2019.3一2019.7 基于MK60DN512ZVLQ10 的室外自动寻迹智能越野车（集体项目）

 2020.3一2020.7 基于NXP i.MX RT1064的电磁AI寻迹智能小车（集体项目）

软件环境：

keil5 IDE、Altium Designer 17

硬件环境：

NXP MK60DN512ZVLQ10 MCU（2019）、NXP i.MX RT1064 MCU（2020）

项目描述：

此项目为第十四届、第十五届全国大学生恩智浦杯智能汽车竞赛室外越野竞速项目，依照组委会公布的比赛规则，我们运用了上述的技术点，克服赛道中的坡道、横断路障等元素实现了小车沿赛道的自动寻迹，分别荣获西部赛区二等奖、华南赛区二等奖。

运用的技术点：

1.PID控制算法： 小车方向控制采用位置式PD控制，速度控制采用双反馈增量式PID控制。
2.滤波算法： 冒泡排序-中位均值滤波、限幅滤波。
3.MCU模块： FTM、PIT中断、I/O、外部中断、模拟SPI、UART、KBI中断、ADC。
4.路径识别模块： LC并联谐振选频放大检波电路、MCU ADC转换、HC-SR04超声波测距。
5.测速模块： 512线编码器、MCU正交解码。
6.人机交互界面： 按键中断、OLED显示屏、MCU模拟SPI驱动显示。
7.电机驱动模块： HIP4082+LR7843 4MOS管H桥电机驱动电路、MCU FTM产生PWM波。
8、AI机器学习： 方向控制采用训练好的模型进行控制（2020）

个人职责：

第十四届（2019年）担任车队硬件负责人，主要负责硬件电路设计，主要有电机H桥驱动电路，电磁信号采集电路、核心中控电路，同时负责项目MCU、传感器选型。
第十五届（2020年）担任校智能车队总负责人。与组员、其他队伍一起开发小车的软件和硬件，统筹项目进度与计划；主要负责小车软硬件的架构设计。

讲述：项目的硬件核心处理器NXP MK60DN512ZVLQ10 MCU（2019）、NXP i.MX RT1064 MCU（2020）

选这款芯片的原因是内置的UART、SPI、ADC都十分符合我们的需求。我们最重要的ADC采集部分用了10路， FTM模块用了5个（2个电机、2个编码器、1个舵机）、OLED使用SPI，硬件部分：电机H桥驱动电路，电磁信号采集电路、核心中控电路。

功能：
克服赛道中的坡道、环岛、横断路障、十字路口等元素实现了小车沿赛道的自动寻迹，各个学校相同赛道完成，比速度（2.1米/秒，16/50，2.7米/秒、17/50）

技术点说明：
软件部分：
1.PID控制算法：
P比例环节:及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

I积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。

D微分环节:能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在该偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

在计算机控制系统中，数字 PID 控制算法通常又分为位置式 PID 和增量式 PID。
小车方向控制采用位置式PD控制，速度控制采用双反馈增量式PID控制。
输出量 =P误差+I误差的积分+D*误差的变化

4.3.1位置式PID
位置式PID中，由于计算机输出的u(k)直接去控制执行机构(如阀门)，
位置式PID控制算法的缺点是:由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对过去e(k)进行累加，计算机工作量大;

PID控制：DUTY+Kperror+Ki error_integral+Kd*(current_error-last_error)
PD控制：DUTY+Kperror+Kd(current_error-last_error)

PD控制
1） 若偏差正在减小的过程， PD控制的量要比纯比例
控制量小一些，这样能够避免过度控制
2） 若偏差在逐渐增加的过程， PD所要施加的量比纯
比例要多一些，目的是为了抑制误差增大的趋势。
所以 D 这一项有一些预测控制的味道 ，相比 P 而言要更智能一些

4.3.2增量式PID
当执行机构需要的是控制量的增量(例如:驱动步进电机)时，增量的PID控制算式：

最后选用的采样周期为 20ms，即每 20ms 对电机
进行一次 PID 调节。

增量型算法与位置型算法相比，具有以下优点：增量型算法不需要做累加，增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算精度对控制量的计算影响较小，而位置型算法要用到过去偏差的累加值，容易产生大的累加误差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大；采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换

2.滤波算法： 冒泡排序-中位均值滤波、限幅滤波。
单片机会连续对每个电感采集5次，使用冒泡法将数据从小到大排序后，去掉最大值和最小值，取平均值作为该次采集的数值。经测试，该滤波效果较好，可以滤掉部分高频噪声，获得的电感值稳定。获得电感值后，对当前采集到的值进行归一化处理。归一化的基本思想是：取得当前采集值（ADget）相对于当前赛道的最大值（ADMAX）、最小值（ADMIN）的相对大小，具体公式为:

归一化之后，通过对多个方向的电感值融合，获得作为PID输入的偏差。

3.MCU模块： FTM、PIT中断、I/O、外部中断、模拟SPI、UART、ADC。
FTM全称FlexTimer Module (柔性定时器模块)
FTM模块的核心是一个16位计数器，该计数器的时钟来源可设置（系统时钟（一般选择）、外部时钟）
作为一个高级单片机里的定时器模块，FTM模块具有多种功能供用户使用，例如输入捕获，输出比较，PWM比较，PWM输出，AB相正交解码等等
通过配置寄存器，单个FTM模块的不同通道可以工作在不同模式下。
单个模块下各个通道间PWM频率必须相同，可以有不同的占空比。（原因是配置频率的寄存器每个模块只有一个，配置占空比的寄存处每个通道就有一个）（智能车比赛中舵机一般均为50Hz，电机一般5~20 KHz不等）

4.路径识别模块： LC并联谐振选频放大检波电路、MCU ADC转换、HC-SR04超声波测距。

5.测速模块： 512线编码器、MCU正交解码。
采用增量式512线光电编码器，其供电电压为3.3V或5V，输出为小幅值的正弦信号。为了将此信号放大整形，设计了信号调理电路，其基本原理是使用一个运放做成比较器电路，调节参考电压，使输出变为0V-3.3V的方波信号，送入单片机进行运算。
两相输出的增量型旋转编码器。这种编码器输出A、B两相脉冲，这两组脉冲不仅能够表示转速，还能表示方向，如图所示，A相和B相脉冲数均表示转数，但当A相信号相位超前时，表示正转；B相信号相位超前时，表示反转：

编码器输出的两相脉冲需要靠单片机进行解码才能读取转速信息，FTM模块就提供了正交解码这种工作模式。通过这种模式，它可以将输入的A、B两相脉冲解码后得到计数值，进而我们就可以获得转速信息进行闭环控制。

正交解码模式下可以通过 寄存器进行相关功能的配置。在该模式下有计数/方向编码模式和 AB相编码模式。
计数/方向编码模式：B相输入值用于指示计数方向，A相输入用于计数，FTM计数器在A相输入的每个上升沿进行计数，累加或递减由B相电平决定。
AB相编码模式：计数方向由AB相之间的关系决定，计数频率由A相B相输入信号决定。当A相或B相的信号出现跳变，即可触发FTM计数器改变。
6.人机交互界面： 按键中断、OLED显示屏、MCU模拟SPI驱动显示。

7.电机驱动模块： HIP4082+LR7843 4MOS管H桥电机驱动电路、MCU FTM产生PWM波。

8、AI机器学习： 方向控制采用训练好的模型进行控制（2020）
硬件部分：
伺服电机为S3010舵机，6V电压时扭力可达6.5kg·cm，动作速度快

电源部分：
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
为满足需要，本车模上存在4种供电电压：
(1) 智能车使用锂电池供电，选择带均衡功能的保护板可以同时给两节电池充电，正常使用时电压在7.4～8.4V。可直接用于电机供电。
(2) 使用稳压芯片tps76850 输出电压5V，用于rt1064、隔离芯片、运放、霍尔元件、编码器等供电。
(3) 使用稳压芯片tps76833 输出电压3.3V，用于OLED、蜂鸣器、按键、等供电。
(4) 使用升压芯片bo512输出电压12V，用于全桥驱动器HIP4082的供电。
(5) 使用开关稳压芯片AS1015输出5.95V电压给舵机供电，用电池直接供电容易烧毁舵机，AS1015具有防止电流反灌功能有效提高舵机使用寿命。

电机驱动电路：
ir7843光耦隔离、数字芯片隔离

我主要负责的工作是数据的采集，采集数据分为三个，第一：跑的稳定的最快速度
比赛规模：
全国大学生A类竞赛，举办了15年，每年大约1万人参赛，2000多个队伍

电磁运放电路：
采用简单的同向比例放大电路，电位器可用来调节放大倍数，通过对电磁信号进行放大和检波处理和可以直接供单片机的AD口读取。运放芯片使用性价比较高的OPA4377来以满足20kHz的电感采集需求。

调试能力的说明：
项目在调试的过程，用的是串口调试助手，keil自带的调试、蓝牙、OLED屏等等，通过设置标志位、单片机发送出来的数据来进行项目调试。硬件部分则是通过仿真、示波器、万用表来进行调试。
调试通常是分模块来进行，同时使用一些变量模拟，当功能都调通以后，再接入模块来做硬件相关的效果测试。
在调试PID参数时，通常使用虚拟示波器，将电机的输出参数打印到电脑。
项目初期，代码写的比较乱，因为模块比较多，控制的硬件也多，导致项目的代码结构很差，容易出问题，后来对项目进行模块化的封装。

结尾
通过这个项目，我的收获是软件代码如何对硬件完成控制，几个电路的设计，对单片机的IO口，串口，定时器等基本开发很熟悉了，同时对项目的代码调试能力得到强化，整个代码量达到1000多行，代码结构很清晰，C语言编程能力得到很大的提升。