有五種小類。

• 動物： 狗、馬、貓、牛、豬
• 水果： 橙子、蘋果、榴蓮、葡萄、香蕉
• 交通工具： 火車、輪船、飛機、小轎車、大客車

▲ 圖2.2.3 識別目標數(shù)據(jù)庫目標集合數(shù)據(jù)庫競賽組委會將會另行發(fā)布。

在識別過程中，需要將識別物品的種類（屬于哪一大類，哪一小類）的信息實時無線發(fā)送到比賽系統(tǒng)。

3、目標搬運方位

車模從發(fā)車區(qū)（1,1）出發(fā)后，搜索所有目標后，根據(jù)目標的大類將目標搬運到賽場邊緣。下圖給出了三種目標大類最終搬運后所在的區(qū)域。

目標圓盤需要最終位于賽場黃色邊界線以外。

▲ 圖2.2.4 目標最終搬運區(qū)域在比賽的某些階段，為了降低比賽難度，可能只要求車模完成目標的搜索識別，不要求對目標進行搬運。

4、識別結(jié)果發(fā)送顯示

為了顯示車模識別搜尋軌跡、搜索時間以及識別結(jié)果，車模需要實時通過無線模塊發(fā)送運行信息。

（1）無線模塊接口

無線通訊模塊在競賽的時候有競賽組委會提供，它自帶電源。

Ⅰ.接口機械結(jié)構(gòu)

外部接口為3pin，100mil的插座接口（母頭）。

●  無線通信模塊接頭定義：
● 紅線： 3.3V
● 黑線：地線
● 藍線：TXD

▲ 圖2.2.5 無線模塊接口參賽車模的電路板上需要有無線通信接口插座，或者公頭空中接頭。

Ⅱ.接口電氣協(xié)議

接口采用UART發(fā)送模式。信號電平采用 TTL電平。

●  接口電氣協(xié)議：
● 低電平：小于0.5V
● 高電平：2V ~ 5V
● 空閑位：高電平

Ⅲ.接口通訊協(xié)議

●  接口底層協(xié)議：
● 波特率：115200
● 數(shù)據(jù)位：8位
● 停止位：1位
● 奇偶校驗：無

（2）信息格式

信息編碼采用ASCII碼，每一條信息是由若干由一個空格隔離字段組成，每一條信息有換行符（'\n'）結(jié)束。

發(fā)送一條信息的字段定義如下：

▲ 圖2.2.7 發(fā)送信息字段定義

• 時間字段： 單位是秒，從開始比賽到發(fā)送信息時單片機時間。
• X字段： 是車模所處在場地坐標X值；
• Y自動： 是車模所處在場地坐標Y值；
• 識別大類： 識別目標的大類：
• 1,2,3：分別表示動物，水果，交通工具；
• 0 ：表示沒有目標，正處在搜索過程；
• 9 ：表示現(xiàn)在正在搬運目標；
• 其他值：無效值；
• 識別小類： 表示識別目標的小類別：
• 動物：1-狗；2-馬；3-貓；4-牛；5-豬；
• 水果：1-橙子；2-蘋果；3-榴蓮；4-葡萄；5-香蕉；
• 交通工具：1-火車；2-輪船；3-飛機；4-小轎車；5-大客車；
• 1,2,3,4,5：分別表示目標的小類別；
• 0 ：表示沒有目標；
• 其他值：無效值；

（3）發(fā)送信息間隔

發(fā)送信息的時間按照拆下規(guī)范進行：

• 每一條信息都是在上一條信息發(fā)送完之后才能夠發(fā)送；
• 在沒有搜索到信息的時候，車模每100ms發(fā)送一次當前信息；
• 在搜索到目標之后立即發(fā)送一條搜索到種類的信息，只發(fā)送一條；

5、目標位置

為了便于車模進行搜索時路徑規(guī)劃，比賽前場地內(nèi)的目標位置固定好之后，將會打印在一張A4紙上，表明了場地內(nèi)目標的數(shù)量和位置。參賽選手在按動比賽開始按鈕之后便可以將目標位置放在車模鏡頭前，由車模進行識別之后開始后面的比賽過程。

目標位置示意圖如下圖所示，它是由黑色矩形框內(nèi)若干圓形組成。

矩形框的邊框?qū)挾却笥?.5mm。長寬與實際比賽場地成正比。長寬最小的尺寸超過10厘米，最大不超過20厘米。

圓形的直徑在 5 ~ 10mm，它的中心位置與場內(nèi)目標物所在坐標城正比。

▲ 圖2.2.8 目標位置示意圖

三、車模技術(shù)要求

1、車模平臺

車模平臺使用四輪麥克納姆輪車模。可以選用北京科宇公司出品的H車模，廣東博思公司的M車模選用。車模詳細說明請參見已經(jīng)公布的《第十七屆智能車競賽競速比賽細則》。

車模作品完成之后，車模的尺寸沒有限制。車模供電電池電壓小于24V。

2、微控制器

車模作品中所使用的微控制器需要是NXP公司出品的微控制器，微控制器數(shù)量沒有限制。

如果微控制器中使用操作系統(tǒng)，則需要使用RT-Thread操作系統(tǒng)。

3、傳感器

車模作品中允許使用（不限于）攝像頭、IMU、電子羅盤、光電管等。如果使用攝像頭，則攝像頭的個數(shù)小于三個。

車模作品中不允許使用 UWB模塊、RTK、激光掃描雷達（單點TOF除外）傳感器。

4、軟件開發(fā)工具

可以使用C語言，Python語言完成車模中微控制器軟件開發(fā)。

關(guān)于車模其它要求請參見《第十七屆智能車競賽競賽競速比賽規(guī)則》中統(tǒng)一要求。

※ 附 件 ※

■ 競賽相關(guān)文檔

• 第十七屆全國大學(xué)智能汽車競賽競速比賽規(guī)則^[2]
• 第十六屆智能汽車競賽AI視覺組分賽區(qū)數(shù)據(jù)集發(fā)布^[3]

■ 規(guī)則版本記錄

• 2021-11-21: 視覺組比賽細則正式發(fā)布。