全國大學(xué)生智能汽車競賽是篇技一項(xiàng)以“立足培養(yǎng)、重在參與、術(shù)報(bào)鼓勵(lì)探索、要節(jié)能追求卓越”為指導(dǎo)思想，篇技面向全國大學(xué)生開展的術(shù)報(bào)具有探索性的工程實(shí)踐活動。它以設(shè)計(jì)制作在特定賽道上能自主行駛且具有優(yōu)越性能的要節(jié)能智能模型汽車這類復(fù)雜工程問題為任務(wù)，鼓勵(lì)大學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，篇技綜合運(yùn)用多學(xué)科知識，術(shù)報(bào)提出、要節(jié)能分析、篇技設(shè)計(jì)、術(shù)報(bào)開發(fā)并研究智能汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子線路、運(yùn)動控制和開發(fā)與調(diào)試工具等問題， 激發(fā)大學(xué)生從事工程技術(shù)開發(fā)和科學(xué)研究探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神。
作為一名智能車?yán)线x手，今年的智能車競賽是非常艱難的一屆，在疫情的影響下還能正常舉辦實(shí)屬不易，所以我也非常珍惜此次的比賽機(jī)會。在疫情期間就逐步開始了相關(guān)工作，由于疫情期間不在學(xué)校，沒有相應(yīng)的設(shè)備，主要做的是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和電路等工作。9 月份開學(xué)后便將這些想法逐步實(shí)現(xiàn)，最終完成車模的設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試。
本次我參加的組別是直立節(jié)能組，該組別是以直立運(yùn)行為前提，和追求節(jié)能和速度為目標(biāo)，完成特定賽道內(nèi)各種元素的識別處理。首先機(jī)械結(jié)構(gòu)方面我采用自制車模，在實(shí)際制作車模的過程中我們并非一味的追求輕量化，而是以提高效率為主要目標(biāo)，減重為次要目標(biāo)，因?yàn)槲艺J(rèn)為提高效率才是真正貼合“節(jié)能”這一主題，機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化調(diào)試，最終可以很好的滿足本次智能車比賽的需求。硬件方面使用STC8H 的單片機(jī)作為主控芯片控制車模運(yùn)行，通過無線充電的方式獲取車模運(yùn)行過程中所需的電能，通過DC-DC 轉(zhuǎn)換電路來提供車模運(yùn)行所需的電壓。車模的控制部分主要由直立環(huán)、速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)組成，三個(gè)環(huán)協(xié)同完成車模的直立運(yùn)行。
在正式制作車模之前，我通常會對車模的基本性能指標(biāo)做一個(gè)大概的預(yù)期，今年的主要預(yù)期目標(biāo)有兩個(gè)：
- 實(shí)現(xiàn)2.2m/s 的最高速度；
- 能耗達(dá)到平均1.6J/m。
最終的整車效果在速度方面并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，因?yàn)橐紤]到能耗、輪徑等限制，最終只達(dá)到2m/s 的速度，但是在能耗方面達(dá)到了1.2j/m，實(shí)際上充入的電量越多車模的平均能耗會更低。
本文將會對參賽車模的設(shè)計(jì)思路、制作過程進(jìn)行一個(gè)細(xì)致的說明，將會圍繞機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和控制算法三個(gè)大方面來進(jìn)行講解。
機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是節(jié)能車中比較基礎(chǔ)的一個(gè)環(huán)節(jié)，但也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。我們該如何去設(shè)計(jì)車模的機(jī)械機(jī)構(gòu)呢？本章將會對機(jī)械結(jié)構(gòu)做一個(gè)具體的講解。
2.1 車模整體結(jié)構(gòu)
由于是節(jié)能組，減重是降低能耗的一個(gè)重要方法。所以我的思路是在保持整體強(qiáng)度的情況下盡量減輕車模的重量。除了減重之外，風(fēng)阻也是我們需要考慮的一個(gè)細(xì)節(jié)，雖然影響不那么明顯，但這也是真實(shí)存在的一個(gè)因素，所以減小迎風(fēng)面積也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意的一個(gè)方面。其次我們的車模需要直立運(yùn)行，對此我也參考了之前很多直立組的機(jī)械結(jié)構(gòu)，總結(jié)一下就是重量集中，重心適中，太高或太低的重心都不利于我們后期的控制。整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖所示。
▲ 圖2.1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)（主視圖） ▲ 圖2.2 車模整體結(jié)構(gòu)（側(cè)視圖）
2.2 傳感器安裝
車模上的傳感器主要由姿態(tài)傳感器電磁傳感器和光電傳感器組成，傳感器的安裝對于后期車模的穩(wěn)定性和速度上限也存在很大的影響。
2.2.1 姿態(tài)傳感器的安裝
姿態(tài)傳感器采用直接焊接在主板背面的安裝方式，省去了連接線，這樣也降低了故障率，主板預(yù)留安裝位置可以兼容MPU6050 和ICM-20602 兩款傳感器。安裝位置在下圖用紅框標(biāo)出。
▲ 圖2.3 姿態(tài)傳感器安裝
2.2.2 電磁傳感器的安裝
電磁傳感器相對于光電類傳感器有著更強(qiáng)的抗干擾性能，所以我選擇使用電磁傳感器來進(jìn)行循跡。電磁傳感器部分采用了一塊PCB 板作為載體，五顆電感依次排布，使用3D 打印件和碳素桿和車體進(jìn)行固定，再通過FPC 軟排線和主板進(jìn)行連接。
電磁傳感器的高度和前瞻首先要能夠滿足正常循跡的需要，即前瞻長短合適，離地高度適中。在適應(yīng)正常循跡的基礎(chǔ)之上還要能夠滿足對特殊元素的處理，比如坡道和圓環(huán)，電感高度太低可能會導(dǎo)致坡道無法正常通過等情況發(fā)生。
▲ 圖2.4 電感安裝圖
2.2.3 線性CCD 的安裝
線性CCD 在車模上的唯一作用是用來識別斑馬線入庫，它的安裝可能是整個(gè)車上最不協(xié)調(diào)的一個(gè)地方。具體原因是因?yàn)樽钤缭O(shè)計(jì)車模的時(shí)候設(shè)想使用電感板上的紅外對管作為斑馬線的識別，CCD 僅僅作為備選方案，但是由于紅外對管實(shí)際測試效果并不是十分理想，后期才將斑馬線檢測換為線性CCD。所以CCD 傳感器中間部分被排線遮擋，好在通過算法處理，并不會對最終的斑馬線識別造成影響。整個(gè)CCD 的安裝都是通過3D 打印件與車身進(jìn)行連接，并且可以靈活調(diào)節(jié)角度，以此達(dá)到更好的適應(yīng)性。
▲ 圖2.5 CCD 的安裝
2.3 電路板的安裝
對于該車模，與其說是電路板安裝到車模上，倒不如說是電路板構(gòu)成了車模，我們的車身最主要的承重、連接的結(jié)構(gòu)，就是兩塊電路板構(gòu)成，上層的主控板和下層的恒功率充電板，兩塊電路板并沒有任何導(dǎo)線相連接，而是通過固定銅柱進(jìn)行電能的傳輸。
2.3.1 主控板的安裝
主控板是整個(gè)車身最重要的一塊電路板，也是在調(diào)車過程中最常接觸的電路板，集成了開關(guān)、OLED、下載接口、撥碼開關(guān)、指示燈等等功能，所以將此電路板放置于最上層無疑是最好的選擇，也會更方便后期的調(diào)試、下載。
▲ 圖2.6 主控板的安裝
2.3.2 恒功率板的安裝
該電路板除了恒功率的相關(guān)電路之外還是整個(gè)車模結(jié)構(gòu)的基石，除此之外還肩負(fù)了放置儲能元件的重任，由于超級電容這種儲能元件一般禁不起碰撞，所以將其放置于恒功率板的上方，主控板的下方，不僅會得到更好的保護(hù)，還會使車模空間的利用更加合理化。
▲ 圖2.7 恒功率板的安裝
2.3.3 整流小板的安裝
由于設(shè)計(jì)充電板時(shí)并沒有最終確定整流方式，并且本著后期升級方便的想法，就將整流板與恒功率充電板分為兩塊電路板，整流小板也理所當(dāng)然的就近放置，安裝在充電線圈與恒功率板之間。
▲ 圖2.8 整流小板的安裝
2.4 電機(jī)的選擇與安裝
對于節(jié)能電機(jī)的選擇，通常最常用的方案有直流有刷電機(jī)、普通無刷電機(jī)和空心杯電機(jī)。
有刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低和便于控制的優(yōu)勢，但是相對來說工作效率并不是很高，如果選擇不合理，通常并不能在節(jié)能組的比賽中取得優(yōu)異的成績。
普通無刷電機(jī)并沒有有刷電機(jī)的換向器，無刷直流電動機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，而且無刷電機(jī)的效率相對于普通有刷直流電機(jī)要高上不少。但是控制更加復(fù)雜，需要對應(yīng)的電子調(diào)速器，其制作的工作量與難度均大于目前的智能車直流電機(jī)驅(qū)動。更何況今年需要車模直立，由于水平有限，因此選擇放棄此方案。
相比之下空心杯電機(jī)似乎更加適合今年的節(jié)能，空心杯電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。這種新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時(shí)其重量和轉(zhuǎn)動慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了極大改善，不但具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，更為重要的是具備了鐵芯電動機(jī)所無法達(dá)到的控制和拖動特性。但是最常見的航模空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)速太高，并不是非常適合用于車上。對比之下比較合適的電機(jī)可能就是德國Faulhaber 和瑞士MAXON 的產(chǎn)品了，但是全新原廠產(chǎn)品價(jià)格相對較高，權(quán)衡之下選擇了二手Faulhaber 電機(jī)，雖然有著重量過大（雙電機(jī)加車輪已經(jīng)占到車重的一半）、減速比不夠完美等缺點(diǎn)，但也基本可以滿足使用要求。電機(jī)與車身使用3D 打印件進(jìn)行連接。
▲ 圖2.9 電機(jī)的安裝
2.5 車輪的設(shè)計(jì)與安裝
今年節(jié)能組的規(guī)則限制自制車輪的直徑小于5cm，我選擇使用3D 打印來制作車輪，再通過聯(lián)軸器與車軸進(jìn)行連接。
▲ 圖2.10 3D 建模的車輪
2.6 無線充電線圈的安裝
無線充電線圈選擇置后放置，一方面可以平衡車身重量，另一方面可以減少充電線圈對于車模啟動時(shí)的干擾。
▲ 圖2.11 充電線圈的安裝
節(jié)能車硬件的設(shè)計(jì)最重要的一個(gè)原則就是穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，其次才是高效。所以我隊(duì)的小車自搭建完成之后，就沒有出現(xiàn)過燒毀電源、電機(jī)驅(qū)動等故障，即使堵轉(zhuǎn)，也不會燒毀硬件，排除了這些后顧之憂，才能讓后續(xù)的車模調(diào)試更加順利。
3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
十五屆全國大學(xué)生智能汽車競賽首次可以使用STC 系列的單片機(jī)作為主控芯片， 并且節(jié)能組只能使用：STC8G2K64S4-36I-LQFP48 、STC8H8K64S4U-48I-LQFP48 和STC8A8K64S4-28I-LQFP64/48/44。通過芯片手冊對比和實(shí)際測試，最終選定STC8H8K64S4U-48I-LQFP4 作為參賽車模的主控芯片。
STC8H 系列單片機(jī)是不需要外部晶振和外部復(fù)位的單片機(jī)，是以超強(qiáng)抗干擾/超低價(jià)/高速/低功耗為目標(biāo)的8051 單片機(jī)，在相同的工作頻率下，STC8H系列單片機(jī)比傳統(tǒng)的8051 約快12 倍（速度快11.2~13.2 倍），依次按順序執(zhí)行完全部的111 條指令，STC8H 系列單片機(jī)僅需147 個(gè)時(shí)鐘，而傳統(tǒng)8051則需要1944 個(gè)時(shí)鐘。STC8H 系列單片機(jī)是STC 生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是寬電壓/高速/ 高可靠/低功耗/強(qiáng)抗靜電/較強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，超級加密。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。
▲ 圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
下圖為車模使用的單片機(jī)最小系統(tǒng)，由復(fù)位電路和濾波電容組成，晶振使用單片機(jī)內(nèi)部晶振。
3.2 單片機(jī)下載電路設(shè)計(jì)
STC 系列單片機(jī)支持串口下載，所以我采用串口對單片機(jī)進(jìn)行下載調(diào)試，CH340 作為電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)USB 電平和TTL 電平的轉(zhuǎn)換，使用type-c 接口與電腦連接，只需要一根type-c 數(shù)據(jù)線即可完成下載調(diào)試的功能。
▲ 圖3.2 下載電路
3.3 電源管理模塊
超級電容作為車模的供能元件，由于其自身特性，所儲存的能量和電壓有以下關(guān)系，J=1/2CU*U，所以其電壓是不穩(wěn)定的，而且放電是非線性。因此我們需要DC-DC 模塊來得到我們想要的電壓。
3.3.1 主控及各種傳感器的供電
節(jié)能組已經(jīng)出現(xiàn)好幾年了，出現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)優(yōu)秀的方案，但是有一款芯片始終備受各參賽隊(duì)伍的青睞，那就是德州儀器的TPS63070。TPS6307x 是一款具有低靜態(tài)電流的高效降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，適用于那些輸入電壓可能高于或低于輸出電壓的應(yīng)用。在升壓或降壓模式下,輸出電流可高達(dá)2A。此降壓-升壓轉(zhuǎn)換器基于一個(gè)固定頻率、脈寬調(diào)制(PWM)控制器，此控制器通過使用同步整流來獲得最高效率。在低負(fù)載電流情況下，此轉(zhuǎn)換器進(jìn)入省電模式以在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)保持高效率。轉(zhuǎn)換器可被禁用以大大減少電池消耗。在關(guān)斷期間，負(fù)載從電池上斷開。此器件采用2.5mm x 3mm QFN 封裝。
▲ 圖3.3 主控供電電路
3.3.2 電機(jī)驅(qū)動的供電
電機(jī)驅(qū)動的供電電壓通常是由選用的電機(jī)決定的，最后我們選擇使用12V作為電機(jī)驅(qū)動的供電電壓，選用的芯片依舊是德州儀器的，此款芯片早年在充電寶上工作過，也算是經(jīng)受過實(shí)戰(zhàn)的考驗(yàn)。TPS61088 采用自適應(yīng)恒定關(guān)斷時(shí)間峰值電流控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)輸出電壓。在中等到重負(fù)載條件下，TPS61088 工作在PWM 模式。在輕負(fù)載條件下，該器件可通過MODE 引腳選擇下列兩種工作模式一種是可提高效率的PFM 模式；另一種是可避免因開關(guān)頻率較低而引發(fā)應(yīng)用問題的強(qiáng)制PWM 模式。可通過外部電阻在200kHz 至2.2MHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)PWM 模式下的開關(guān)頻率。TPS61088 還實(shí)現(xiàn)了可(VQFN) 封裝編程的軟啟動功能和可調(diào)節(jié)的開關(guān)峰值電流限制功能。此外，該器件還提供有13.2V 輸出過壓保護(hù)、逐周期2 應(yīng)用過流保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)。TPS61088 采用20 引 腳4.50mm × 3.50mm VQFN。
▲ 圖3.4 電機(jī)驅(qū)動供電電路
3.4 運(yùn)放模塊
根據(jù)大賽規(guī)則，賽道鋪設(shè)有中心電磁引導(dǎo)線。引導(dǎo)線為一條鋪設(shè)在賽道中心線上， 直徑為0.1~1.0mm 的漆包線，其中通有20kHz、100mA 的交變電流。頻率范圍20k±1kHz，電流范圍100±20mA。
所以我們選擇10mH 電感配合6.8nf 電容對電磁線進(jìn)行檢測，但是檢測出的信號并不能直接給到單片機(jī)ADC 口檢測，因?yàn)槭紫雀袘?yīng)出的電壓太小，其次是交變電流。所以我們選用運(yùn)放芯片LMV358 將信號進(jìn)行放大，再通過二極管倍壓檢波得到與磁場強(qiáng)度相對應(yīng)的直流電壓給到單片機(jī)ADC 口，實(shí)現(xiàn)對賽道的檢測。該方案借鑒了競賽秘書處于2010-1 發(fā)布的電磁組競賽車模路徑檢測設(shè)計(jì)參考方案。
▲ 圖3.5 運(yùn)放模塊
3.5 編碼器方向
由于車模使用的是AB 相編碼器，同時(shí)STC 單片機(jī)沒有正交解碼功能，所以我決定通過硬件的方式來對編碼器旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行一個(gè)判斷，實(shí)際上就是用到了數(shù)字電路中學(xué)過的D 觸發(fā)器，AB 相編碼器的兩個(gè)脈沖信號分別接入D 觸發(fā)器的時(shí)鐘CLK 和輸入D，此時(shí)就可以通過輸出Q 的電平高低來判斷編碼器的正反轉(zhuǎn)。很多帶方向輸出的編碼器也利用了相同的原理。
▲ 圖3.6 D 觸發(fā)器
3.6 電機(jī)驅(qū)動模塊
智能車電機(jī)驅(qū)動的方案早已經(jīng)非常成熟，目前智能車比較流行的驅(qū)動方案有BTN 和BTS 集成驅(qū)動和分立元件搭建的MOS 管全橋驅(qū)動，BTN 只需要兩塊芯片和少許外圍即可實(shí)現(xiàn)對單個(gè)電機(jī)的控制，相比之下分立元件搭建的電機(jī)驅(qū)動更加復(fù)雜，但是其強(qiáng)大的輸出功率往往讓人愛不釋手。但是我們要做的是節(jié)能啊，以上兩種方案的性能絕對可以滿足，但是有點(diǎn)大材小用的感覺。所以我決定采用單芯片集成驅(qū)動，說到這里就不得不提L298N 和MC33886。L298N 很多做過51 循跡小車的同學(xué)估計(jì)都認(rèn)識，一塊芯片即可完成我們所有的需求。MC33886在多年前的智能車競賽中也被廣泛應(yīng)用過。但是我還是覺得這兩款芯片的體積太大，所以最終選擇了東芝公司的一款集成驅(qū)動芯片，雖然其內(nèi)阻相對較大，但是勝在體積小巧，一塊芯片便能滿足我們的需求。
▲ 圖3.7 電機(jī)驅(qū)動
3.7 功率檢測電路
這里的功率檢測并不是恒功率充電中使用的功率檢測，而是檢測車模運(yùn)行功率的功率檢測。加入這個(gè)功能，最初的想法就是為了在后期調(diào)試車模時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)因?yàn)榭刂撇焕鴮?dǎo)致的功率異常情況，以此來優(yōu)化控制，降低功耗，并且該功能還可以對堵轉(zhuǎn)等異常情況實(shí)現(xiàn)保護(hù)。主要電路的構(gòu)成是由電阻分壓的電壓檢測和電流檢測構(gòu)成，通過單片機(jī)ADC 端口對電壓和電流進(jìn)行采集，計(jì)算出當(dāng)前功率，通過無線模塊傳回上位機(jī)進(jìn)行分析。
▲ 電流檢測（左）電壓檢測（右）
3.8 陀螺儀&加速度計(jì)接口
陀螺儀&加速度計(jì)模塊采用IIC 進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，接口如下。
▲ 圖3.10 陀螺儀接口
3.9 人機(jī)交互電路
為了方便調(diào)試，在車模上增加了OLED 液晶、LED 指示燈、按鍵和撥碼開關(guān)，可以通過OLED 觀察車輛的一些數(shù)據(jù)，LED 在車模運(yùn)行時(shí)指示某些特殊元素，按鍵可以用來調(diào)參和實(shí)現(xiàn)特定功能，撥碼開關(guān)用于策略調(diào)整。
▲ 圖3.11 人機(jī)交互電路
3.10 無線充電電路
在正式制作無線充電電路之前，曾經(jīng)以卓老師公布的預(yù)賽賽道為基準(zhǔn)，心中定下了一個(gè)預(yù)期的充電時(shí)間。不是5s，也不是4s，而是3s。最后做到了嗎？嗯，是的，做到了。最后實(shí)測2.8s 即可完成對運(yùn)行預(yù)賽賽道一周所需的能量的獲取。如果以更加節(jié)能的方式去跑，充電時(shí)間可以降到2.5s。完成3s 充電，充電電路肯定非常重要，但并不起決定性作用，歸根結(jié)底是車模運(yùn)行時(shí)需要的能量少，所以充電的時(shí)間才會縮短。功率控制部分我使用的方案是卓晴老師公眾號推文“如何把大象裝進(jìn)冰箱”中的方案，這算得上一個(gè)很優(yōu)秀的方案。
3.10.1 充電線圈的選擇
無線充電接收線圈通常是使用紗包線制作而成的，主要原因是因?yàn)殡娏髟诟哳l的情況下電流分布變得不均勻。大部分電流會集中在導(dǎo)體表面附近。這種現(xiàn)象稱之為趨膚效應(yīng)。除了使用紗包線外還可以使用銅箔繞制線圈。這兩種方法都嘗試過，因?yàn)樽罱K整流方案的選擇，所以最后還是選用紗包線制作的成品線圈。
▲ 圖3.12 充電線圈
3.10.2 整流電路
為了方便后期的升級，所以我將整流電路從恒功率電路中獨(dú)立出來制作。整流電路也是充電損耗的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，做好這部分對于充電效率的提升非常重要，所以在車模還未搭建的時(shí)候便著手準(zhǔn)備相關(guān)的工作。
目前比較常見的整流方案有全橋整流、全波整流、倍壓整流等，這三種方案對比來看，全波整流的效率理論是最高的，其次是倍壓，最后是全橋。所以我決定全波整流中的二極管用MOS 管進(jìn)行替代，以此希望能夠達(dá)到更高的效率。最后還是給做出來了，單獨(dú)測試整流效果也還不錯(cuò)，雖然相較于二極管全波整流效率并沒有明顯提升。
▲ 圖3.13 全波同步整流
然后尷尬的事情就來了，在與恒功率板進(jìn)行配合的時(shí)候充電器會出現(xiàn)“Wireis Broken”并蜂鳴器報(bào)警，具體原因是恒功率充電板在剛上電的時(shí)候單片機(jī)需要一定的時(shí)間才能正常工作，在這一段時(shí)間沒有PWM 輸出會導(dǎo)致整流板相當(dāng)于空載，引起充電器諧波比例過高導(dǎo)致報(bào)警。最終在賽前換成了更加穩(wěn)定的全橋整流。還好用到了恒功率電路，所以整流板通常工作在十幾伏以上的電壓，此時(shí)二極管的壓降造成效率下降就沒有那么嚴(yán)重了。
▲ 圖3.14 全橋整流
3.10.3 電源模塊
恒功率充電電路在進(jìn)行工作的時(shí)候需要給半橋驅(qū)動芯片供電的12V，和給單片機(jī)供電的5V。12V 由整流后的直流電壓通過降壓模塊得到，5V 電壓通過12V降壓后得到。12V 的電源芯片選型使用德州儀器的TPS54061DRBR。5V 采用和主控5V 相同的TPS63070(見3.3.1)。
▲ 圖3.15 12V 電源
3.10.4 功率檢測
使用電阻分壓檢測電壓，AD8217 配合采樣電阻檢測電流，通過單片機(jī)對電壓電流進(jìn)行采樣后得到當(dāng)前功率。
▲ 圖3.16 功率檢測電路
3.10.5 半橋功率輸出電路
通過PWM 控制功率輸出:
▲ 圖3.17 半橋功率輸出電路
3.11 電路板實(shí)物展示
下圖依次為主控板（正）、主控板（反）、充電板（正）、充電板(反)。
控制程序是智能車的靈魂，在之前的機(jī)械篇和電路篇已經(jīng)完成了對硬件方面的制作，現(xiàn)在需要通過控制程序使其將硬件的水平充分發(fā)揮，以此達(dá)到更好的成績。由于節(jié)能限制以直立的方式運(yùn)行，所以對于控制算法的要求也相對較高，首先能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的直立運(yùn)行，其次還要在直立的狀態(tài)下保持較高的運(yùn)行速度，而且還不能消耗過多的能耗。這就需要在控制方面注意更多的細(xì)節(jié)。
4.1 傳感器信號處理
4.1.1 電感信號處理
智能車通過電感實(shí)現(xiàn)循跡，對于電感信號我們使用ADC 獲取信號數(shù)值，通過均值濾波之后將其進(jìn)行歸一化處理，然后通過差比和計(jì)算出轉(zhuǎn)向偏差，代入轉(zhuǎn)向環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作。
4.1.2 陀螺儀&加速度計(jì)信號處理
車模想要保持直立就必須知道當(dāng)前的車身角度，單純的使用陀螺儀或者是加速度計(jì)都沒有辦法準(zhǔn)確的活動車身的角度。只用將加速度計(jì)與陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，才可以做到。常用的方法有互補(bǔ)濾波和卡爾曼濾波。因?yàn)閭滟悤r(shí)間較短，所以首選較為簡單的互補(bǔ)濾波作為姿態(tài)解算，且在后期使用的過程中也能夠完美的勝任直立要求，所以一直沿用到正式比賽。
陀螺儀動態(tài)響應(yīng)特性良好，但計(jì)算姿態(tài)時(shí)，會產(chǎn)生累積誤差。加速度傳感器測量姿態(tài)沒有累積誤差，但動態(tài)響應(yīng)較差。因此，它們在頻域上特性互補(bǔ)，可以采用互補(bǔ)濾波器融合這兩種傳感器的數(shù)據(jù)，提高測量精度和系統(tǒng)的動態(tài)性能。
▲ 圖4.1 互補(bǔ)濾波器基本結(jié)構(gòu)圖
4.2 PID 算法
在工業(yè)應(yīng)用中PID 及其衍生算法是應(yīng)用最廣泛的算法之一，是當(dāng)之無愧的萬能算法，如果能夠熟練掌握PID 算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，對于一般的研發(fā)人員來講，應(yīng)該是足夠應(yīng)對一般研發(fā)問題了，而難能可貴的是，在我所接觸的控制算法當(dāng)中，PID 控制算法又是最簡單，最能體現(xiàn)反饋思想的控制算法，可謂經(jīng)典中的經(jīng)典。經(jīng)典的未必是復(fù)雜的，經(jīng)典的東西常常是簡單的，而且是最簡單的，簡單的不是原始的，簡單的也不是落后的，簡單到了美的程度?，F(xiàn)在雖然已經(jīng)演變出很多智能的算法，如蟻群，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，但是在實(shí)際應(yīng)用中還是以串級pid 為主，因?yàn)樗煽俊?/p>
PID 各個(gè)參數(shù)作用基本介紹：
比例調(diào)節(jié)（P）作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)（I）作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI 調(diào)節(jié)器或PID 調(diào)節(jié)器。
微分調(diào)節(jié)（D）作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)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(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD 或PID 控制器。
智能車中PID 控制主要使用模糊PID、增量式PID 控制或者位置式PID 控制。
簡單地說增量式就是每次PID 計(jì)算出來的值是一個(gè)增量，最終使用時(shí)是用原值加上或減去這個(gè)增量，舉個(gè)例子：例如舵機(jī)的控制，舵機(jī)有一個(gè)中值（就是舵機(jī)調(diào)中時(shí)使用的占空比），控制時(shí)就用這個(gè)加上或減去PID 后的增量（加上還是減去主要看舵機(jī)的擺放，具體試一下就知道了）最為最終的舵機(jī)控制量。增量型算法不需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計(jì)算精度對控制量的計(jì)算影響較小。
▲ 圖4.2 PID 算法的一般形式
4.3 直立環(huán)
車模能夠保持直立是直立車最基礎(chǔ)，也是最重要的一步，直立環(huán)調(diào)的好不好，對后期的速度環(huán)和轉(zhuǎn)向環(huán)都有影響。直立環(huán)采用PD 控制器，姿態(tài)解析后的角度乘以P,陀螺儀輸出的角速度直接乘以D。參考了卓老師第七屆的《電磁組直立行車參考設(shè)計(jì)方案》。
▲ 圖4.3 角度控制框圖
4.4 速度環(huán)
速度環(huán)用來控制車模運(yùn)行時(shí)的速度，通過編碼器采集脈沖計(jì)算出當(dāng)前速度，與預(yù)期速度做比較來確定下次輸出速度的大小。我采用的方案是單個(gè)P,至于為什么沒有用I，我只是覺得暫時(shí)沒有必要。速度環(huán)計(jì)算出的輸出給到直立環(huán)的輸入，即控制直立時(shí)的傾角，以此達(dá)到控制速度的目的。
▲ 圖4.4 速度控制框圖 4.5 轉(zhuǎn)
4.5 轉(zhuǎn)向環(huán)
轉(zhuǎn)向環(huán)采用PD 控制，通過電感差比和得到的偏差來對轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)向環(huán)是直接加在輸出給電機(jī)的PWM 上。
▲ 圖4.5 轉(zhuǎn)向環(huán)框圖
4.6 特殊元素處理
通過上述的算法，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)車模在賽道上的基本循跡，但是對于特殊元素還需要進(jìn)行特別的處理才能正常通過，如：車庫、圓環(huán)、坡道。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制程序比較合理，坡道在沒有進(jìn)行特殊處理的時(shí)候依舊可以正常通過，所以這里只對車庫和圓環(huán)的處理做一個(gè)講解。
4.6.1 出庫處理
由于車模一開始需要放置在車庫內(nèi)，待完成充電后再自行發(fā)車，所以當(dāng)車模完成充電后第一步便是完成出庫。出庫的處理的第一個(gè)方案就是，先固定直行一段距離后再固定轉(zhuǎn)向進(jìn)入賽道正常循跡。這種方案對于車模放置的位置要求過高，當(dāng)充電線圈位置變動時(shí)還需要再修改代碼。使用我使用第二個(gè)方案，讓其自己判斷轉(zhuǎn)向的時(shí)機(jī)，由于我使用了3 橫兩豎的電感布局，所以就可以用兩個(gè)豎直電感判斷轉(zhuǎn)向的時(shí)機(jī)。
▲ 圖4.6 出庫示意圖
4.6.2 環(huán)島處理
環(huán)島元素已經(jīng)連續(xù)三年出現(xiàn)在智能車賽道中了，但是想要完美的完成這個(gè)元素還是需要下一些功夫的。首先對環(huán)島元素進(jìn)行一個(gè)分解處理，我將其分成了四個(gè)部分。首先是檢測到環(huán)島，這時(shí)因?yàn)殡姼袝z測到兩條電磁線，電感值會增大，但是還沒有到達(dá)兩條電磁線重合處，此時(shí)的處理是要保證車模平穩(wěn)進(jìn)入電磁線重合處。到達(dá)電磁線重合處就到了第二個(gè)部分，此時(shí)將原本兩個(gè)橫電感計(jì)算偏差的方式改為兩橫兩豎電感加權(quán)計(jì)算偏差，此時(shí)會因?yàn)樨Q直電感的引入而順利進(jìn)環(huán)，進(jìn)環(huán)之后到達(dá)第三步。將計(jì)算偏差的方式改回正常循跡的模式。最后一步就是出環(huán)，使用陀螺儀z 軸角速度積分得到角度判斷車模是否在圓環(huán)運(yùn)行一周，借助積分后的角度順利出環(huán)。
▲ 圖4.7 環(huán)島處理示意圖
4.6.3 入庫處理
入庫的難度是要大于出庫的，想要入庫，首先就要能夠檢測到車庫，起初設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)選了3 種檢測方案，1.紅外對管；2.干簧管；3.CCD。使用紅外對管檢測斑馬線理論上是可行的，距離斑馬線7cm 以下有著比較好的檢測效果，由于將其集成在電感板上，電感板太低便無法順利通過坡道，所以將距地高度提高到12cm，此時(shí)紅外對管已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)斑馬線的正確檢測了。干簧管可以用來檢測磁標(biāo)識別車庫，但是還需要進(jìn)行倒車操作，太浪費(fèi)時(shí)間。所以最后選擇CCD作為車庫的識別。
CCD 檢測斑馬線我寫了兩套程序，第一個(gè)是通過設(shè)定閾值對采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，再計(jì)算黑點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以此判斷斑馬線。這個(gè)方案我也用了一段時(shí)間，但是當(dāng)光線有較大變化的時(shí)候，還需要改變閾值，太費(fèi)時(shí)間。所以又想到了第二個(gè)方案，通過采集黑白跳變點(diǎn)的個(gè)數(shù)來判斷斑馬線，此方案不需要設(shè)定閾值，只需要把數(shù)組里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比即可，相對來說適應(yīng)性強(qiáng)于前者。
檢測到之后就到了入庫處理的環(huán)節(jié)，由于車模在運(yùn)行過程中速度比較快，想通過操作轉(zhuǎn)向環(huán)來實(shí)現(xiàn)入庫效果并不理想，所以干脆直接繞過所有控制，直接對最終輸出給電機(jī)的PWM 進(jìn)行控制，再利用Z 軸角速度積分判斷轉(zhuǎn)的角度，最終實(shí)現(xiàn)入庫。
▲ 圖4.8 賽場上即將入庫的瞬間
5.1 程序開發(fā)工具
程序開發(fā)工具使用Keil uVision5，源程序的編寫、編譯都是在該軟件上完成的。并且還可以使用在線調(diào)試功能。
▲ 圖5.1 keil5
5.2 硬件開發(fā)工具
對于硬件電路的開發(fā)，我選擇了一款國產(chǎn)EDA 軟件——立創(chuàng)EDA，這也是我首次在競賽中使用該軟件。純中文的操作界面真是非常適合我，并且簡單易學(xué)，依托立創(chuàng)商城，有非常多的元件封裝可以直接使用，大大縮短了開發(fā)周期。雖然還有很多地方需要完善，但是目前基本都可以滿足我的使用需求，更重要的是因?yàn)樗且豢顕a(chǎn)軟件，支持！
▲ 圖5.2 立創(chuàng)EDA
5.3 3D 建模工具
車模上使用了非常多的3D 打印件，因此不得不學(xué)會一款3D 建模軟件來完成這些任務(wù)，但是很多專業(yè)建模軟件學(xué)習(xí)少則幾個(gè)星期，多則幾年，等學(xué)會了比賽早比完了。我就在想有沒有一款可以十分鐘就能學(xué)會的建模軟件，結(jié)果真讓我找到了。Tinkercad 是一款在線進(jìn)行制圖的工具，使用非常簡單，只需要對幾何圖形進(jìn)行簡單的拖拽組合，即可繪制出需要的零件，車模上的所有3D打印件均由該軟件繪制。雖然操作簡單，但是局限也很大，很多較為復(fù)雜的圖沒有辦法繪制，只能暫時(shí)應(yīng)急。想要學(xué)好3D 建模，還是需要耐下心來學(xué)習(xí)專業(yè)軟件。
▲ 圖5.3 Tinkercad
5.4 程序下載工具
使用STC 單片機(jī)，當(dāng)然要使用宏晶科技的下載軟件了。除了下載功能外還有串口助手、示范例程等功能。
▲ 圖5.4 程序下載軟件
5.5 上位機(jī)軟件
通過上位機(jī)軟件對車模實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，在調(diào)試過程中發(fā)揮了巨大的作用。
▲ 圖5.5 山外上位機(jī)軟件
自從報(bào)名參加第十五屆全國大學(xué)生智能汽車競賽以來，一直在為這項(xiàng)比賽所努力備賽。智能車的魅力始終深深吸引著我，讓我無法自拔。在此次的技術(shù)報(bào)告中，我對本次參賽的方案進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的說明，有的想法實(shí)現(xiàn)了，有的想法失敗了，但是失敗的也恰恰是收獲的經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)于技術(shù)報(bào)告中的機(jī)械結(jié)構(gòu)，我還想再進(jìn)行一個(gè)說明，除了實(shí)現(xiàn)車模的基本功能外，我還會追求車模的美觀程度，因?yàn)樵谥悄苘嚱缫恢绷鱾髦痪湓?，那就是自古丑車跑不快，第一次聽到這個(gè)說法我就覺得很有道理，所以在制作車模的過程中，追求美觀也成為了我所追求的一個(gè)重要目標(biāo)。車模的美丑不單單是外觀的問題，還反映了選手對待車模的態(tài)度，對細(xì)節(jié)的把控，如果車模上熱熔膠一大堆，杜邦線滿天飛，這種車通常并不容易跑出好的成績。
硬件部分其實(shí)很多隊(duì)伍都大同小異，畢竟優(yōu)秀合適的方案就那么多，電源一般都選擇德州儀器的TPSxxxxx，電機(jī)比較好的無非Faulhaber 和瑞士MAXON。既然大家水平都差不多，就要在細(xì)節(jié)上下功夫，節(jié)能組，玩的就是細(xì)節(jié)。因?yàn)殡娫葱酒实奶旎ò寰驮谀?，電機(jī)效率的天花板也在那，想在單個(gè)環(huán)節(jié)上有較大的提升根本不現(xiàn)實(shí)，還是得回歸細(xì)節(jié)，對細(xì)節(jié)進(jìn)行反復(fù)的打磨，才有可能在賽場上有所優(yōu)勢。
算法方面屬于短板，主要控制思路還是用最簡單的方法實(shí)現(xiàn)較好的效果，濾波算法用互補(bǔ)濾波，循跡用差比和。很多時(shí)候能否調(diào)校出一輛優(yōu)秀的車并不在于你是不是使用了多么高大上的算法，而是你是否真的把你會的簡單算法使用好了。學(xué)會善于觀察車模運(yùn)行過程中的“風(fēng)吹草動”，再找到引起這些問題的原因，即使用簡單的方法，小車依舊可以快樂的飛馳。
經(jīng)過幾個(gè)月的準(zhǔn)備，最終在11.7 日來到了安徽賽區(qū)的賽場，并以滿意的成績結(jié)束了我最后一次智能車之旅。貫穿了我整個(gè)大學(xué)時(shí)光的智能車喲，多少個(gè)不眠之夜，多少次垂頭喪氣，又有多少次解決問題之后的喜悅，如今歷歷在目。別了，智能車。
最后感謝學(xué)校為我們提供場地和經(jīng)費(fèi)支持，有了這些物質(zhì)基礎(chǔ)，才能讓我順利的完成比賽。也要感謝老師和領(lǐng)導(dǎo)的支持與指導(dǎo)。同時(shí)還要感謝競賽組委會工作人員的辛苦付出，疫情期間，今年能夠正常舉辦真是非常難得，感謝各位為競賽提供幫助的人。
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2.電路圖
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