01 智能車競(jìng)賽

一、背景介紹

第十七屆 全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽^[1] 將于2022年暑期舉行， 競(jìng)速比賽規(guī)則^[2] 已于2021年11月公布。競(jìng)速比賽分為九個(gè)賽題組，其中“智能視覺(jué)組”、“完全模型組”兩個(gè)組別具有更加復(fù)雜的機(jī)器視覺(jué)處理和模型車運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，比賽詳細(xì)內(nèi)容將會(huì)另行通過(guò)比賽細(xì)則進(jìn)行說(shuō)明。

本文是智能視覺(jué)組比賽細(xì)則。比賽細(xì)則正式文檔將會(huì)公布在全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽網(wǎng)站。

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▲ 圖1 全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽網(wǎng)站

二、智能視覺(jué)組描述

在智能車競(jìng)賽競(jìng)賽比賽規(guī)則中對(duì)于智能視覺(jué)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(duì)于車模外形尺寸沒(méi)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(jī)與視覺(jué)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(chǎng)地采用與信標(biāo)相同的場(chǎng)地。場(chǎng)地內(nèi)存在Apriltag標(biāo)識(shí)物，位置已知；場(chǎng)地內(nèi)隨機(jī)放置5 ~ 20 個(gè)圖片內(nèi)容，位置已知；車模從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)后，依次找到圖片位置并識(shí)別內(nèi)容。根據(jù)識(shí)別大類，將圖片(帶有磁性)搬運(yùn)到賽道指定位置。

02 比賽細(xì)則

一、比賽場(chǎng)地

1、比賽環(huán)境

與傳統(tǒng)的“信標(biāo)組”比賽環(huán)境相同，比賽場(chǎng)地部署在室內(nèi)無(wú)陽(yáng)光直射的場(chǎng)地，地面保持基本平整。場(chǎng)地周圍50厘米范圍內(nèi)沒(méi)有其他障礙物。比賽場(chǎng)地外可以設(shè)置高度超過(guò)50厘米的圍擋，以防止競(jìng)賽車模沖出賽場(chǎng)。

2、比賽場(chǎng)地

（1）場(chǎng)地形狀與尺寸

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

▲ 圖2.1.1 比賽場(chǎng)地示意圖

（2）場(chǎng)地坐標(biāo)

為了便于智能車在完成任務(wù)過(guò)程中對(duì)于行駛路徑進(jìn)行優(yōu)化，比賽前將會(huì)把場(chǎng)地內(nèi)搜索識(shí)別目標(biāo)的位置通過(guò)圖片識(shí)別的方式告知智能車。為了表示車模以及識(shí)別目標(biāo)在場(chǎng)地內(nèi)的位置，對(duì)比賽場(chǎng)地建立相應(yīng)平面坐標(biāo)系。

從場(chǎng)地內(nèi)左下角開(kāi)始，往左、往上設(shè)置兩個(gè)相互垂直坐標(biāo)軸：X方向坐標(biāo)軸和Y方向坐標(biāo)軸。以20厘米間隔作為長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)單位。

場(chǎng)地內(nèi)存在著邊長(zhǎng)為20厘米的虛擬坐標(biāo)網(wǎng)格，目標(biāo)與車模在場(chǎng)地內(nèi)的坐標(biāo)就以其中心所在網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)（Xn，Yn）來(lái)表示。場(chǎng)地內(nèi)靠近原地的第一個(gè)網(wǎng)格坐標(biāo)為（1，1）,這也是比賽中車模的出發(fā)點(diǎn)。

▲ 圖2.1.2 比賽場(chǎng)地坐標(biāo)● 注：場(chǎng)地內(nèi)地面并沒(méi)有視覺(jué)可見(jiàn)的坐標(biāo)網(wǎng)格，智能車模需要使用Apriltag視覺(jué)定位、慣性導(dǎo)航、里程計(jì)、電子羅盤(pán)等傳感器輔助定位。

3、Apriltag定位

車模在場(chǎng)地內(nèi)運(yùn)行時(shí)可以使用IMU、里程計(jì)、電子羅盤(pán)等輔助進(jìn)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(jìng)賽場(chǎng)地內(nèi)還設(shè)置有多個(gè)Apriltag標(biāo)示立方體用于視覺(jué)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(gè)立方體所使用的Apriltag碼各不相同，在場(chǎng)地內(nèi)的位置也不同。

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

Ⅰ.Apriltag立方體尺寸

立方體的邊長(zhǎng)為20厘米。Aprilta碼圖片的尺寸為18厘米，粘貼在立方體四個(gè)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(gè)Apriltag圖片。

▲ 圖2.1.4 使用Tag25h9系列中的前十個(gè)Apriltag圖片

（2）Apriltag位置

在每個(gè)場(chǎng)地的四周和中心會(huì)布置有十個(gè)左右的Apriltag立方體，它們大體位于場(chǎng)地內(nèi)四個(gè)邊界以及場(chǎng)地中間。具體所處的位置（Xn,Yn）會(huì)在比賽前進(jìn)行公布。下面是一種Apriltag立方體擺放示意圖，其中擺放了10個(gè)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(chǎng)地內(nèi)分布示意圖

二、比賽任務(wù)

智能視覺(jué)組的基本比賽任務(wù)為：從位置（1,1）出發(fā)，完成對(duì)場(chǎng)地內(nèi) 5 ~ 20個(gè)目標(biāo)的搜索、識(shí)別與搬運(yùn)。比賽完成任務(wù)的時(shí)間，時(shí)間短者勝利。

對(duì)于識(shí)別搜索遺漏、識(shí)別錯(cuò)誤、搬運(yùn)識(shí)別等將會(huì)通過(guò)相應(yīng)的加罰時(shí)間疊加在比賽任務(wù)時(shí)間上。

1、搜索目標(biāo)結(jié)構(gòu)

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

▲ 圖2.2.1 圓形的識(shí)別目標(biāo)圓盤(pán)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(biāo)物尺寸

2、搜索目標(biāo)種類

搜索目標(biāo)圖片種類包括有三大類，每一大類又包括有五種小類。

• 動(dòng)物： 狗、馬、貓、牛、豬
• 水果： 橙子、蘋(píng)果、榴蓮、葡萄、香蕉
• 交通工具： 火車、輪船、飛機(jī)、小轎車、大客車

▲ 圖2.2.3 識(shí)別目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)目標(biāo)集合數(shù)據(jù)庫(kù)競(jìng)賽組委會(huì)將會(huì)另行發(fā)布。

在識(shí)別過(guò)程中，需要將識(shí)別物品的種類（屬于哪一大類，哪一小類）的信息實(shí)時(shí)無(wú)線發(fā)送到比賽系統(tǒng)。

3、目標(biāo)搬運(yùn)方位

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

目標(biāo)圓盤(pán)需要最終位于賽場(chǎng)黃色邊界線以外。

▲ 圖2.2.4 目標(biāo)最終搬運(yùn)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(biāo)的搜索識(shí)別，不要求對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搬運(yùn)。

4、識(shí)別結(jié)果發(fā)送顯示

為了顯示車模識(shí)別搜尋軌跡、搜索時(shí)間以及識(shí)別結(jié)果，車模需要實(shí)時(shí)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送運(yùn)行信息。

（1）無(wú)線模塊接口

無(wú)線通訊模塊在競(jìng)賽的時(shí)候有競(jìng)賽組委會(huì)提供，它自帶電源。

Ⅰ.接口機(jī)械結(jié)構(gòu)

外部接口為3pin，100mil的插座接口（母頭）。

●  無(wú)線通信模塊接頭定義：
● 紅線： 3.3V
● 黑線：地線
● 藍(lán)線：TXD

▲ 圖2.2.5 無(wú)線模塊接口參賽車模的電路板上需要有無(wú)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(hào)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(yàn)：無(wú)

（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(gè)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(shí)間字段： 單位是秒，從開(kāi)始比賽到發(fā)送信息時(shí)單片機(jī)時(shí)間。
• X字段： 是車模所處在場(chǎng)地坐標(biāo)X值；
• Y自動(dòng)： 是車模所處在場(chǎng)地坐標(biāo)Y值；
• 識(shí)別大類： 識(shí)別目標(biāo)的大類：
• 1,2,3：分別表示動(dòng)物，水果，交通工具；
• 0 ：表示沒(méi)有目標(biāo)，正處在搜索過(guò)程；
• 9 ：表示現(xiàn)在正在搬運(yùn)目標(biāo)；
• 其他值：無(wú)效值；
• 識(shí)別小類： 表示識(shí)別目標(biāo)的小類別：
• 動(dòng)物：1-狗；2-馬；3-貓；4-牛；5-豬；
• 水果：1-橙子；2-蘋(píng)果；3-榴蓮；4-葡萄；5-香蕉；
• 交通工具：1-火車；2-輪船；3-飛機(jī)；4-小轎車；5-大客車；
• 1,2,3,4,5：分別表示目標(biāo)的小類別；
• 0 ：表示沒(méi)有目標(biāo)；
• 其他值：無(wú)效值；

（3）發(fā)送信息間隔

發(fā)送信息的時(shí)間按照拆下規(guī)范進(jìn)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(méi)有搜索到信息的時(shí)候，車模每100ms發(fā)送一次當(dāng)前信息；
• 在搜索到目標(biāo)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(biāo)位置

為了便于車模進(jìn)行搜索時(shí)路徑規(guī)劃，比賽前場(chǎng)地內(nèi)的目標(biāo)位置固定好之后，將會(huì)打印在一張A4紙上，表明了場(chǎng)地內(nèi)目標(biāo)的數(shù)量和位置。參賽選手在按動(dòng)比賽開(kāi)始按鈕之后便可以將目標(biāo)位置放在車模鏡頭前，由車模進(jìn)行識(shí)別之后開(kāi)始后面的比賽過(guò)程。

目標(biāo)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(zhǎng)寬與實(shí)際比賽場(chǎng)地成正比。長(zhǎng)寬最小的尺寸超過(guò)10厘米，最大不超過(guò)20厘米。

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

▲ 圖2.2.8 目標(biāo)位置示意圖

三、車模技術(shù)要求

1、車模平臺(tái)

車模平臺(tái)使用四輪麥克納姆輪車模?？梢赃x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(xì)說(shuō)明請(qǐng)參見(jiàn)已經(jīng)公布的《第十七屆智能車競(jìng)賽競(jìng)速比賽細(xì)則》。

車模作品完成之后，車模的尺寸沒(méi)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(méi)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(pán)、光電管等。如果使用攝像頭，則攝像頭的個(gè)數(shù)小于三個(gè)。

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

4、軟件開(kāi)發(fā)工具

可以使用C語(yǔ)言，Python語(yǔ)言完成車模中微控制器軟件開(kāi)發(fā)。

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

※ 附 件 ※

■ 競(jìng)賽相關(guān)文檔

• 第十七屆全國(guó)大學(xué)智能汽車競(jìng)賽競(jìng)速比賽規(guī)則^[2]
• 第十六屆智能汽車競(jìng)賽AI視覺(jué)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(jué)組比賽細(xì)則正式發(fā)布。