面对突如其来的疫情，在党中央、国务院的统一部署下，全国人民众志成城、齐心协力、共克难关。目前，疫情尚未结束，战“疫”仍在继续。
今天，科学营为同学们带来东南大学STEM科教资源之《无人驾驶方程式赛车的设计与调试》，无人驾驶不是梦！
课题名称
无人驾驶方程式赛车的设计与调试
提供单位
东南大学
产品简介
无人驾驶方程式赛车的电气控制系统主要由传感器系统、控制系统和执行机构等组成。
无人驾驶方程式赛车的电气控制系统组成
无人驾驶方程式赛车的传感器系统主要由路径感知传感器系统、启动系统、无线遥控系统、车联网系统组成；控制系统由嵌入式单片机和单板式计算机组成。主要有几大功能：电源管理、信号管理、底盘控制、路径规划；执行机构有：底盘驱动系统、线控转向系统组成。
具体操作过程
一、设计过程
（一）传感器系统
1.路径感知系统
路径感知系统使用以STM32F103芯片为核心，用CAN/USART为通讯方式，使用传感器包括：摄像头、超声波雷达传感器、TOF单点激光雷达、旋转式激光雷达。通过雷达进行全方面的障碍检测，感知方程式周围的障碍物，将周围的信息传递给处理器，从而进行路径规划。
路径感知系统框图路径感知系统框图
激光雷达扫描建模图
2.启动系统
启动系统包括启动开关控制器，负责对车辆的控制的电源进行启动和关闭。
3.无线遥控系统
无线遥控系统采用了DR16接收机和DT7遥控器。DR16接收机工作频率为2.4GHZ，具有16通道。DT7遥控器在室外开阔范围使用，最大有效范围可达1km，具有多通道，可以同时协调控制车身各个部分。并且还可以结合PC电脑连接遥控器进行其他操作。
无线遥控器
4.车联网系统
车身还搭载了4G模块，可以通过网络进行传输，通过上位机即可查看车身数据状态，进行实时监控。
车联网数据流程图
（二）控制系统
1.电源管理
电源管理是嵌入式系统的核心，电源管理系统负责给各个电气元件提供不同的电源标准。
2.信号管理
无人驾驶方程式赛车的运转需要搭配多种传感器，使用CAN和USART通讯协议将传感器获得的信号再传输给单片机，单片机再将处理过的信号转发给计算机进行运算。
3. 底盘控制
底盘控制是控制系统的重点，只有良好的底盘控制系统才能使方程式赛车完成指定的动作。主控通过与电机驱动器进行通讯，获得电机的实时信息，通过发送指令调节电机的动作。
4. 路径规划
路径规划是无人驾驶的核心，计算机通过将获取到的传感器数据进行分析，从而规划路径。无人驾驶方程式赛车运算核心采用Ubuntu 计算机操作系统，搭载了ROS机器人操作系统，通过将无人驾驶系统环境感知功能以ROS常见的机 制来实现融入到现有的ROS系统框架中。其中，ROS主 要组件包括ROS Master、ROS Node和ROS Service。
ROS Master node通信
（三）执行机构
1.底盘驱动系统
底盘驱动系统由无刷电机驱动器、轮毂电机组成，轮毂电机是无人驾驶方程式的动力来源，无刷电机驱动器则负责处理电机的信号，通过接收来着控制器的信号对无刷电机的速度、电流、位置进行调节。内置PID控制器，只需要通过发送特点的指令即可完成对车的运动控制。
2.线控转向系统
线控转向系统包含了大功率直流电机、编码器、电机驱动器和转向机连接机构。电机通过驱动器进行驱动，而自带的减速器则为完成转向输出大扭力。使用霍尔编码器可以实时检测电机转动的角度，通过开放式PID算法，调节转向系统。
二、调试及测试
（一）调试方案
根据无人驾驶方程式赛车的设计，软件调试的步骤使用电控方案进行划分，即：传感器系统调试、控制系统调试、执行机构调试。
按照三大系统可以分成三个不同的调试类别。
（二）传感器系统调试
1.测试环境
传感器系统的测试环境为 Keil uVision5/Arduino ,串口调试助手、TCP调试助手。
编程软件可在Window、Mac环境下运行。
编程软件截图
2.测试目标
传感器系统的测试主要有:
- 启动系统测试：通过启动开关启动设备，可以通过观察车辆现象、串口反馈数值进行判断。
- 路径感知系统测试：测试传感器性能，传感器使用方法，使用单片机编程的方式进行控制，通过单片机读取，串口反馈数值，从而测试传感器数据。可以采用其他传感器进行数据比对。
- 无线遥控系统测试：通过编程，实现遥控器和单片机中间的通讯，使用多个字符串输出的形式进行判断。
- 车联网系统测试：利用TCP调试助手和串口调试助手，将数据同时通过串口、4G模块进行发送，校验云端和串口的数据是否一致，从而进行车联网系统测试。
（三）控制系统调试
1.测试环境
单片机端控制系统的测试环境为KeiluVision5/Arduino ,串口调试助手、TCP调试助手。
编程软件可在Window、Mac环境下运行。
单板计算机可以通过连接屏幕、SSH的方式进行，通过Ubuntu系统对源码进行编译，使用Python环境编辑程序。
2.测试目标
- 信号管理：通过连接传感器系统，并在控制器端与PC端进行通讯，将获取到的传感器数值与实际数据进行比对，从而判断信号的准确性。
- 底盘控制：连接执行器机构，通过发送信号，串口反馈数据，实际执行器反应进行测试。
- 路径规划：路径规划是无人驾驶的核心，可以分为两个部分，
- 以嵌入式系统为核心的简单路径规划测试，通过视觉、避障进行初级无人驾驶。
- 测试时可以先使用ROS进行仿真测试，对建图、SLAM操作进行熟悉，在完成其他功能测试通过后进行实际环境测试。
ROS无人驾驶仿真
（四）执行机构调试
1.测试环境
专业电机测试台架，串口调试助手、万用表、稳压电源、Keil uVision5/Arduino ,
编程软件可在Window、Mac环境下运行。
电机测试台架
2.测试目标
- 转向系统测试：通过对PID算法的学习，调节PID参数，实现转向系统的快速响应
- 底盘启动测试：使用单片机通过编写串口通讯代码，发送数据给到驱动器，从而控制电机的转动，此测试是底盘控制测试的基础，需要达到准确控制电机的速度、位置。
有了以上的相关知识，
我们就可以开始课题研究活动啦！
赶紧开始吧！
实验的视频&图文欢迎随时给我们投稿
投稿邮箱：315046761@qq.com
