智能车浅谈—手把手让车跑起来（电磁篇）

 

 

之前智能车系列已经做了一个比较详细的解析，但是美中不足是知识点被拆的太零散，可能对于新手来说不太友好，所以借着有空就再写一点能让车跑起来的方案。

 

当然，也就仅仅限于可以跑起来，元素以及高级算法就需要车友们自己去整了，主要还是方便新手上道，当然也欢迎大佬们提出建议。本文以电磁四轮为例进行讲解。

 

 

 

材料准备

 

 

作为刚接触电磁车的同学，咱们要想跑起来需要四大件，车模、电磁及运放模块、主控及母板、电机驱动；

 

这里笔者打算分成两种组别来推荐方案，一类是手头没有现成车模而且不是今年参赛的练习组，另外一类是今年的参赛组。

 

备赛组

 

1.车模

 

这里以基础电磁四轮组为例，建议使用C车模，B车的傻蛋5舵机以及机械差速还是有些许的头秃，当然官方今年好像已经宣布了换掉SD5舵机，由于C车是双电机可以使用主动差速，所以建议大家上手选择C车。

 

车模的机械结构搭建可以去参考往届优秀队伍的技术报告，至于怎么找到技术报告，比赛官网有，卓大博客也有—第十六届全国大学智能车竞赛技术报告与总决赛视频下载。借用逐飞科技的示例车来展示一下：

 

 

 

2.硬件

 

主控：电磁车今年参赛要求是使用STC的单片机来参赛，所以就可以选购龙邱或者逐飞STC母板来作为主控；

 

电机驱动：目前比赛常用的有HIP4082、DRV8701、BTN7971或者IR系列加MOS全桥等；

 

电磁组所需的电感和运放模块：目前较多的是OP2350、LM358、OPA4377等；

 

电源模块：整个小车系统所需的电源种类一般是5V、3.3V、12V，需要有一个系统的电源管理方案，这个需要积累，BUCK、BOOST的电路，网上方案也很多，笔者之前使用的是德州仪器的TPS系列。

 

硬件设计的注意事项可以参考笔者抗干扰技术的那篇博客。

 

练习组

 

1.车模

 

对于不是急于参赛而是平时训练的练习组，手头如果没有现成的车模和往届的方案的，建议去淘宝找平价车模代替，因为自己一套买下来得个大几千块，都是学生党，这也不是个小数目。

 

可以参考下图这种使用舵机转向而且后轮电机带编码器的车模，加上锂电池这些一套下来300左右。（图片来源于某宝，VANBOT教育机器人自营店）

 

 

 

由于原理都差不多一样的，练习使用这种车模性价比极高，而且还可以留下来参加其他的比赛。

 

2.硬件方案

 

电机驱动：购买了这种车模的同学也可以直接用配套的电机驱动，或者使用L298N、TB6612这些电驱都可以。

 

主控：建议使用带片内ADC的主控，STM32，STC32、STC16、MSP430都可以反正选一个自己熟悉的就行了。

 

电磁传感器：可以购龙邱、或者轮趣科技的。

 

电源：选用两节18650加一个LM2596的降压模块即可。

 

如果觉得麻烦，可以直接选购轮趣科技的学习版小车，如下图：

 

 

当然，手头有往届的芯片和方案更好，这样可以无缝衔接到比赛，比如K66、K60这些方案只是现在不用了，但是网上资料多啊，而且这些处理器性能拿来练手绰绰有余。

 

 

 

整车原理

 

 

在准备好上面的硬件后，再来捋一下整个小车的运行原理。

 

小车要正常行驶在赛道上，必定是需要实时根据赛道的状态来调整车身姿态的，那么，电磁车是怎么样获取到赛道信息，又是怎样实现转向的呢。

 

赛道信息获取及转向原理

 

1.工字电感

 

电磁车是通过获取赛道信号发生器产生的信号来来获取赛道信息的，在赛道正中间会有一条磁感线，用来产生交变电磁信号。

 

小车通过前瞻上的电感即可获得到赛道信息，为啥可以电感可以获取赛道信息呢，其实很好理解，电磁感应都映像吧，导体切割磁感线会产生感应电动势，工字电感内部的导线切割信号线产生的磁场，在电感引脚就会有感应电动势。

 

电感距离磁场越近，产生的感应电动势越大，距离越远，产生的感应电动势越小。

 

 

 

 

（有关电感配频以及信号在各个节点的状态可以去笔者的硬件篇查看）。

 

2.运放模块

 

经过工字电感产生的感应电动势是交流小信号，单片机是无法采集和处理这种小电压的交变信号

 

所以需要在后面增加一个峰值检测以及放大的运放电路，将交变信号进行选频、检波然后放到适当倍数，输出单片机ADC可以采集的直流信号，将感应电动的大小转换成为单片机ADC采集的数字作为输入量。

 

3.转向原理

 

了解了单个电感获取赛道信息的原理后，为了让小车能够在赛道上行驶，至少会使用左、右两个电感，通过ADC采集经过运放处理的感应电动势值来计算偏差。

 

方法是直接左右电感采集值之差（或者差比和计算）来判断赛道信息，将差比和计算出来的偏差以一定的比例关联到舵机的pwm占空比来控制舵机打角，进而控制小车进行转向。参考下表

 

其中系列1是左右电感直接作差的波形，系列2是经过差比和计算出来的波形，可见系列2的波形比系列1更加平滑，这有利于控制系统的跟随。

 

 

 

 

具体原理：

 

如下图，小车位于2号位置时，左右两个电感距离信号的距离一样，周围磁场强度也基本一致，产生的感应电动势也是大差不差，左右电感值差比和计算出来的偏差也是0，舵机位于正中间，保持小车直行。

 

小车位于3号位置时，由于弯道，左边电感距离信号线近，磁场更强，产生的感应电动势要大于右电感的感应电动势，左右电感差比和计算偏差就很大了，将这个偏差输出到舵机，让小车左转来消除这个偏差。

 

当小车遇见右转赛道时，两个电感的状态刚好相反，此时需要右转来抵消二者偏差。

 

详细描述参考此文：

https://blog.csdn.net/weixin_43788952/article/details/105151921?utm_source=app&app_version=5.2.1&code=app_1562916241&uLinkId=usr1mkqgl919blen

 

 

 

 

4.元素判断

 

从此图可以看出理论上小车在经过三叉、环岛和十字时，左右两个电感的电感值都会接近磁感线，检测这个特征就可以识别到了，为了防止误判还可以增加一个中间电感或者斜放置电感来辅助判断。

 

电感只有线圈切割磁场时才能产生感应电动势，线圈和磁场平行时是没有感应电动势的，但是在这些特殊元素是，原本没有切割磁场的电感可能突然就切割了磁感线，这里留给大家自己去发挥。

 

此处提供一个思路，直接看图：

 

 

 

 

电机及舵机控制原理

 

舵机和电机都是通过PWM来控制的，只不过舵机控制的PWM的频率是固定的（50-60HZ），通过改变占空比来实现打角角度。

 

 

 

 

而电机的频率没有指定范围，但速度也是通过调节占空比来控制的，通过调节电机pwm输出占空比完成对电机速度的调整，电磁组需注意电机对电磁信号会有干扰。

 

建议电机控制的pwm频率设置为13-19khz，以尽可能的消除干扰。

 

具体的PWM控制原理以及H桥的讲解之前已经写过了，需要的同学去前面方向篇和电机控制篇查看。

 

 

 

代码实现

 

 

在了解了上述原理后，我们就可以开始写程序控制我们的小车，实现一个可以跑的状态了。

 

首先，综合上面的原理，需要初始化PWM来控制舵机和电机，其中舵机的PWM使用的是50-60hz的pwm进行控制（笔者用的50HZ进行控制），而电机的频率是13-19Khz。

 

然后是获取赛道信息的ADC，需要至少开启两路来实现信息采集。

 

还有为了保证系统的计算和输出周期固定，需要开启一个定时器中断来保证输出的周期稳定。

 

其他：根据自己的需求初始化IO控制屏幕，按键，蜂鸣器LED灯。

 

有了这个思路，任何一款处理器都可以实现功能了。笔者这里以STC为例。

 

框架：

 

以下代码仅供参考， 仅仅是代码框架 不能直接复制编译！！！

 

void main()
{
//按照对应芯片进行上述内容的初始
  DisableGlobalIRQ();  //关闭总中断
  board_init();  
//  lcd_init();      //1.8寸TFT初始化  
  /****电机初始化***/
  pwm_init(PWMA_CH1P_P60, 10000, 0);     //初始化PWM5  使用引脚P2.5  输出PWM频率10000HZ   占空比为百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
  pwm_init(PWMA_CH2P_P62, 10000, 0);     //初始化PWM5  使用引脚P2.5  输出PWM频率10000HZ   占空比为百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
  pwm_init(PWMA_CH3P_P64, 10000, 0);     //初始化PWM5  使用引脚P2.5  输出PWM频率10000HZ   占空比为百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
  pwm_init(PWMA_CH4P_P66, 10000, 0);     //初始化PWM5  使用引脚P2.5  输出PWM频率10000HZ   占空比为百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
  /***电磁初始化***/
  adc_init(ADC_P00, ADC_SYSclk_DIV_2);  //初始化ADC,P1.0通道 ，ADC时钟频率：SYSclk/2
  adc_init(ADC_P01, ADC_SYSclk_DIV_2);  //初始化ADC,P1.1通道 ，ADC时钟频率：SYSclk/2
  adc_init(ADC_P05, ADC_SYSclk_DIV_2);  //初始化ADC,P1.2通道 ，ADC时钟频率：SYSclk/2
    adc_init(ADC_P06, ADC_SYSclk_DIV_2);  //初始化ADC,P1.2通道 ，ADC时钟频率：SYSclk/2
  
  //****舵机初始化*****21.12.19/
  Steering_Init(50,Steering_Duty);    //舵机初始化，PWM频率为50HZ
  /*****编码器出初始化***/
    ctimer_count_init(CTIM0_P34);  //初始化2个编码器
  ctimer_count_init(CTIM3_P04);  //初始化2个编码器
  
  gpio_pull_set(P7_7,PULLUP);
  BeeOff;
    pit_timer_ms(TIM_4, 5);        //使用TIMER作为周期中断，时间5ms一次
  EnableGlobalIRQ();  //开启总中断
  
  while(1)  //电机1
  {
  //可以放显示、按键操作这一类没有严格时序要求的。
    //pwm_init(PWMB_CH1_P74,freq,1350);  //PWMA初始化
   //屏幕显示：
//     lcd_showstr(0,0,"L:");  
//    lcd_showuint16(5*8,0,L);
//    lcd_showstr(0,1,"M:");  
//    lcd_showuint16(5*8,1,M);
//    lcd_showstr(0,2,"R:");  
//    lcd_showuint16(5*8,2,R);
//    lcd_showstr(0,3,"dutyL:");  
//    lcd_showuint16(5*8,3,dutyL);
//    lcd_showstr(0,4,"dutyR:");  
//    lcd_showuint16(5*8,4,dutyR);
//    lcd_showstr(0,5,"error:");  
//    lcd_showuint16(5*8,5,error);
    
//    
//    delay_ms(10);
 }
}
//定时器中断
void TM4_Isr() interrupt 20
{
  TIM4_CLEAR_FLAG; //清除中断标志
  //电感采集获取赛道信息,三电感     \ 000      000     000    //
    L=adc_once(ADC_P00, ADC_10BIT);
    M=adc_once(ADC_P01, ADC_10BIT);
    R=adc_once(ADC_P05, ADC_10BIT);
    My_Direction.NowError=50*(R-L)/(L+M+R);//差比和计算偏差
    //方向环
    Direction_Out();
      //***电机控制***//
    if(DIR1 == 1)//读取编码器方向
    {
      speed1 = 2*ctimer_count_read(CTIM0_P34);//
    }
    else
    {
      speed1 = 2*ctimer_count_read(CTIM0_P34) * -1;
    }
    ctimer_count_clean(CTIM0_P34);
    if(DIR2 == 1)  //输出高电平，正转
    {
      speed2 = 2*ctimer_count_read(CTIM3_P04)* -1;
    }
    else        //输出低电平，反转
    {
      speed2 = 2*ctimer_count_read(CTIM3_P04) ;
    }
   ctimer_count_clean(CTIM3_P04);//清除积累
   Current_speed=(speed1+speed2)/2;
   Current_speed=Current_speed*20.4/(2355.2*0.02);//速度=脉冲数*周长/2368*周期;
  //电机PI控制
   error=(int)(speed-Current_speed);
   duty=duty+(error-error_pre)*Motor_P+error*Motor_I;
   error_pre=error;
   if(duty>=100) duty=100;
   else if(duty<=-100) duty=-100;
  
  //电机动作 单极控制
  pwm_duty(PWMA_CH2P_P62, 0);
  pwm_duty(PWMA_CH1P_P60, dutyL*12);
  pwm_duty(PWMA_CH4P_P66, 0);
  pwm_duty(PWMA_CH3P_P64, dutyR*12);


}

 

需要完整代码的同学去笔者的资源自行下载，也可以去文末链接找完赛代码。

 

 

 

效果欣赏

 

 

 

 

 

 

 

总结

 

 

有关电磁车的介绍就到此为止，这篇主要是串了一下整个车的思路，细节还需要去看笔者之前的介绍。

 

文章如有不足欢迎指出，祝大家的小车可以拿到满意的成绩，笔者在评论区等待你们赛后的分享。

 

审核编辑 ：李倩