一、介绍
本项目设计的系统能够实现小车自主行驶到目标点。该系统融合了上层导航定位模块、轨迹跟踪控制模块以及下层的小车硬件驱动模块。其中导航定位模块是基于小编上届“DigiKey DIY原创大赛”参赛设计进行拓展开发得到的，能够利用双天线的卫星信号数据解算得到小车当前的位置，核心处理器搭载于上次比赛时设计的开发板上。轨迹跟踪控制模块是本次的核心设计，其功能为 i) 接收导航定位模块的发送的小车的实时位置信息，进行坐标系转换并计算实时航向角；ii) 根据ILOS制导律提供小车自动行驶过程中的期望航向角，根据航向角的期望值与实际值的偏差输出控制值；iii) 将控制值下发小车硬件驱动模块，以驱动小车自动行驶至目标点附近，该模块位于基于树莓派搭建的小车上位机上。小车硬件驱动模块搭载于WHEELTEC的小车上，仅使用其基本的小车底层驱动模块。
二、功能框图
三、功能说明
（一）导航定位模块
导航定位模块展示：
其中， I.MX6ULL 核心板在上届“DigiKey DIY原创大赛”中仅使用了其存储功能。要实现双天线卫星数据的实时解算，需要在开发板上额外编译运行 rtklib 的 rtkrcv 软件，具体步骤与 str2str 软件类似，这里不再赘述。
rtkrcv 软件详细使用步骤见 rtklib 官网文件。输出的数据传入上位机（树莓派）中，下面为上位机接收到的小车实时位置与航向角的数据展示：
其中，gps_serial_to_utm_node 为上位机中搭建的 ROS2 系统的一个节点，用于实现坐标系的转换与实时航向角的计算（具体见轨迹跟踪控制模块介绍），Lat 表示经度坐标，Lon 为纬度坐标，Alt 为海拔高度，→ UTM 表示将经纬度坐标系转化为 UTM 坐标系，x 和 y 为对应的 UTM 坐标值，Heading 为对应 UTM 坐标系下的航向角。
（二）轨迹跟踪控制模块
轨迹跟踪控制模块的构建过程如下：
STEP 1: 上位机环境搭建
硬件准备：树莓派 5（8 GB)，
SD 卡（32 GB），
数据线，屏幕线。
软件准备：烧录 Ubuntu 系统
首先，下载树莓派烧录器 Raspberry Pi lmager，点击下载，
然后，电脑上插入空的SD卡，打开烧录器软件，选择 Raspberry Pi 5→ Other general-purpose OS → Ubuntu，
选择Ubuntu Desktop 24.04.3 LTS(64-bit)，
选择SD卡对应位置，
开始写入，写入完成后会开始自动校验，
Ubuntu 系统烧录完成。
注*：如果烧录过程中出错或者断联，再次烧录时需要格式化SD卡后重新烧录，这里小编踩过坑，所以顺手记录了一下解决方法。
·遇到的问题：SD 卡烧录断联，再次插入电脑后显示需要对其格式化的提示，但按照提示点击后显示“Windows无法格式化U盘”的报错。
·解决方法：将U盘连接到电脑，并确定它被电脑检测到，然后单击“开始”并搜索“命令提示符”，右键单击“命令提示符”并选择“以管理员身份运行”，
然后在运行对话框中，输入“diskpart”并按“回车”，之后依次输入以下执行命令，一步一步执行，
list disk
select disk n
clean
create partition primary
format fs=fat32 quick注意 ，n为U盘对应的磁盘数字，如下图所示，我的U盘对应的是磁盘 2，因此用2代替 n。
将烧录好后的 SD 卡插入树莓派背面卡槽，连接电源给树莓派供电，同时连接屏幕、鼠标、键盘等外设，
开机后，就进入 Ubuntu 系统界面，设置相关信息
全部设置好后，输入密码进入系统，至此上位机基本环境准备完毕。
STEP 2: ROS2 系统搭建与节点编写
准备好 Ubuntu 24.04 系统之后，就可以着手 ROS2 系统的搭建与配置了，具体搭建过程参考鱼香ROS社区。下面为编写的节点架构：
其中，各节点简介如下
gps_serial_to_utm_node：经纬度坐标转换为UTM坐标，同时解算UTM坐标系下的航向角；
gps_utm_subscriber：获取UTM坐标系下小车的实时位置信息；
imu_publisher：获取UTM坐标系下小车的实时姿态信息；
los_node：根据ILOS制导律计算出小车的期望航向角，结合跟踪控制器输出控制值；
tarkbot_robot：上位机与小车硬件驱动模块的通信节点。
STEP 3: 节点调试运行
编写好节点后，在对应的工作空间下打开终端，输入指令:
source install setup.bash完成后输入指令开始编译：
colon build
编译完成后，工作空间会自动形成三个文件夹——build、install、log，
启动节点 gps_serial_to_utm_node，输入
ros2 run gps_serial gps_serial node打印如下信息表示节点顺利启动。
再启动节点 gps_utm_subscriber，输入
ros2 run gps_utm subscriber gps utm_subscriber可以看到打印的位置信息，
启动节点 imu_publisher，输入
ros2 run imu publisher imu publisher可以看到打印的姿态信息，
根据上述节点的打印信息，导航定位模块运行调试成功，且与上位机数据传输正常。
下面开启节点 tarkbot_robot，输入
ros2 run tarkbot robot tarkbot robot运行成功后在终端打印成功连接USB0，波特率为230400：
没有报错提示，说明上位机与小车硬件驱动模块通信正常。
三个模块可以正常通信后，开启节点 los_node，输入
ros2 run los los_node
新开一个终端，配置 los_node 节点，输入
ros2 lifecycle set /los_node configure显示“Transitioning successful”，且上一个终端显示初始化提示
在新开的终端，继续激活 los_node 节点，输入
ros2 lifecycle set /los_node activate显示“Transitioning successful”，且上一个终端显示节点激活
输入指令行，设置目标点位置
ros2 param set /los_node wpt_pos "[238791,3987731]"此时，自动行驶模式开启，对应的 los_node 节点显示如下。
（三）小车硬件驱动模块
小车硬件驱动模块的核心驱动板如下：
与上位机通信的串口 3 如下图所示：
小车驱动板接收的上位机的数据格式如下图所示：
（1）帧头：固定值 0x7B，标识数据包的开始，占一个字节；
（2）预留位：第 2、3 个字节均为预留位，无意义，各占一个字节；
（3）X 轴目标速度：期望速度的前进分量，单位 mm/s，占两个字节；
（4）Y 轴目标速度：期望速度的横移分量，单位 mm/s，占两个字节；
（5）Z 轴目标速度：期望偏航角速度的1000 倍，单位 rad/s，占两个字节；
（6）数据校验位：前 9 个字节异或校验（BCC 校验）的结果，占一个字节；
（7）帧尾：固定值 0x7D，标识数据包的结束，占一个字节。
对应上述提供的数据帧格式，上位机下发的速度控制命令应由 11 个字节组成，每个字节包含 8 位数据。小车自动行驶过程中，速度设置为恒定值 0.2 m/s，期望航向角由 ILOS 算法给出，根据几何分解得到 X 和 Y 轴的速度分量，控制值转化为对应的数据格式下发到小车驱动板中，从而驱动小车运动。
四、演示视频
【 2025 DigiKey 杯】基于树莓派搭建的小车自动行驶系统——成果展示_哔哩哔哩_bilibili
五、花絮
上位机系统展示：
涉及的节点文件展示：
（1）节点 gps_serial_to_utm_node 所在文件夹为 gps_serial
（2）节点 gps_utm_subscriber 所在文件夹为 gps_utm_subscriber
（3）节点 imu_publisher 所在文件夹为 imu_publisher
（4）节点 los_node 所在文件夹为 los
（5）节点 tarkbot_robot 所在文件夹为 tarkbot_robot_serial
最终设备展示（小车行驶过程中，为了避免树莓派滑落，安置在夹板中间空隙处）：
调试过程中遇到的问题：
初始设备搭载的天线如下，
搭载该天线时，获取到的小车位置精度较低，因此解算出的实时航向角误差较大，这导致小车在自动行驶时，实施航向角与期望航向角之间的误差较大且跳变频繁，出现下面视频中轮子左右摇摆前进的情况，因此后续替换为上图最终的大蘑菇头天线。
六、物料清单
（1）树莓派 5（8 GB)
（2）和芯星通板卡 UB482
（3）核心板 I.MX6ULL
（4）32GB SD卡
（5）WHEELTEC R550 PLUS 小车
（6）便携式显示屏
（7）电源
（8）数据线、网线、屏幕连接线若干
七、视频展示：
