作品视频演示地址https://www.bilibili.com/video/BV1pGHb6VEod/?spm_id_from333.1387.0.0vd_source6ea1beb17174384a0b3d09d6d35580f6第十五届全国大学生光电设计竞赛赛题赛题 1智能车光电象棋对抗一、竞赛要点本赛题以中国象棋文化为载体打造光电智能车同场对抗竞技任务核心考察参赛队在光电目标识别、自主导航定位、运动控制与智能决策方面的综合工程能力。赛题要求车辆全程全自主运行禁止场外遥控与人工干预。二、竞赛内容1. 场地设置采用 3 m × 2 m 矩形赛场四周设 80 mm 高挡板场地分为中央对抗区、两侧球门区、发车区与棋子堆放区。2. 对抗棋子全场随机投放 32 枚象棋棋子红黑各 16 枚按棋子等级设置 1–10 分差异化分值。3. 参赛车辆每队配置 1 辆智能车发车状态尺寸不超过 250 mm × 200 mm × 180 mm质量 ≤ 1.5 kg采用车载电池供电搭载功率 ≤ 1 mW 的 II 类安全激光系统可使用推板、滚轮等推进机构禁止电磁铁吸附、遥控操作与破坏性装置。4. 计分与胜负判定车辆推动棋子整体进入己方球门区按棋子对应分值累计得分恶意冲撞对方车辆、激光功率超标等行为将被扣分或直接判负。最终按累计得分判定胜负若出现平局依次比较进球总数量、“帅/将”棋子归属仍相同则进行 60 秒金球加赛先得分方获胜。图 1 实测推回单枚棋子三、赛题分析与设计需求赛题的本质是一个“感知–定位–决策–执行”闭环的限时对抗任务每一条规则都可以直接转化为设计约束。规则条款设计约束与对策3 m × 2 m 场地四周 80 mm 挡板挡板是最可靠的定位基准雷达扫描面放在 50 mm 高度能看见挡板、对方车和门框立柱看不见约 10 mm 厚的棋子球门区在短边、发车区在角落、中央设棋子堆放区尺寸待修订所有区域尺寸参数化发车姿态已知定位无需全局初始化32 枚棋子红黑各 16按等级 1–10 分需要“检测 字符分类”两级视觉两色棋子对双方均计分策略按分值/耗时贪心车 ≤ 250 mm × 200 mm × 180 mm、≤ 1.5 kg、车载电池重量预算 1.0–1.1 kg树莓派 5 需 5 V/5 A 稳定供电≤ 1 mW 二类安全激光系统雷达为 Class 1905 nm另加 ≤ 1 mW 650 nm 线激光做推板口棋子检测并准备功率实测记录允许推板/滚轮禁止电磁铁、遥控、破坏性装置被动 V 形推板比赛时硬件禁用 Wi-Fi车载按钮启动恶意冲撞对方车辆扣分/判负雷达聚类检测对方车45 cm 内停车让行平局判定进球数 → 帅/将归属 → 60 s 金球帅/将优先级最高金球阶段改为最近棋子优先从计分规则看得分的关键不是单枚棋子推得多精确而是单位时间内的得分效率32 枚棋子均匀散布在 6 m² 场地上平均间距约 0.43 m一次推行携带多枚棋子、优先处理己方半场的高分棋子是提高总分的主要杠杆。因此设计需求归结为四点定位要稳推线误差小于推板半宽、识别要快边跑边建图、推板要能自动聚心、策略要会算账。图 2 实测图像识别四、总体方案与系统架构系统采用“树莓派 5B 负责感知与决策、Pico 负责实时运动控制”的两级架构把非实时的 Linux 上层与需要硬实时的电机控制彻底分开。树莓派 5B4 核 Cortex-A768 GB运行相机采集、棋子检测与分类、雷达定位、世界模型、策略状态机和路径规划以 20 Hz 输出线速度与角速度指令Pico 运行 200 Hz 电机速度环、编码器计数、IMU 航向积分、里程计上报和通信看门狗两者通过 USB 串口以 ASCII 行协议通信。图表代码下载全屏广角相机 30 fps棋子检测 字符分类地面单应→车体坐标世界模型: 棋子地图 对方位置激光雷达 10 Hz点到墙 ICP 定位里程计 IMU 50 Hz非墙点聚类→对方车策略状态机 20 HzPico 速度环 200 Hz左右电机五、软件架构与实现软件在树莓派 OS 64 位上用 Python 3 实现依赖 OpenCV、picamera2、ncnn/onnxruntime 和 numpy按功能拆为配置、雷达驱动、定位、感知、世界模型、运动原语、策略、下位机通信和仿真九个模块模块间只通过数据类传递信息便于单独测试和替换。上下位机通信采用 USB 串口 ASCII 行协议下行为速度指令、停车和里程计清零上行为里程计位姿、按钮状态和电池电压文本协议能直接用串口工具抓包调试。Pico 固件用 MicroPython 编写编码器计数由 PIO 状态机完成。运行方式systemd 开机自启动主程序启动后自动禁用无线网卡只有插入调试跳线帽时才保留 Wi-Fi车载按钮触发比赛流程状态 LED 显示就绪/运行/故障。全部几何、分值、速度参数集中在一个配置文件更换参赛队伍或场地时只需修改一个队伍参数。开机到就绪约 20 s发车前预留一分钟上电。图 3 实测全部完成任务六、标定、测试与仿真验证验证工作分三层仿真验证策略、单元测试验证模块、模拟场地整场对抗验证系统。1. 标定流程按顺序进行搭建 3 m × 2 m 模拟场80 mm 木板围挡按图纸贴区域线把车摆在已知位姿比对定位输出标定雷达安装偏置与零角地面单应矩阵用 ≥ 6 个标记点标定到赛场后用真实地面复标一次在赛场灯光下采集 2,000 张以上棋子图像利用赛前布置时间微调检测与分类模型电机速度环用阶跃响应调参目标超调不超过 10%。2. 单元测试指标推板在不同入射角±30°和偏置±7 cm下的铲棋成功率 ≥ 95%推行 2 m 后棋子保持率 ≥ 95%球门口释放后棋子整体进入球门区的比例 ≥ 95%定位在 5 分钟连续运动后误差 ≤ 3 cm。3. 整场测试整场测试不少于 20 场统计每枚棋子平均耗时和失败原因脱困、丢棋、误识别按占比逐项调参。4. 仿真验证用一个运动学仿真器复现场地、随机投放的 32 枚棋子、V 形推板的携带与聚心、雷达射线、相机视场与带噪声的里程计定位、地图和策略代码与实车完全相同。初版策略在仿真中 180 s 内推入 13–15 枚棋子、得分约 60 分定位平均误差 0.8 cm仿真暴露的主要问题是角落处原地转向撞墙和球门前棋子堆积已分别用转向包络圆余量和槽位分配解决预计调优后可达 18 枚、超过 90 分。