智能循跡車知識講解

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2智能車組成概要1目錄

逐飛科技有限公司IAR軟件使用2單片機基礎模塊3單片機如何控制外設4智能車調試手段與問題分析5算法6Page

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逐飛科技有限公司1智能車組成概要

智能車核心組成部分有單片機、車模、尋跡傳感器(攝像頭、電感加運放模塊、線陣CCD)、編碼器、電機及電機驅動模塊、伺服舵機，及一些輔助調試模塊，如TFT顯示屏、按鍵、蜂鳴器、撥碼開關、NRF無線通訊模塊。

在介紹這些組成部分之前我們先來假設一下，如果在賽道上跑的不是車而是人。那么人是怎么運作的。下圖是往年比賽的賽道。Page

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逐飛科技有限公司1智能車組成概要

如果在上面跑的是人，那么這個人第一是了解比賽的規(guī)則，只有了解規(guī)則，才能不犯規(guī)，成績才能有效。了解規(guī)則之后就可以上賽道跑了，人處理的大致過程是首先眼睛觀看自己的前方賽道，將賽道信息傳輸?shù)酱竽X內進行處理，處理的時候需要結合之前了解到的規(guī)則，如果前方是彎道大腦會控制我們的腿進行轉彎動作及減速動作，同時也會控制我們的手，以保持身體平衡。

對上述過程進行總結可以得到，人的眼睛負責采集賽道信息，人的大腦負責處理信息并控制我們身體進行相應的動作。Page

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逐飛科技有限公司1智能車組成概要其實智能車控制也是這樣的，采集信息，然后處理器處理信息，處理信息后得出結果，根據(jù)結果來控制執(zhí)行機構件進行動作。具體結構就是，我們的視覺傳感器攝像頭、CCD或者磁場傳感器（這三個就是類似人的眼睛用于給處理器提供外部的信息）給出賽道信息，單片機（這個就類似人的大腦用于處理各種復雜的信息，給出處理結果或者控制信息）得到這些信息之后，將這些信息進行處理然后得出車身與賽道之間的偏差，利用這個偏差來控制車模的舵機與電機（這個就類似人的手與腳，為人體運動提供動力），從而控制車模沿著賽道行走。Page

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逐飛科技有限公司1智能車組成概要單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。單片機是智能車最重要的組成部分，也是智能車的靈魂，負責搜羅所有的數(shù)據(jù)并進行處理，然后控制車模進行相應的動作。Page

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規(guī)則每年都會重新指定每個類別使用某種型號的車模，不能隨意使用，比如第十二屆比賽中電磁組規(guī)定使用B車模，四輪光電組使用C車模。Page

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尋跡傳感器一般有三種面陣攝像頭（MT9V032）、線陣CCD（TSL1401）、電感加運放模塊。

面陣攝像頭與人眼最為接近，因為他看到的東西與人一樣都是一張一張連續(xù)的圖片，三種傳感器中攝像頭是最為穩(wěn)定的，因為看的多且看的遠。線陣CCD與人眼也比較類似，不過CCD看到的不是圖片，而是看到的一條線，假如我們把門留個縫，然后我們從這個縫往外看，是不是就是看到的是一條線了，CCD就是這樣從門縫看賽道的。

電磁組的賽道中心鋪設有漆包線，并且通了20KHZ的電，電流為100mA，通電導線會產(chǎn)生磁場，因此我們使用電感檢測磁場，由于磁場非常小，我們需要運放來進行放大處理。Page

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在車模行駛的過程中，我們需要知道車模的速度便于控制加減速，因此需要使用編碼器來獲取速度信息。Page

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電機為車模前進提供動力，由于電機功率較大，單片機無法直接驅動，因此需要電機驅動模塊驅動電機，單片機將控制信號傳輸給電機驅動模塊，電機驅動模塊接受到信號后將信號轉換為對應的電壓，這樣就可以控制電機的轉速了。Page

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伺服舵機用于控制車模轉向。舵機是比賽指定的，不能更換為其他型號，也不得對舵機進行改動。Page

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在調試程序的時候我們經(jīng)常需要查看圖像、變量數(shù)據(jù)，因此使用TFT顯示屏顯得尤為重要，會大大提高我們調試程序的效率。Page

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逐飛科技有限公司1智能車組成概要按鍵

在比賽的過程中，我們一般都會根據(jù)賽道的情況決定速度設置多少，平時調試的時候我們也會使用不同的速度對車模進行測試，不可能每次更改數(shù)據(jù)的時候都下載一次程序，這樣會非常低效。使用按鍵調節(jié)參數(shù)將會變得更加簡單高效。撥碼開關

撥碼開關與按鍵的作用差別不大，主要用于調節(jié)參數(shù)。蜂鳴器

在很多特殊元素的處理的時候我們經(jīng)常希望有一種簡單的方法，讓車模給一個反饋。比如障礙，車模有沒有識別到障礙我們編寫程序的人員怎么知道呢，這個時候我們就可以這樣來編寫程序，當程序檢測到障礙后，蜂鳴器響，這種方式非常簡單高效，在調試的時候，能簡單的給出一個反饋。Page

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在車模調試過程中經(jīng)常會遇到各種問題，但是單純分析程序非常難找到問題所在，一般我們使用在線調試的方法來查看每個數(shù)據(jù)是否正確來調試程序，但是很多時候車模出問題確是在運行過程中才出問題，這個時候不可能說我們插著JLINK抱著電腦跟著車跑吧，那么這個時候就沒有辦法在線調試了。因此我們使用無線通訊模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，然后我們在電腦上查看數(shù)據(jù)。Page

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逐飛科技有限公司2IAR軟件使用Page

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逐飛科技有限公司3單片機基礎模塊NXPMK60DN512VLL10IO中斷模塊IO中斷(PORT)模塊用于接收外部突發(fā)數(shù)據(jù)，當外部數(shù)據(jù)準備就緒的時候通過中斷來告訴單片機趕緊讀取數(shù)據(jù)。IO口模塊IO模塊(GPIO)就是控制單片機的外部引腳的電平狀態(tài)，通過控制IO的電平狀態(tài)來控制外部器件。ADC模塊FTM模塊DMA模塊PIT模塊PIT（periodInterrupttimer）周期定時器用于控制程序的定時周期執(zhí)行。ADC即模數(shù)轉換，就是將外部的模擬量轉換為對應的數(shù)字量，這樣便于單片機進行數(shù)據(jù)存儲與處理。做智能車所使用到的FTM模塊的功能有兩個，PWM與正交解碼功能。但是一個模塊只能具有一個功能，PWM用于控制電機與舵機，正交解碼用于獲取編碼器的數(shù)據(jù)DMA(directmemoryaccess)模塊，該模塊主要用于獲取攝像頭的數(shù)據(jù)，模塊特點就是數(shù)據(jù)傳送不占用CPU，這樣大大的提高的效率。Page

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逐飛科技有限公司4單片機如何控制外設舵機電機控制

電機控制是通過調節(jié)PWM占空比（高電平時間除以整個PWM周期的時間）來調節(jié)速度的。不同占空比的PWM送給電機驅動模塊，電機驅動就會輸出不同的電壓，PWM占空比為0%時輸出電壓為0V，PWM占空比為100%時輸出電壓為驅動模塊的輸入電壓。電機的控制頻率在5K-10K之間效果較佳。舵機控制也是通過調節(jié)PWM占空比來調節(jié)的，不過不是調節(jié)的速度，而是調節(jié)舵機所旋轉的位置，具體控制是輸出一個頻率為50HZ的PWM波形，高電平范圍為0.5ms-2.5ms，對應的角度為0°-180°。右圖展示了高電平與時間的對應關系。Page

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逐飛科技有限公司4單片機如何控制外設編碼器測速獲取編碼器數(shù)據(jù)前，我們需要對編碼器的信號有所了解這樣編寫程序才能得心應手，一般雙向編碼器有兩個信號第一個是步進脈沖，第二個信號是用于判斷方向的，這個信號有兩種一種是與第一個信號有相位差，第二種是直接用高低電平來代表方向，下面兩個圖就可以具體描述了信號。編碼器輸出的是脈沖，在同一時間內脈沖數(shù)越多就代表著速度越快，因此采集編碼器需要使用到單片機的PIT模塊，采集脈沖就需要FTM模塊或者LPTMR模塊。Page

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逐飛科技有限公司4單片機如何控制外設攝像頭傳感器數(shù)據(jù)采集

攝像頭數(shù)據(jù)采集，攝像頭這樣的傳感器比較復雜，我們首先來了解下，攝像頭基本的幾個信號，一般的數(shù)字攝像頭具有場信號、行信號、像素時鐘信號、數(shù)據(jù)口四個信號。當場、行、像素時鐘信號同時有效時，這個時候攝像頭輸出數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量特別大不可能使用CPU去讀取數(shù)據(jù)，因此需要使用單片機的DMA功能。Page

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逐飛科技有限公司5智能車調試手段智能車調試手段第一種上位機使用逐飛科技的上位機來調試傳感器，比如攝像頭、CCD的焦距調節(jié)，使用上位機查看圖像是否有問題。第二種使用IAR軟件的在線調試，有時候我們自己寫的程序，需要查看每一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)是否正確，可以通過IAR提供的在線調試軟件來查看數(shù)據(jù)的正確性。但是有一個缺點就是需要使用下單片機與電腦連接。第三種使用液晶顯示，很多時候我們需要在賽道上看數(shù)據(jù)，如果使用第二種方法的話，就十分的不方便需要抱著電腦到處走，因此可以使用小液晶來顯示參數(shù)，這樣值只需要推著車子在賽道上走，然后看液晶上的數(shù)據(jù)就可以了。第四種使用無線模塊，在調試小車的時候，有時候我們需要看車跑起來的數(shù)據(jù)，然而當小車跑起來的時候觀看數(shù)據(jù)十分不方便，前面所提到的方法就都不能使用了，因此我們使用無線模塊，通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，在電腦上觀察數(shù)據(jù)即可。Page

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逐飛科技有限公司5智能車調試手段問題分析在調試智能車的時候經(jīng)常會出現(xiàn)各種硬件問題、軟件問題，那么當問題出現(xiàn)的時候我們應該怎樣去解決這個問題呢，當問題出現(xiàn)之后我們不能緊張與焦慮，我們分兩步走來解決問題，第一先確定問題造成的具體地方，使用替換法來確定是硬件問題還是軟件問題，然后在確定具體是哪個地方的問題，具體問題查找可以從系統(tǒng)的輸入端然后依次往后查找每一個信號是否正確，也可以從輸出端開始往前查找每一個信號，直到查找到正確信號。第二，找到問題之后就開始分析問題，這個就需要根據(jù)具體情況來測試，比如硬件檢查電路是否正確，元器件是否還是好的，軟件就需要查看程序中所使用到的數(shù)據(jù)，然后自己計算，看看單片機計算出來的是不是與自己想的一樣，如果不一樣，仔細分析自己的代碼是否有寫錯，或者變量類型是否定義錯誤。所有的問題只要按照這兩步走就一定能解決。找問題最怕的是焦慮與緊張，因此問題出現(xiàn)一定要冷靜！Page

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逐飛科技有限公司6算法圖像處理算法單片機獲取到攝像頭與CCD的數(shù)據(jù)之后，就需要對圖像數(shù)據(jù)進行處理，從圖像數(shù)據(jù)里面獲取到賽道的邊界信息。CCD由于數(shù)據(jù)很簡單因此處理起來也很簡單，大致的搜線思路就是每次搜索邊界的時候從上次的賽道中點往兩邊搜索邊界，當搜索到兩個點的對比度大于閥值（預先設定的值）的時候就認為找到了邊界，這個時候記錄邊界信息，然后根據(jù)邊界信息計算出賽道中心，然后使用賽道中心與圖像中心求出當前車身的偏差。我們只要控制車模上傳感器的圖像中心與求出來的賽道中心重合這樣就可以控制車模沿著賽道自動巡線了。攝像頭由于數(shù)據(jù)量比較大，因此處理起來稍微困難一點，大致的搜線思路與CCD基本一致，攝像頭最近行的數(shù)據(jù)搜線就是從上一副圖像最近行的賽道中心點開始往兩邊搜索的，當搜索到兩個點的對比度大于閥值（預先設定的值）的時候就認為找到了邊界，這個時候記錄邊界信息，然后第二行從第一行的賽道中心點王兩邊搜索邊界，后面的行以此類推。完成所有行的搜線之后，把所有行的偏差求出來，然后每行的偏差乘以一個系數(shù)，系數(shù)的大小由所在行的遠近決定，如果想遠端對偏差影響小一點那么久應該遠端的系數(shù)小一點，反之則越大。然后將所有的偏差加起來求出整體偏差用于控制車模的方向。Page

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逐飛科技有限公司6算法PID算法簡介PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應速度以及減弱超調趨勢。PID（比例（proportion）、積分（integral）、導數(shù)（derivative））控制器作為最早實用化的控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。PID算法有兩種形式，第一種是位置式PID，這種是用絕對值作為系統(tǒng)輸出量。第二種是增量式PID，這種是使用增量來作為系統(tǒng)輸出量。具體公式如下圖。Page

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逐飛科技有限公司6算法PID算法在智能車上的應用在智能車上主要有兩個環(huán)節(jié)需要使用到PID算法。第一個環(huán)節(jié)就是我們的舵機控制，由于舵機是一個不帶積分的執(zhí)行機構件因此我們使用位置式PID算法，位置式PID算法輸出只與輸入有關系。將求出的偏差作為位置式PID的輸入，這樣每個偏差就有一個唯一的舵機轉角。舵機控制并不需要使用到PID里面的三個環(huán)節(jié)，只需要使用到P、D兩個環(huán)節(jié)就可以了。不使用I的原因是I是用來消除靜態(tài)誤差的，但是轉向控制并不需要控制靜態(tài)誤差。P、D兩個參數(shù)的意義，P參數(shù)越大相同的偏差下舵機轉動的角度越大，D參數(shù)越大在相同的偏差變化率下舵機轉動的角度越大，綜合調試的時候當P參數(shù)比較大的時候車模在賽道上回出現(xiàn)幅度比較大的左右震蕩的現(xiàn)象，這個時候說明D參數(shù)小了，需要加大D參數(shù)，如果D參數(shù)無論怎么加大都不行，說明P參數(shù)過大需要減小P參數(shù)，然后重新來尋找合適的D參數(shù)。如果車模出現(xiàn)小幅度且快速的左右震動，說明P參數(shù)過小了，需要加大P參數(shù)，如果P參數(shù)無論怎么加大都不行的話，則需要減小D參數(shù)，然后重新來尋找合適的P參數(shù)。多次測試就可以獲得合適的參數(shù)。Page

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逐飛科技有限公司6算法PID算法在智能車上的應用第二個環(huán)節(jié)就是我們的電機控制，由于電機是一個帶積分的執(zhí)行機構件因此我們需要使用增量式PID算法，將采集到的編碼器的值減去我們期望的速度（也就是速度差）作為增量式PID算法的輸入，然后將增量式PID算法的輸出進行積分然后輸出給電機，當速度達到了設定速度的時候速度差就為0，這樣增量式PID算法輸出就為0保持現(xiàn)在的輸出，當電機受到外力被動減速的時這個時候速度差不在是零，增量式PID算法就會增加輸出以達到設定的速度。這樣就形成了速度的閉環(huán)控制。1.

比例調節(jié)規(guī)律（KP）：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用用以減少偏差。2.

積分調節(jié)規(guī)律（KI）：實質上就是對偏差累積進行控制，直至偏差為零。使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。

3.

微分調節(jié)規(guī)律（KD）：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。

綜合調試的時候先加入I參數(shù)，選取一個合適的I參數(shù)（合適的參數(shù)就是車模很快的達