“探索号”火星车项目开发

欢迎大家来到"探索号"火星车发布会的现场！

美国有NASA，我们有MARSA，这是它的英文名字Mars Assistance，火星探索辅助设备。

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火星情况

要想去到遥远的火星去执行任务，我们当然要先弄清楚火星上面的基本情况是什么样的。通过查找资料，尤其是《火星救援》这部电影给了我们启发很多。

我们了解到火星，火星表面的平均大气压强不足地球上的1%，所以它时不时就会来一场席卷整颗行星大风暴。因此风化严重，火星上遍布撞击坑、峡谷、沙丘和砾石。另外，2014年科学家发现在火星内部存在庞大的水资源，酷似巨型“地下水库”。俗话说水是生命之源，我们有理由怀疑火星上会不会真的有生命，或者说是外星人呢。

有了这个怀疑，我们想要做的就是火星生命的探测。

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探索号特点与功能

"探索号"火星车，它有以下几个特点和功能。

外观

首先外观上，大家可以看出我们使用了履带的设计。刚才我们讲到火星多风沙，那么履带的设计大大增强了火星车的稳定性；在坑洼地段履带比轮胎的脱困能力也会好很多；因为履带和地面的接触面积更大，所以对地面压强就很小，在沙地泥地里更不容易陷进去。

超声波避障功能

另外，为了应对比较恶劣的地质环境，我们还加入了超声波避障功能。

由于环境复杂多样，我们设计了两种避障策略。

• 面对比较矮小的障碍物，火星车会利用自身的机械臂将自身撑起来而实现翻越障碍物；
• 如果障碍物比较高大，火星车就会骂骂咧咧的走开，重新规划路线。

多级变速功能

为了使火星车前进的更加稳定，我们使用了姿态传感器，通过对欧拉角的判断实现了上坡加速，下坡减速。

智能检测功能

我们关注多学科交叉融合，坚持产学研一体化，刚才我们是火星车的任务是探测生命，于是我们调整我们之前做的大创项目，使用YOLO目标检测算法，通过火星车上的摄像头将视频流传回上位机进行检测。我们的算法可检测类别八十余种。

红外寻迹功能

难道外星人真的好找吗，不一定。我们火星车还实现了寻迹功能，可以外星生命的痕迹主动探索。

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实现原理

超声波避障

障碍物类型的判断方法：当超声波检测障碍物距离小于阈值时，机械臂触地将火星车支撑起来，超声波持续检测，如果还能检测到障碍物则说明是高大障碍物，否则判断为矮小障碍物。

对于低矮障碍物，因为机械臂可使火星车直接翻越，因此火星车将慢速前进并收回机械臂；对于高大障碍物，火星车将后退并右转重新寻路。

技术细节：通过Get_distance函数获取超声波传感器检测前方障碍物的距离值，通过不断调试，我们将阈值调整到15。Angle[0]、Angle[1]、Angle[3]分别对应0、1、3号舵机负责调整机械臂姿态。

通过MOTOR_GO_FORWARD、MOTOR_GO_STOP、MOTOR_GO_RIGHT函数直接控制火星车的行进方向。

void shangpo()
{
          MOTOR_GO_STOP;
        //停车
        Angle[0]=0;
        Angle[1]=70;
        Angle[3]=0;
        Delay_ms(500);
        float distance = Get_distance();    //获取超声波传感器距离值
        if((15<distance)||(distance<=0))             //判断超声波传感器距离值大于15小于等于0
        {
            MOTOR_GO_FORWARD;
            Delay_ms(300);
            MOTOR_GO_STOP;
            Angle[0]=180;
            Angle[3]=0;
            Delay_ms(500);
            Angle[1]=0;
            Delay_ms(50);
            MOTOR_GO_FORWARD;
            Delay_ms(500);
            return;
            //forward(adjust,500);
            Delay_ms(500);
        }
        else
        {
          Angle[0]=180;
          Angle[1]=0;
          Angle[3]=0;
          Delay_ms(500);
          MOTOR_GO_BACK;
          Delay_ms(500);
          MOTOR_GO_RIGHT;
          Delay_ms(250);
          MOTOR_GO_STOP;
        }
        return;
}

多级变速

变速策略为当火星车通过姿态传感器判断处于上坡状态或下坡状态。当处于上坡状态时，火星车加速前进，当处于下坡状态时，火星车减速前进。

本功能的解码模块如图所示，其主要部分参考姿态传感器官方文档的帧设定。当传入数据帧头为0x53时，传递的是姿态信息。通过官方给的变换公式，我们便可以得到三个角度的姿态信息和一个温度信息。

void Communication Decode3(){
    if(Communication_Decode_flag3){
		Communication_Decode_flag3=0;
		if(buffer3[0]==0x53){
			ro11x=(buffer:3[2]<<8)|buffer3[1])/32768.0*180;
			pitchy=(buffer3[4]<8)|buffer:3[3])/32768.0*180;
			yawz=(buffer3[6]<<8)|buffer3[5])/32768.0*180;
			temperature=((buffer3[8]<<8)buffer3[7])/100.0;
        }
    }
}

再通过其中的pitchy来判断上下坡信息并调整速度，并且上坡的度数越大，速度越快。下坡的读书越大，速度越慢。

 int speed=3;
 float s_up=1;
 float s_down=3;

void main(void)
{
  /* 设置系统时钟为72M ;*/
  SystemInit();
  
  
  
  SysTick_Configuration();  //SysTick中断配置，主要用来定时
  
  //LCD_12864_init();//液晶屏初始化
  
  GPIO_ALL_Config(); //GPIO初始化
  
  //Init_LED();   //流水灯等延时38秒等待WIFI模块启动
  
  //Init_Steer(); //舵机角度初始化  
    
  //TIM2_PWM_Init(); //定时器2(舵机PWM初始化)
  
  TIM4_Init(); //定时器4(计时)
    
  TIM5_PWM_Init(); //定时器5(电机速度PWM初始化)
  
  USART1_Config();  //串口初始化
  
  ifstop=0; //用来计数多长时间没有检测到黑线
  USART3_Config();
  

  Set_Right_Speed(500);
  Set_Left_Speed(500);
  while (1)
  { 
    if(ifstop<150000){
       TrackLine();
    }
    if(pitchy>190){
       Set_Right_Speed((u16)(speed+(pitchy-180)*s_up));
       Set_Left_Speed((u16)(speed+(pitchy-180)*s_up));
     }
   else if(pitchy<170){
      Set_Right_Speed((u16)(speed+(180-pitchy)*s_down));
      Set_Left_Speed((u16)(speed+(180-pitchy)*s_down));
    } 
   else{
     Set_Right_Speed(speed);
     Set_Left_Speed(speed);
   }
  }
}	

智能检测

yolov5智能检测的原理如图4-11所示。对于Yolov5，这是基于YOLOv3（一种轻量级检测网络）改进的。YOLOv5网络结构由四部分组成：输入侧，骨干，颈部和预测。输入端采用Mosaic数据增强，并针对不同数据集获得自适应锚帧计算和自适应图像缩放。骨干网络采用集中结构，同时设计两种CSP结构，一种应用于骨干网，另一种应用于Neck;颈部部分是FPN和PAN结构， 相比YOLOv4，YOLOv5不同之处在于颈部结构采用了从CSPnet设计中借鉴的CSP2结构，增强了网络特征融合的能力;输出端采用边界框损耗函数，实现更快更好的收敛效果。

事实上，对于yolov5智能检测流程，未来我们还会进行进一步优化，具体如下：火星车在火星上进行搜寻，摄像系统将视频流传给火星基地，然后火星基地依靠强大的计算能力，分析得出相关结果，对小车下发指令，指导小车进行运动。下面是我们预期的工作流程图：

红外循迹

此功能通过两个红外传感模块实现。其基本原理为检测红外线的反射，而黑线能够吸收红外线，因此黑线不会反射红外线，也就检测不到。通过这个原理，就可以判断当前车辆相对于黑线的位置。当两边都能检测到反射时，说明黑线在两个传感器中间，车辆前进。当左边或者右边检测不到反射时，说明车辆偏向一边，此时应该左转或右转。当两边都检测不到反射时，说明车辆到达终点，应该停下来。

通过TR_L和TR_R分别接收红外传感器传来的数据，其中检测到值为1，没有检测到值为0。结合方向控制函数根据我们的基本逻辑即可实现红外循迹。

void line()
{
    if((TR_L==0)&&(TR_R==0))//两边同时都没有探测到黑线
    {
        MOTOR_GO_FORWARD;
         return;
     } 
                       
    else if((TR_L == 1)&&(TR_R== 0))//右侧遇到障碍  
      {
        MOTOR_GO_LEFT;
        return;
      }
              
    else if((TR_L == 0)&&(TR_R == 1))//左侧遇到障碍 
      {
        MOTOR_GO_RIGHT;
        return;
      }
                       
    else if((TR_L == 1)&&(TR_R == 1))//左右都检测到黑线，就如视频中的那样遇到一道横的胶带 
      {
        MOTOR_GO_STOP;
        return;
      }
}

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问题与解决

超声波模块间歇失控

• 问题描述：超声波模块有时距离障碍物很远时就启动机械臂，有时撞上障碍物时也没有反应。
• 解决思路：我们首先怀疑是不是超声波模块有问题，我们换了几个模块还是有问题。然后我们觉得是不是模块缓冲区的问题，是不是上一次检测到障碍物时还未将结果存入缓冲区，再次启动时才将缓冲区读取出来，这样就可以解释“撞上障碍物时也没有反应，后面再次启动时又会立刻有反应”这一现象了。
• 解决方法：最后我们发现是因为主代码中有一段中断程序，过了一段时间程序就会进入该中断而不再执行我们的代码，删掉中断程序后即可正常运行。

火星车行进偏移

• 问题描述：火星车前进路线不直，上到跷跷板后会掉下来。
• 解决方法：因为每个电机的生产情况不尽相同，因此相同的PWM信号也会使电机的旋转情况不同。需要自己手动补偿速度差异。

姿态传感器无效

• 问题描述：在最初进行这个功能的调试过程中，我们发现火星车无法通过串口接收姿态传感器传递的内容
• 解决思路：最开始我们以为是自身算法没有写好，但经过层层排查之后，我们发现用串口助手也无法接收到姿态传感器的内容，于是考虑是姿态传感器的问题，最终在更换姿态传感器后解决。

姿态传感器数据不准确

• 问题描述：姿态传感器的角度信息不准确，当处于平地的时候会认为处于上坡。
• 解决思路：通过多次实验发现姿态传感器的角度数据有一个固定的偏差，通过对接收到的角度数据做一个固定的调零后可以解决这个问题。

火星车的wifi模块的不稳定

• 问题描述：火星车的wifi模块和电脑的连接经常会出现断连，重连的现象。
• 解决方法：经过检查和分析，是火星车的STM32主板给wifi模块供电的电压不足。

火星车和WiFi模块的上位机通信

• 问题描述：上位机（电脑或者手机）接入火星车的wifi之后，便仅能接收到视频，而不能给火星车下放指令。
• 原因推断：在wifi开启之后，38秒流水灯还没有走完的情况之下，电脑就接入wifi，会打断STM32主板里面的相关指令接收模块的初始化。因为接入会给主板发送一个信号，相当于一个指令。

红外传感器灵敏度不足

• 问题描述：红外传感器无法准确探测黑线，灵敏度不足。
• 解决方法：通过手动使用螺丝刀调节红外传感器的灵敏度，可以调整红外循迹的流畅度，从而更好地实现循迹。

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鸣谢：勇勇子、奇奇子