十九届智能视觉组结构&硬件开源（六机械臂+三分类）
背景
第十九届全国大学生智能汽车竞赛将于2024年暑期举行， 竞速比赛规则已于2023年11月公布。竞速比赛分为8个赛题组，其中“视觉组” 具有更加复杂的机器视觉处理和模型车运动控制任务，因此通常需要制作结构。
本文总结历届特殊结构的开源网址，并给出自己的一套垃圾结构。
历届结构
目前常见的结构大致有以下几种：
- 单搬车：详见B站：逐飞科技 第19届 智能视觉组 逐飞演示车模 运行演示
- 凤凰车：详见B站：冷凤-Phoenix 17智能视觉 “凤凰结构”四分类方案开源与机械臂动作讲解
- 卡片收集盒：详见B站：只会摸鱼的False 18届智能视觉赛区赛寄录
- 双头凤凰车
- 摩天轮结构
- 南昌结构
- ……
（一时半会找不到其他结构和相关开源了，欢迎补充）
开源网页
开源链接: https://pan.baidu.com/s/1mLZOnUKCllSWfU5X8tfWbw?pwd=jj5c
提取码: jj5c
结构设计
设计思路
根据赛题要求，将赛题分为两个部分：随机点和固定点（环岛和十字）。
- 随机点数量多，从取到放可能需要经历固定点，因此需要分类装置。（题目要求）
- 固定点数量少，从取到放不会经历随机点，因此希望减少多次取放的步骤，也就是六个机械臂拾取六张。（题目要求）
- 减少纯舵机构成机械臂的舵机个数，因为舵机的精度不高，级联误差传递会导致难以控制。（个人经验）
- OpenART和MCXVison等图像识别摄像头平行于赛道，减少图像处理难度。（个人经验）
- 减少车体旋转的次数，我们实验室对陀螺仪的解算还难以达到随心所欲。（个人原因）
- 减少识别卡片后的车体调整距离。
总结上述想法，发现机械臂旋转而分类装置不旋转不失为一种优秀 （可能吧） 的想法。
整体结构
主视图：
左视图：
右视图：
俯视图：
结构计算
分类盘
分类盘以紧贴赛道边缘的两张卡片中心点为直径，构成一个圆，在该圆上每
60
°
60°
60°标记为圆心，以此圆心做圆，则为卡片盒位置。
已知赛道宽为
450
m
m
450mm
450mm，卡片为
120
m
m
120mm
120mm的正方形。可以计算得到卡片盒的直径应当至少为
180
m
m
>
120
2
≈
169.68
m
m
180mm>120 \sqrt{2} \approx 169.68mm
180mm>1202≈169.68mm。
设计草图如下所示
具体模型详见俯视图
旋转盘
首先是确定主支座和旋转盘之间连接器件的选型问题。
旋转盘X轴、Y轴方向由滑环锁定，旋转盘的Z轴由主轴支
座和推力轴承锁定。
主支座上方是主板盒，放置主板，下方是车轮驱动，不可避免需要较粗的空心部分过导线，因此针对此，需要选择空心的滑环和较大直径的推力轴承，最终选择了：
- 滑环MT60130-P0410-S02
- 推力轴承51114
接下来是针对旋转盘参数的一些计算。
对于上述草图，可以看出几个必然的等式和不等式，罗列如下：
{
h
1
=
450
m
m
+
120
m
m
2
=
285
m
m
（赛题要求）
h
1
=
h
2
+
h
3
h
2
>
180
m
m
（舵机之间不能干涉，还需要留出舵机控制板的安装区域）
h
3
>
l
3
+
l
4
（希望上机械臂收回时，下机械臂能放在舵机上方）
l
1
=
l
3
+
l
4
l
1
>
l
2
l
2
>
200
m
m
（步进电机板在主支座中，因此需要保留必要空间）
l
4
=
22
m
m
（电磁铁尺寸）
\begin{cases} h_1=\frac{450mm+120mm}{2}=285mm（赛题要求）\\ h_1=h_2+h_3\\ h_2>180mm（舵机之间不能干涉，还需要留出舵机控制板的安装区域）\\ h_3>l_3+l_4（希望上机械臂收回时，下机械臂能放在舵机上方）\\ l_1=l_3+l_4\\ l_1>l_2\\ l_2>200mm（步进电机板在主支座中，因此需要保留必要空间）\\ l_4=22mm（电磁铁尺寸） \end{cases}
⎩⎨⎧h1=2450mm+120mm=285mm（赛题要求）h1=h2+h3h2>180mm（舵机之间不能干涉，还需要留出舵机控制板的安装区域）h3>l3+l4（希望上机械臂收回时，下机械臂能放在舵机上方）l1=l3+l4l1>l2l2>200mm（步进电机板在主支座中，因此需要保留必要空间）l4=22mm（电磁铁尺寸）
根据上述要求，其实旋转盘的参数应当已经基本无法调整了：
因为
h
3
>
l
3
+
l
4
=
l
1
>
l
2
>
200
m
m
h_3>l_3+l_4=l_1>l_2>200mm
h3>l3+l4=l1>l2>200mm，又因为
h
2
>
180
m
m
h_2>180mm
h2>180mm，所以
h
1
=
h
3
+
h
2
>
280
m
m
h_1=h_3+h_2>280mm
h1=h3+h2>280mm，而赛题要求
h
1
=
285
m
m
h_1=285mm
h1=285mm，说明
l
2
、
l
1
、
h
3
、
h
2
、
h
1
l_2、l_1、h_3、h_2、h_1
l2、l1、h3、h2、h1可变化的范围较小
综上，即为旋转盘的尺寸计算过程，根据该过程可以计算出相应尺寸。
为了增强旋转盘面的刚度和强度，选用了亚克力板作为板面，3D打印下方支撑盘（整体结构中蓝色部分），方便齿轮的制作和滑环的嵌入。
具体详见模型。
主支座
对于支座部分，由于已经有了上述的计算，因此尺寸部分基本上是已经定下来了的，也因为上述计算因此改变量不大。
- 下层镂空，过电源线和信号线，以及留出空间给步进电机板安装。（为了防止步进电机板过热，开了两个 30 m m 30mm 30mm风扇，但实际发现主要还是给电机在散热）
- 中层下开槽，嵌入推力轴承。
- 顶层开十字，做成一个类似于榫卯结构，方便主板盒的正安装，另开四个螺丝孔，通过螺丝来硬连接主板盒和主板盒。（事实证明4根 12 m m 12mm 12mm的 M 3 M3 M3沉头螺丝可以承受整辆车的重量，也就是你抱着主板盒，仅靠这四颗螺丝抱起整辆车）
- 主轴开 20 m m 20mm 20mm，过信号线和电源线。（这里有个小细节：信号/电源线一般都是接口粗，导线细，所以硬件在上下部分连接时候需要使用小接口的连接方式，比如FPC，4P及以下的的XH头）
- 齿轮是找机械院的大佬画的，具体数据已经丢失了，所以这里就没法提供了。
主板盒
主板盒底部部分无非是契合即可主板就好，为了给电源线和信号线出线。
所有的出线分为以下五类。
最重要的是上方给碳杆穿孔的位置的确定。
根据我们队做视觉同学的测算，OpenART和MCXVision使用90°的镜头时候，大致需要碳杆离地35mm。基于这个参数，可以推算整个碳杆结构的长度。
为了模型的好看和软件中的定义方便，我特意修改了碳杆的长度。
但在实际制作时候，不可避免有各种误差，可以将碳杆留长
5
c
m
5cm
5cm左右，以防止误差造成的问题。
结构总结
据此，结构方面的阐述基本结束。
如有不清楚可以看看模型或者找我问问（B站id：南某人急了【头像同CSDN】）
模型在重要参数上做到了一比一还原，应该（为了不说满）没有坑人的地方。
再简略描述下优缺点，给想要制作的同学提个醒。
优点
- OpenART和MCXVision镜头完全水平于地面，因此算法方面要求较低
- 机械臂正对卡片，简化了车体旋转的控制问题。
- 整体结构对称，重心基本在车正中心，不会偏移。
- 整体结构完全采用螺丝螺母铜柱作为连接件，不需要胶水等临时固定。
缺点
- 车又大又重，运输较难。（理论上应当是超长超宽上不了高铁的）
- 寻迹摄像头的前瞻量较大，需要一定的算法支撑。（我们队也是因为没有人会写巡线，抄的摄像头的代码但不会调参而G的）
- 机械臂电磁铁的螺丝调平需要一点手感。（我的软件咋调咋不能用，也不知道为啥）
- 步进电机板较小，绘制焊接较难，考验硬件的焊接。
硬件设计
以上是完整的硬件电源/信号拓扑图，所有使用的模块均在上方列出。
需要预先说明的是以下几点：
- 因为实验室原因，因此电机驱动（桥）不会开源。
- 因为原本使用双核心板的方案，因此需要两个屏幕（一个核心板一块屏幕）。后来改成开源的单核心板方案，但控制面板并没有修改。
- 以下仅阐述关键的两块电路板，其余请自行查看开源文件。
步进电机驱动板
步进电机采用DRV8825芯片驱动。
因为不允许使用成品闭环步进，所以要么使用开环步进，要么就使用NXP的MCU的闭环步进。
舵机主控板
舵机主控板采用PCA9685芯片作为信号驱动。
因此只需要核心板提供两根信号线（IIC），就能控制所有的机械臂舵机和电磁铁。
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