NXP智能车竞赛笔记（室外电磁组）

一、概要

比赛规则与赛道：
比赛没有赛道，只有电磁线。但赛道元素包括有直道、弯道、坡道、十字路口以及横断路障。室外电磁组原则上选择室外的马路、草坪、体育场组织比赛，场地内可能会存在高度不大于 2 厘米的硬质路坎、沙坑、深度不超过 2 厘米的水坑等。
选手制作的车模完成赛道运行一周。比赛时间从车模冲过起跑线到重新回到起跑线为止。

越野车外形

车的功能与实现：

本文脉络

二、硬件部分：

1.主控板

（1）原理图：

K60引脚分配：
引脚通过查K60引脚功能来分配，除去特殊功能引脚外，其余引脚为普通I/O口
特殊引脚：
I2C通信：SDA，SCL
FTM（PWM输出）：PWMA，DPWM
AD（模数转换）：AD1~AD6
串口通信：TX2，RX2

电源部分及笔记：（7~8v输入，5v和3.3v输出）

以下为原理笔记：

按键模块：（SW2为4并排按键，用于设置车的模式）

电机输出（为排针插座，接驱动板，DIRA为电机方向控制，PWMA为速度控制）：

舵机输出（为排针插座，5v供电电压，DPWM为脉冲输出，以控制舵机转角）：

AD输入（为排针插座，接传感器板，6路电感值输入）：

普通IO口：

串口：

蜂鸣器：

（2）PCB和3D图
PCB中，logo部分和敷铜（GND）已去除，以更清晰显示电路

2.电机驱动板：用于驱动电机

（1）原理图

H桥电机驱动：
VCC直接接电池（7~8V）

H桥原理：

12v升压（用于IR2104s驱动mos管）：

电源部分：
VCC是电机供电

12V（用于IR2104s驱动MOS）和3.3v（逻辑芯片供电）：

调速及转向：
Led显示电机方向及速度大小（速度越大越亮）：

排针插座信号输入，3.3v用于逻辑芯片供电：

逻辑非和逻辑与芯片：

原理笔记：

（2）PCB（GND敷铜已去）和3D图

3.传感器板：处理电感数据

（1）原理图

电源部分：

信号放大：（opa2350为运放，根据电阻，放大倍数最大50倍，输入输出为正弦波，共6路）

信号整流（经实验，连接AD输出和GND的电容会严重削弱信号，故去除）：

信号输入输出（为插座）：

（2）PCB（GND敷铜已去除）和3D图

4.电磁探测板：探测电磁线信号

（1）原理图

谐振部分：谐振可以很好放大信号，电感电容值根据20K频率谐振计算。

其他部分（LED和排针插座）：

（2）PCB（GND敷铜已去除）和3D图

电感与电磁线垂直时信号最强，故六路电感位置摆放：

这样放置电感，可以满足在多方位的检测需求。

三、软件部分

智能车主要用到的几样硬件需要软件驱动，包括电机，舵机，编码器，ADC采集和超声波模块；还有一些调车的辅助模块，如OLED，蓝牙，串口，这些部分都采用了相应的例程做了需要的修改。

1．电机和舵机

（1）.电机
电机部分需要主控芯片输出PWM波控制电机转速，编写了电机初始化及控制函数，包括了电机正反转的设置。

void Motor_Init()
{GPIO_Init(PORTA,7,1,1);//GPIO初始化FTM_PWM_Init(FTM0, FTM_CH2, 0,0);//PWM初始化Motor_Control(0,0);
}void Motor_Control(int16 PWM,int DIR)//PWM为速度参数，DIR为正反转
{if(DIR==0){GPIO_Ctrl(PORTA,7,0);}else{GPIO_Ctrl(PORTA,7,1);}FTM_PWM_Duty(FTM0,FTM_CH2,PWM);//PWM最大1000
}

（2）.舵机

舵机正常工作需要的50hz的PWM波来控制转角，通过控制占空比在5%到15%之间，可以实现舵机180度范围的旋转。在前期的调试过程中确定了舵机状态处于中点的占空比值，在这一值的基础上直接加减实现舵机控制左右转。
测试代码：使轮子到达两个最大转向角

     FTM_PWM_Duty(FTM2,FTM_CH0,730);time_delay_ms(2000);FTM_PWM_Duty(FTM2,FTM_CH0,835);time_delay_ms(2000);

2、传感器（电感，编码器和超声波）

越野组采用电感电容谐振来感应电磁引导线的磁场信号，信号经过谐振放大以及运放放大后通过芯片的ADC模块采集。由于采集的信号可能存在较大波动，采用了均值滤波的方式，选取四次采样平均值作为实际使用的数据。考虑到车前的三组电感相对电磁线的位置有区别，为了使收集到的数据尽量趋于线性变化，对数据做了线性化处理，根据三组电感的位置乘上了参数用作矫正。

void ADC_6()
{int i;volt[0]=ADC_Ave(ADC1,ADC1_SE14,ADC_16bit,4);//均值滤波volt[1]=ADC_Ave(ADC1,ADC1_SE15,ADC_16bit,4);volt[2]=ADC_Ave(ADC1,ADC1_SE12,ADC_16bit,4);volt[3]=ADC_Ave(ADC1,ADC1_SE13,ADC_16bit,4);volt[4]=ADC_Ave(ADC1,ADC1_SE10,ADC_16bit,4);volt[5]=ADC_Ave(ADC1,ADC1_SE11,ADC_16bit,4);sprintf(txt,"0%06d",volt[0]);LCD_P6x8Str(5,1,(uint8 *)txt); //LCD屏显示sprintf(txt,"1%06d",volt[1]);LCD_P6x8Str(5,2,(uint8 *)txt);sprintf(txt,"4%06d",volt[4]);LCD_P6x8Str(5,3,(uint8 *)txt);sprintf(txt,"5%06d",volt[5]);LCD_P6x8Str(5,4,(uint8 *)txt);sprintf(txt,"2%06d",volt[2]);LCD_P6x8Str(54,1,(uint8 *)txt);sprintf(txt,"3%06d",volt[3]);LCD_P6x8Str(54,2,(uint8 *)txt);
}

均值和终值滤波代码：

u16 ADC_Ave(ADCn_e adc_n,ADCn_Ch_e adc_ch,ADC_nbit bit,u16 N) //均值滤波
{u32 tmp = 0;u8  i;for(i = 0; i < N; i++)tmp += ADC_Mid(adc_n,adc_ch,bit); tmp = tmp / N; return (u16)tmp;
}
u16 ADC_Mid(ADCn_e adc_n,ADCn_Ch_e adc_ch,ADC_nbit bit) //中值滤波
{u16 i,j,k,tmp;//1.取3次A/D转换结果i = ADC_Once(adc_n,adc_ch,bit); j = ADC_Once(adc_n,adc_ch,bit); k = ADC_Once(adc_n,adc_ch,bit); //2.取中值if (i > j){tmp = i; i = j; j = tmp;}if (k > j) tmp = j;else if(k > i) tmp = k; else tmp = i;return tmp;
}

（2）编码器

实物图

AB相增量式编码器原理：

发光二极管发射的光通过光栅到达光敏管，引起电平变化。如果正转，A相输出超前B相90度，如果反转A相滞后B相90度。
AB相正交解码原理：

CNT寄存器：寄存器通过正解解码的得到的脉冲值，最后只要读取CNT的值就可以得到编码器转数（正值为正转，负值为反转）。
CNTIT寄存器：CNT计数的初始值。
AB相的电平和跳变沿决定了CNT的加数和减数。
CNT增计数时：
A上升沿，B逻辑低
B上升沿，A逻辑高
B下降沿，A逻辑低
A下降沿，B逻辑高
CNT减计数是：
A下降沿，B逻辑低
B下降沿，A逻辑高
B上升沿，A逻辑低
A上升沿，B逻辑高

编码器数值的读取我们使用了k60芯片的FTM模块中的正交解码功能来实现，直接调用库中的正交解码函数就可以获得脉冲数，通过比例换算可以获得当前速度。

SPEED=FTM_AB_Get(FTM1);    //读取正交解码数值

获取FTM正交解码脉冲数的函数：

int16 FTM_AB_Get(FTMn_e ftmn)
{uint32 val;val = FTM_CNT_REG(FTMN[ftmn]);// 计数器，只有低16位可用（写任何值到此寄存器，都会加载 CNTIN 的值）FTM_CNT_REG(FTMN[ftmn]) = 0;             return val;
}

（3）.超声波
超声波模块的使用主要根据模块的测距原理编写，首先使Trig口输出不少于的10us的高电平信号，随后通过k60低功耗计时器（lptmr）计算Echo端高电平持续时间，即超声波从发送到接收的时间，最后用时间计算出距离。

void US_Init()
{GPIO_Init(PORTA,27,1,0);GPIO_Init(PORTA,29,0,0);
}void Distance_Get()
{i=0;char txt[20]=' ';GPIO_Ctrl(PORTA,27,1);LPTMR_delay_us(20);GPIO_Ctrl(PORTA,27,0);while(GPIO_Get(PTA29)==0);LPTMR_time_start_us();while(GPIO_Get(PTA29)==1);i = LPTMR_time_get_us();if(i > 65535){d=10000;}else{d=(int)(i*0.2);}sprintf(txt,"dis= %06dmm",d);UART_Put_Str(UART4,txt); //串口输出LCD_P6x8Str(28,7,(uint8 *)txt); //LCD输出
}

3、控制部分：舵机和电机

（1）PID代码
智能车的控制主要采用了经典的PID控制算法，分为电机速度控制和舵机方向控制。

舵机的控制是最重要的部分，是巡线的关键。通过ADC采集的三组电感的电压值来判断当前车身的状态，将当前值与期望值比较得到误差，代入增量式PID，调节出合适的参数，从而能够输出调整量使车能够始终巡线运行。

电机控制要求精度不高，只采用了PI控制，保证车速相对稳定，不至于产生太大波动，主要为了应对粗糙路面以及上下坡的情况。通过编码器传回的速度值判断当前车速，调整至稳定值。主要应用于上坡时，通过PID增大电机电流。

PID及其参数特点：

增量式PID介绍：

实现代码：

typedef struct //把PID定义为结构体形式
{float Kp,Ki,Kd;float Feedback;float Target;float error0,error1,error2;float Output;float Range; //控制输出范围，防止输出过大
}Type_PID;void PID(Type_PID* PID)
{PID->error0 = (PID->Target) - (PID->Feedback);
PID->Output = (PID->Kp)*(PID->error0)+PID->Kd*(PID->error0-2*PID->error1+PID->error2)+PID->Ki*(PID->error0+PID->error2); //更新偏差PID->error2 = PID->error1;PID->error1 = PID->error0;//对PID死区控制，因输出电流太小不足以驱动电机if (abs(PID->Output) < 20)PID->Output = 0;PID->Output = limit(PID->Output, PID->Range, -PID->Range);//把output限制在+-range之内
}

（2）主函数中PID代码

//pid初始设置
pid=(Type_PID *)malloc(sizeof(Type_PID));memset(pid,0,sizeof(Type_PID));pid_speed=(Type_PID *)malloc(sizeof(Type_PID));memset(pid_speed,0,sizeof(Type_PID));//电机速度PIDpid_speed->Kp=1;pid_speed->Ki=4;pid_speed->Range=700;//舵机转角PIDpid->Kp=1.5;pid->Ki=0.7;pid->Kd=7.5;pid->Range=142;

4.显示部分

（1）串口与蓝牙
蓝牙模块用的是HC-05，可以与串口共用。
下面给出库中的串口发送字符串函数，不赘述。

//例子：uart_putchar (UART4, "123456789");实际发送9个字节
void UART_Put_Str (UARTn_e uratn, char *str) //参数： uratn:模块名如：UART0 ，str: 发送的地址
{while(*str){UART_Put_Char(uratn, *str++);}
}

（2）LCD屏
列出库中函数，具体实现不赘述。

LCD_P6x8Str(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *p)// 写入一组标准ASCII字符串, 显示的位置（x,y），y为页范围0～7，要显示的字符串
void LCD_P14x16Str(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char ch[])  //输出汉字字符串