智能車淺談—手把手讓車跑起來（電磁篇）

之前智能車系列已經(jīng)做了一個比較詳細的解析，但是美中不足是知識點被拆的太零散，可能對于新手來說不太友好，所以借著有空就再寫一點能讓車跑起來的方案。

當然，也就僅僅限于可以跑起來，元素以及高級算法就需要車友們自己去整了，主要還是方便新手上道，當然也歡迎大佬們提出建議。本文以電磁四輪為例進行講解。

材料準備

作為剛接觸電磁車的同學，咱們要想跑起來需要四大件，車模、電磁及運放模塊、主控及母板、電機驅動；

這里筆者打算分成兩種組別來推薦方案，一類是手頭沒有現(xiàn)成車模而且不是今年參賽的練習組，另外一類是今年的參賽組。

備賽組

1.車模

這里以基礎電磁四輪組為例，建議使用C車模，B車的傻蛋5舵機以及機械差速還是有些許的頭禿，當然官方今年好像已經(jīng)宣布了換掉SD5舵機，由于C車是雙電機可以使用主動差速，所以建議大家上手選擇C車。

車模的機械結構搭建可以去參考往屆優(yōu)秀隊伍的技術報告，至于怎么找到技術報告，比賽官網(wǎng)有，卓大博客也有—第十六屆全國大學智能車競賽技術報告與總決賽視頻下載。借用逐飛科技的示例車來展示一下：

2.硬件

主控：電磁車今年參賽要求是使用STC的單片機來參賽，所以就可以選購龍邱或者逐飛STC母板來作為主控；

電機驅動：目前比賽常用的有HIP4082、DRV8701、BTN7971或者IR系列加MOS全橋等；

電磁組所需的電感和運放模塊：目前較多的是OP2350、LM358、OPA4377等；

電源模塊：整個小車系統(tǒng)所需的電源種類一般是5V、3.3V、12V，需要有一個系統(tǒng)的電源管理方案，這個需要積累，BUCK、BOOST的電路，網(wǎng)上方案也很多，筆者之前使用的是德州儀器的TPS系列。

硬件設計的注意事項可以參考筆者抗干擾技術的那篇博客。

練習組

1.車模

對于不是急于參賽而是平時訓練的練習組，手頭如果沒有現(xiàn)成的車模和往屆的方案的，建議去淘寶找平價車模代替，因為自己一套買下來得個大幾千塊，都是學生黨，這也不是個小數(shù)目。

可以參考下圖這種使用舵機轉向而且后輪電機帶編碼器的車模，加上鋰電池這些一套下來300左右。（圖片來源于某寶，VANBOT教育機器人自營店）

由于原理都差不多一樣的，練習使用這種車模性價比極高，而且還可以留下來參加其他的比賽。

2.硬件方案

電機驅動：購買了這種車模的同學也可以直接用配套的電機驅動，或者使用L298N、TB6612這些電驅都可以。

主控：建議使用帶片內ADC的主控，STM32，STC32、STC16、MSP430都可以反正選一個自己熟悉的就行了。

電磁傳感器：可以購龍邱、或者輪趣科技的。

電源：選用兩節(jié)18650加一個LM2596的降壓模塊即可。

如果覺得麻煩，可以直接選購輪趣科技的學習版小車，如下圖：

當然，手頭有往屆的芯片和方案更好，這樣可以無縫銜接到比賽，比如K66、K60這些方案只是現(xiàn)在不用了，但是網(wǎng)上資料多啊，而且這些處理器性能拿來練手綽綽有余。

整車原理

在準備好上面的硬件后，再來捋一下整個小車的運行原理。

小車要正常行駛在賽道上，必定是需要實時根據(jù)賽道的狀態(tài)來調整車身姿態(tài)的，那么，電磁車是怎么樣獲取到賽道信息，又是怎樣實現(xiàn)轉向的呢。

賽道信息獲取及轉向原理

1.工字電感

電磁車是通過獲取賽道信號發(fā)生器產生的信號來來獲取賽道信息的，在賽道正中間會有一條磁感線，用來產生交變電磁信號。

小車通過前瞻上的電感即可獲得到賽道信息，為啥可以電感可以獲取賽道信息呢，其實很好理解，電磁感應都映像吧，導體切割磁感線會產生感應電動勢，工字電感內部的導線切割信號線產生的磁場，在電感引腳就會有感應電動勢。

電感距離磁場越近，產生的感應電動勢越大，距離越遠，產生的感應電動勢越小。

（有關電感配頻以及信號在各個節(jié)點的狀態(tài)可以去筆者的硬件篇查看）。

2.運放模塊

經(jīng)過工字電感產生的感應電動勢是交流小信號，單片機是無法采集和處理這種小電壓的交變信號

所以需要在后面增加一個峰值檢測以及放大的運放電路，將交變信號進行選頻、檢波然后放到適當倍數(shù)，輸出單片機ADC可以采集的直流信號，將感應電動的大小轉換成為單片機ADC采集的數(shù)字作為輸入量。

3.轉向原理

了解了單個電感獲取賽道信息的原理后，為了讓小車能夠在賽道上行駛，至少會使用左、右兩個電感，通過ADC采集經(jīng)過運放處理的感應電動勢值來計算偏差。

方法是直接左右電感采集值之差（或者差比和計算）來判斷賽道信息，將差比和計算出來的偏差以一定的比例關聯(lián)到舵機的pwm占空比來控制舵機打角，進而控制小車進行轉向。參考下表

其中系列1是左右電感直接作差的波形，系列2是經(jīng)過差比和計算出來的波形，可見系列2的波形比系列1更加平滑，這有利于控制系統(tǒng)的跟隨。

具體原理：

如下圖，小車位于2號位置時，左右兩個電感距離信號的距離一樣，周圍磁場強度也基本一致，產生的感應電動勢也是大差不差，左右電感值差比和計算出來的偏差也是0，舵機位于正中間，保持小車直行。

小車位于3號位置時，由于彎道，左邊電感距離信號線近，磁場更強，產生的感應電動勢要大于右電感的感應電動勢，左右電感差比和計算偏差就很大了，將這個偏差輸出到舵機，讓小車左轉來消除這個偏差。

當小車遇見右轉賽道時，兩個電感的狀態(tài)剛好相反，此時需要右轉來抵消二者偏差。

詳細描述參考此文：

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

4.元素判斷

從此圖可以看出理論上小車在經(jīng)過三叉、環(huán)島和十字時，左右兩個電感的電感值都會接近磁感線，檢測這個特征就可以識別到了，為了防止誤判還可以增加一個中間電感或者斜放置電感來輔助判斷。

電感只有線圈切割磁場時才能產生感應電動勢，線圈和磁場平行時是沒有感應電動勢的，但是在這些特殊元素是，原本沒有切割磁場的電感可能突然就切割了磁感線，這里留給大家自己去發(fā)揮。

此處提供一個思路，直接看圖：

電機及舵機控制原理

舵機和電機都是通過PWM來控制的，只不過舵機控制的PWM的頻率是固定的（50-60HZ），通過改變占空比來實現(xiàn)打角角度。

而電機的頻率沒有指定范圍，但速度也是通過調節(jié)占空比來控制的，通過調節(jié)電機pwm輸出占空比完成對電機速度的調整，電磁組需注意電機對電磁信號會有干擾。

建議電機控制的pwm頻率設置為13-19khz，以盡可能的消除干擾。

具體的PWM控制原理以及H橋的講解之前已經(jīng)寫過了，需要的同學去前面方向篇和電機控制篇查看。

代碼實現(xiàn)

在了解了上述原理后，我們就可以開始寫程序控制我們的小車，實現(xiàn)一個可以跑的狀態(tài)了。

首先，綜合上面的原理，需要初始化PWM來控制舵機和電機，其中舵機的PWM使用的是50-60hz的pwm進行控制（筆者用的50HZ進行控制），而電機的頻率是13-19Khz。

然后是獲取賽道信息的ADC，需要至少開啟兩路來實現(xiàn)信息采集。

還有為了保證系統(tǒng)的計算和輸出周期固定，需要開啟一個定時器中斷來保證輸出的周期穩(wěn)定。

其他：根據(jù)自己的需求初始化IO控制屏幕，按鍵，蜂鳴器LED燈。

有了這個思路，任何一款處理器都可以實現(xiàn)功能了。筆者這里以STC為例。

框架：

以下代碼僅供參考， 僅僅是代碼框架 不能直接復制編譯?。?！

void main()
{
//按照對應芯片進行上述內容的初始
 DisableGlobalIRQ(); //關閉總中斷
 board_init(); 
// lcd_init();   //1.8寸TFT初始化 
 /****電機初始化***/
 pwm_init(PWMA_CH1P_P60, 10000, 0);   //初始化PWM5 使用引腳P2.5 輸出PWM頻率10000HZ  占空比為百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
 pwm_init(PWMA_CH2P_P62, 10000, 0);   //初始化PWM5 使用引腳P2.5 輸出PWM頻率10000HZ  占空比為百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
 pwm_init(PWMA_CH3P_P64, 10000, 0);   //初始化PWM5 使用引腳P2.5 輸出PWM頻率10000HZ  占空比為百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
 pwm_init(PWMA_CH4P_P66, 10000, 0);   //初始化PWM5 使用引腳P2.5 輸出PWM頻率10000HZ  占空比為百分之 pwm_duty / PWM_DUTY_MAX * 100
 /***電磁初始化***/
 adc_init(ADC_P00, ADC_SYSclk_DIV_2); //初始化ADC,P1.0通道 ，ADC時鐘頻率：SYSclk/2
 adc_init(ADC_P01, ADC_SYSclk_DIV_2); //初始化ADC,P1.1通道 ，ADC時鐘頻率：SYSclk/2
 adc_init(ADC_P05, ADC_SYSclk_DIV_2); //初始化ADC,P1.2通道 ，ADC時鐘頻率：SYSclk/2
  adc_init(ADC_P06, ADC_SYSclk_DIV_2); //初始化ADC,P1.2通道 ，ADC時鐘頻率：SYSclk/2
 
 //****舵機初始化*****21.12.19/
 Steering_Init(50,Steering_Duty);  //舵機初始化，PWM頻率為50HZ
 /*****編碼器出初始化***/
  ctimer_count_init(CTIM0_P34); //初始化2個編碼器
 ctimer_count_init(CTIM3_P04); //初始化2個編碼器
 
 gpio_pull_set(P7_7,PULLUP);
 BeeOff;
  pit_timer_ms(TIM_4, 5);    //使用TIMER作為周期中斷，時間5ms一次
 EnableGlobalIRQ(); //開啟總中斷
 
 while(1) //電機1
 {
 //可以放顯示、按鍵操作這一類沒有嚴格時序要求的。
  //pwm_init(PWMB_CH1_P74,freq,1350); //PWMA初始化
  //屏幕顯示：
//   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);
 }
}
//定時器中斷
void TM4_Isr() interrupt 20
{
 TIM4_CLEAR_FLAG; //清除中斷標志
 //電感采集獲取賽道信息,三電感   \ 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);//差比和計算偏差
  //方向環(huán)
  Direction_Out();
   //***電機控制***//
  if(DIR1 == 1)//讀取編碼器方向
  {
   speed1 = 2*ctimer_count_read(CTIM0_P34);//
  }
  else
  {
   speed1 = 2*ctimer_count_read(CTIM0_P34) * -1;
  }
  ctimer_count_clean(CTIM0_P34);
  if(DIR2 == 1) //輸出高電平，正轉
  {
   speed2 = 2*ctimer_count_read(CTIM3_P04)* -1;
  }
  else    //輸出低電平，反轉
  {
   speed2 = 2*ctimer_count_read(CTIM3_P04) ;
  }
  ctimer_count_clean(CTIM3_P04);//清除積累
  Current_speed=(speed1+speed2)/2;
  Current_speed=Current_speed*20.4/(2355.2*0.02);//速度=脈沖數(shù)*周長/2368*周期;
 //電機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;
 
 //電機動作 單極控制
 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);


}

需要完整代碼的同學去筆者的資源自行下載，也可以去文末鏈接找完賽代碼。

效果欣賞

總結

有關電磁車的介紹就到此為止，這篇主要是串了一下整個車的思路，細節(jié)還需要去看筆者之前的介紹。

文章如有不足歡迎指出，祝大家的小車可以拿到滿意的成績，筆者在評論區(qū)等待你們賽后的分享。

審核編輯 ：李倩