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# 百度智慧交通组技术报告
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## 概述
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在本次比赛中，主要任务仍可归纳为“循线 + 定点任务”相结合的方式，大体上和往年相似。主要难度在于循线过程中存在直角弯、三岔路口、十字路口等特殊元素，并且任务点附近没有地标作为任务定位标识，同时任务动作对定位准确性要求较高。
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出于节省学校经费的考虑，我们没有选择直接购买官方车模，而是仅购买了指定的电机，单独购置了符合要求的上位机板卡，自制了车模结构和控制电路部分。
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## 下位机设计
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### 自定义通信协议
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由于购买的 Nvidia 官方以及仿制官方的 Jetson Orin Nano 载板（以下简称 “nano”）并没有直接引出 CAN 接口，并且对于 Linux 下 CAN 设备的调试开发也缺乏经验，所以选择了使用 nano 的 40pin 拓展接口中的串口设备与下位机主控板进行通信，对于其他模块的指令在下位机主控接收后转换成对应的 can 数据帧下发给其他模块，通信结构如下图所示。
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在 nano 下发的指令中，需要控制车辆运动和执行机构动作，由于存在一些对参数“增量”修改的命令（如前进指定距离），为了避免因为通信出错导致类似指令漏发、多发，所以在通信机制中实现了校验和应答的机制。实现的自定义指令为定长帧，帧格式如下所示。
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| 帧头 (1 byte) | 指令码 (1 byte) | 数据段 (8 byte) | CRC 校验值 (2 byte) |
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| ------------ | -------------- | -------------- | ------------------ |
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| 0xEB | 0x30 - 0x6F | 0x00 - 0xFF | 0x00 - 0xFF |
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### 下位机主控设计
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下位机主控采用了 AT32F403A 芯片作为主控，使用 配套的 AT32-WorkBench 工具能够非常快速的生成工程，加快开发速度。在功能上，下位机主控主要作为 nano 板卡和其他控制器模块的通信中继（将串口指令转发到 can 总线），并且还具备数字量输出（灯条和蜂鸣器控制）和电源分配功能。
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在和上位机串口通信部分，使用了采用电容分压原理的隔离芯片，并配合隔离电源实现上下位机通信部分的隔离，避免对 nano 的接口产生损坏。
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### 25GA 电机控制板设计
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25GA 电机为官方指定的电机型号，该电机为直流有刷电机，具有减速箱和光栅编码器。
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为了实现电机的速度控制，搭建了 H 桥控制电路。考虑到车辆自重可能较大，电机可能长时间工作在较大负载下，故没有使用诸如 tb67f450 的集成 H 桥芯片，而是使用 NMOS 和预驱自行搭建，这样可以获得较低的内阻和较好的散热性能。
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主控芯片采用 AT32F413CBT7，主要考虑其具有 CAN 接口和充足的定时器等外设。
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程序上，仅使用单速度环进行控制，采用简单的 PID 控制方式。由于车辆较重，该系统响应较为滞后，所以在参数整定上使用较大的积分值和较小的微分值，简单调参可以获得较好的控制效果。但仍然存在启动时负载较大，速度曲线上升迟缓的问题。经观察，大负载启动时，速度环输出上升速度足够快，基本上处于上限状态，故认为使用电流环作为内环并不能解决该问题。
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输出上，使用互补 PWM，虽然会造成一定的热损耗，但是在一定程度上增加了响应性能。
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此外，该电机存在编码器线数过低，在低速时不容易稳定控制的情况。在不改动编码器硬件的情况下，软件上配置 TIM 模块编码器模式为双边触发，对编码器信号进行四倍频。经观察，能够一定程度上提高低速状态下的控制精度。
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### z 轴蜗杆电机控制板设计
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z 轴使用带霍尔编码器的蜗杆电机，该电机减速机具有自锁特性，在位停止时仅需较小的保持力矩。该控制板硬件设计思路基本和 25GA 电机控制板一致，仅对于电源和主控进行了修改。主控更换了 AT32F425CBT7，由于互补输出方式在输出为 0 时仍存在等占空比的互补输出，噪声较大，而对于该电机响应性能要求不高，所以更换为受限单极模式输出。 相似的，为了提高电机控制精度，也设置了编码器双边触发模式，对编码器信号进行四倍频。
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### x 轴步进电机控制板设计
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由于 x 轴负载较小，为了提高机构运行速度和控制精度，使用步进电机驱动，齿轮齿条传动。为了简化开发流程，直接使用了 DRV8825 芯片（模块）对步进电机进行开环驱动，而为了保证位置的准确，又在步进电机轴体上粘贴了径向充磁的磁铁，利用次编码器检测转子位置。
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程序上，提供了距离和绝对位置指令，上位机可设置使机构以指定速度、方向移动指定距离，或者以指定速度移动到设置位置。上电后先运行到限位位置校准零点。
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### 6 路舵机控制板设计
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控制板主要控制夹爪和摄像头的舵机，部分舵机负载电流较大。为了节省空间并简化电路，选用了 3 个 29302 分别为 6 路舵机供电。程序上可接收指令简单的设置舵机角度。
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### 电源扩展板设计
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电源控制板主要起到分电作用，提供电源和信号的扩展。每路均可使用低侧的 NMOS 控制电源开关，开关指令可经 can 总线下发。
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## 结构设计
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### 机架结构设计
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机架采用玻璃纤维板、铝板、不锈钢制成。底板采用 4mm 玻璃纤维板，在非承载部分进行镂空减重，并且开有槽孔，用于在两侧安装机构和电路板。
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主要机构安装在竖直的玻纤板上，该板下部用四方螺母进行固定，侧向使用两块铝板斜拉。开槽以安装z轴导轨以及主控板。
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电机安装于底板下方，使用定制的 201 不锈钢钣金件和底板连接。轮子安装于电机轴上，两钣金件在轴的两端提供支承作用，减少因为自重太大导致轴产生过于明显的弯曲，优化车辆行驶中的“跳动”现象。
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### x 轴机构设计
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x 轴机构安装在一水平放置的微型导轨上，使用齿轮齿条进行传动。x 轴末端可以 180 度旋转，末端为夹爪。
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### z 轴机构设计
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为了实现 z 轴快速运行并且可自锁的要求，z 轴选用了带编码器的蜗杆减速电机，使用同步带进行传动。电机固定在车辆底部，z 轴机构固定在同步带上，使用压板在安装时张紧。导向上使用两列平行的微型直线导轨。
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## 上位机程序设计
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### 上位机环境配置概述
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上位机程序主要基于 python 和 C/C++，为了保证和原有环境不产生冲突，使用 conda 创建了 python 的开发和运行环境。
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在程序实际运行中，我们发现当推理开启时，一个模型的进程需要占用 2G 左右的内存，即使是在代码中开启了内存优化，并且指定大小，实际占用并没有明显区别。当开启多个推理进程时，会导致内存占满，使得某些进程被 kill 掉。由于规则限制最大只能使用 8G 内存的 nano 板卡，所以挂载了一个较大的 swap 分区，使用磁盘缓存保证不会出现物理内存占用过高的情况，实际测试下，未见明显的性能影响。
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此外，为了保证开机自启的效果，我们构建了一个守护进程，使用 systemctl 管理。
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### 上位机程序总体设计
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为了保证程序的高效运行，上位机程序总体采用“生产者-消费者”模型，所有进程由守护进程管理，首先由图像采集进程采集图像并储存在缓冲区中；推理进程从缓冲区获取图像，推理完成后将推理结果储存；控制线程需要推理结果时，向推理服务器请求暂存的推理结果即可，所有进程间请求均使用 zmq 的 “请求-应答” 模式。通过上述的结构模式，可以保证获取数据最新且请求速度较快。
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### 执行机构接口程序设计
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执行机构接口作为 python 模块导入控制进程的程序中，本体基于 C 编译成动态链接库，然后通过 cython 构建成 python 模块。
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程序接收传入参数并封装成数据包，通过串口设备发送到下位机主控，然后接收下位机主控的响应，校验响应数据后返回。实现了应答超时和应答出错返回的机制。
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### 图像采集服务器程序设计
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图像采集服务器程序基于 C/C++ 编写，是一个独立的进程。该进程使用 opencv 读取摄像头图像，每个摄像头对象构造一个采集和应答线程，保证获取和响应的图像最新。
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### 推理服务器程序设计
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### 赛道线回归模型概述
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### 任务主程序设计
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任务主程序将每个任务封装成对象，根据实际需求放入队列。程序执行时，任务对象依次出队。任务的执行按照 “搜寻-执行-后处理” 的方式运行，当执行某一任务时，先循环搜寻任务标志，待搜寻到可以进入任务的条件后，进入任务执行函数，函数内执行校准、夹持、伸展等任务。执行完成后，进入后处理阶段，该阶段可以设置下一任务的相关参数，并将执行机构运动到下一任务的预备位置。如果该任务不被开启，则执行一个任务不开启时才调用的函数，使执行机构运动到中立位置，保证下一任务开启时不会发生冲撞。
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### 守护和交互程序设计
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