智能循迹车知识讲解

智能车基础知识讲解Page

2智能车组成概要1目录

逐飞科技有限公司IAR软件使用2单片机基础模块3单片机如何控制外设4智能车调试手段与问题分析5算法6Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

智能车核心组成部分有单片机、车模、寻迹传感器(摄像头、电感加运放模块、线阵CCD)、编码器、电机及电机驱动模块、伺服舵机，及一些辅助调试模块，如TFT显示屏、按键、蜂鸣器、拨码开关、NRF无线通讯模块。

在介绍这些组成部分之前我们先来假设一下，如果在赛道上跑的不是车而是人。那么人是怎么运作的。下图是往年比赛的赛道。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

如果在上面跑的是人，那么这个人第一是了解比赛的规则，只有了解规则，才能不犯规，成绩才能有效。了解规则之后就可以上赛道跑了，人处理的大致过程是首先眼睛观看自己的前方赛道，将赛道信息传输到大脑内进行处理，处理的时候需要结合之前了解到的规则，如果前方是弯道大脑会控制我们的腿进行转弯动作及减速动作，同时也会控制我们的手，以保持身体平衡。

对上述过程进行总结可以得到，人的眼睛负责采集赛道信息，人的大脑负责处理信息并控制我们身体进行相应的动作。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要其实智能车控制也是这样的，采集信息，然后处理器处理信息，处理信息后得出结果，根据结果来控制执行机构件进行动作。具体结构就是，我们的视觉传感器摄像头、CCD或者磁场传感器（这三个就是类似人的眼睛用于给处理器提供外部的信息）给出赛道信息，单片机（这个就类似人的大脑用于处理各种复杂的信息，给出处理结果或者控制信息）得到这些信息之后，将这些信息进行处理然后得出车身与赛道之间的偏差，利用这个偏差来控制车模的舵机与电机（这个就类似人的手与脚，为人体运动提供动力），从而控制车模沿着赛道行走。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。单片机是智能车最重要的组成部分，也是智能车的灵魂，负责搜罗所有的数据并进行处理，然后控制车模进行相应的动作。Page

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规则每年都会重新指定每个类别使用某种型号的车模，不能随意使用，比如第十二届比赛中电磁组规定使用B车模，四轮光电组使用C车模。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

寻迹传感器一般有三种面阵摄像头（MT9V032）、线阵CCD（TSL1401）、电感加运放模块。

面阵摄像头与人眼最为接近，因为他看到的东西与人一样都是一张一张连续的图片，三种传感器中摄像头是最为稳定的，因为看的多且看的远。线阵CCD与人眼也比较类似，不过CCD看到的不是图片，而是看到的一条线，假如我们把门留个缝，然后我们从这个缝往外看，是不是就是看到的是一条线了，CCD就是这样从门缝看赛道的。

电磁组的赛道中心铺设有漆包线，并且通了20KHZ的电，电流为100mA，通电导线会产生磁场，因此我们使用电感检测磁场，由于磁场非常小，我们需要运放来进行放大处理。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

在车模行驶的过程中，我们需要知道车模的速度便于控制加减速，因此需要使用编码器来获取速度信息。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

电机为车模前进提供动力，由于电机功率较大，单片机无法直接驱动，因此需要电机驱动模块驱动电机，单片机将控制信号传输给电机驱动模块，电机驱动模块接受到信号后将信号转换为对应的电压，这样就可以控制电机的转速了。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

伺服舵机用于控制车模转向。舵机是比赛指定的，不能更换为其他型号，也不得对舵机进行改动。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

在调试程序的时候我们经常需要查看图像、变量数据，因此使用TFT显示屏显得尤为重要，会大大提高我们调试程序的效率。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要按键

在比赛的过程中，我们一般都会根据赛道的情况决定速度设置多少，平时调试的时候我们也会使用不同的速度对车模进行测试，不可能每次更改数据的时候都下载一次程序，这样会非常低效。使用按键调节参数将会变得更加简单高效。拨码开关

拨码开关与按键的作用差别不大，主要用于调节参数。蜂鸣器

在很多特殊元素的处理的时候我们经常希望有一种简单的方法，让车模给一个反馈。比如障碍，车模有没有识别到障碍我们编写程序的人员怎么知道呢，这个时候我们就可以这样来编写程序，当程序检测到障碍后，蜂鸣器响，这种方式非常简单高效，在调试的时候，能简单的给出一个反馈。Page

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逐飞科技有限公司1智能车组成概要

在车模调试过程中经常会遇到各种问题，但是单纯分析程序非常难找到问题所在，一般我们使用在线调试的方法来查看每个数据是否正确来调试程序，但是很多时候车模出问题确是在运行过程中才出问题，这个时候不可能说我们插着JLINK抱着电脑跟着车跑吧，那么这个时候就没有办法在线调试了。因此我们使用无线通讯模块，将数据发送到电脑，然后我们在电脑上查看数据。Page

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逐飞科技有限公司2IAR软件使用Page

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逐飞科技有限公司3单片机基础模块NXPMK60DN512VLL10IO中断模块IO中断(PORT)模块用于接收外部突发数据，当外部数据准备就绪的时候通过中断来告诉单片机赶紧读取数据。IO口模块IO模块(GPIO)就是控制单片机的外部引脚的电平状态，通过控制IO的电平状态来控制外部器件。ADC模块FTM模块DMA模块PIT模块PIT（periodInterrupttimer）周期定时器用于控制程序的定时周期执行。ADC即模数转换，就是将外部的模拟量转换为对应的数字量，这样便于单片机进行数据存储与处理。做智能车所使用到的FTM模块的功能有两个，PWM与正交解码功能。但是一个模块只能具有一个功能，PWM用于控制电机与舵机，正交解码用于获取编码器的数据DMA(directmemoryaccess)模块，该模块主要用于获取摄像头的数据，模块特点就是数据传送不占用CPU，这样大大的提高的效率。Page

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逐飞科技有限公司4单片机如何控制外设舵机电机控制

电机控制是通过调节PWM占空比（高电平时间除以整个PWM周期的时间）来调节速度的。不同占空比的PWM送给电机驱动模块，电机驱动就会输出不同的电压，PWM占空比为0%时输出电压为0V，PWM占空比为100%时输出电压为驱动模块的输入电压。电机的控制频率在5K-10K之间效果较佳。舵机控制也是通过调节PWM占空比来调节的，不过不是调节的速度，而是调节舵机所旋转的位置，具体控制是输出一个频率为50HZ的PWM波形，高电平范围为0.5ms-2.5ms，对应的角度为0°-180°。右图展示了高电平与时间的对应关系。Page

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逐飞科技有限公司4单片机如何控制外设编码器测速获取编码器数据前，我们需要对编码器的信号有所了解这样编写程序才能得心应手，一般双向编码器有两个信号第一个是步进脉冲，第二个信号是用于判断方向的，这个信号有两种一种是与第一个信号有相位差，第二种是直接用高低电平来代表方向，下面两个图就可以具体描述了信号。编码器输出的是脉冲，在同一时间内脉冲数越多就代表着速度越快，因此采集编码器需要使用到单片机的PIT模块，采集脉冲就需要FTM模块或者LPTMR模块。Page

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逐飞科技有限公司4单片机如何控制外设摄像头传感器数据采集

摄像头数据采集，摄像头这样的传感器比较复杂，我们首先来了解下，摄像头基本的几个信号，一般的数字摄像头具有场信号、行信号、像素时钟信号、数据口四个信号。当场、行、像素时钟信号同时有效时，这个时候摄像头输出数据，由于数据量特别大不可能使用CPU去读取数据，因此需要使用单片机的DMA功能。Page

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逐飞科技有限公司5智能车调试手段智能车调试手段第一种上位机使用逐飞科技的上位机来调试传感器，比如摄像头、CCD的焦距调节，使用上位机查看图像是否有问题。第二种使用IAR软件的在线调试，有时候我们自己写的程序，需要查看每一个环节的数据是否正确，可以通过IAR提供的在线调试软件来查看数据的正确性。但是有一个缺点就是需要使用下单片机与电脑连接。第三种使用液晶显示，很多时候我们需要在赛道上看数据，如果使用第二种方法的话，就十分的不方便需要抱着电脑到处走，因此可以使用小液晶来显示参数，这样值只需要推着车子在赛道上走，然后看液晶上的数据就可以了。第四种使用无线模块，在调试小车的时候，有时候我们需要看车跑起来的数据，然而当小车跑起来的时候观看数据十分不方便，前面所提到的方法就都不能使用了，因此我们使用无线模块，通过无线模块将数据发送到电脑，在电脑上观察数据即可。Page

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逐飞科技有限公司5智能车调试手段问题分析在调试智能车的时候经常会出现各种硬件问题、软件问题，那么当问题出现的时候我们应该怎样去解决这个问题呢，当问题出现之后我们不能紧张与焦虑，我们分两步走来解决问题，第一先确定问题造成的具体地方，使用替换法来确定是硬件问题还是软件问题，然后在确定具体是哪个地方的问题，具体问题查找可以从系统的输入端然后依次往后查找每一个信号是否正确，也可以从输出端开始往前查找每一个信号，直到查找到正确信号。第二，找到问题之后就开始分析问题，这个就需要根据具体情况来测试，比如硬件检查电路是否正确，元器件是否还是好的，软件就需要查看程序中所使用到的数据，然后自己计算，看看单片机计算出来的是不是与自己想的一样，如果不一样，仔细分析自己的代码是否有写错，或者变量类型是否定义错误。所有的问题只要按照这两步走就一定能解决。找问题最怕的是焦虑与紧张，因此问题出现一定要冷静！Page

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逐飞科技有限公司6算法图像处理算法单片机获取到摄像头与CCD的数据之后，就需要对图像数据进行处理，从图像数据里面获取到赛道的边界信息。CCD由于数据很简单因此处理起来也很简单，大致的搜线思路就是每次搜索边界的时候从上次的赛道中点往两边搜索边界，当搜索到两个点的对比度大于阀值（预先设定的值）的时候就认为找到了边界，这个时候记录边界信息，然后根据边界信息计算出赛道中心，然后使用赛道中心与图像中心求出当前车身的偏差。我们只要控制车模上传感器的图像中心与求出来的赛道中心重合这样就可以控制车模沿着赛道自动巡线了。摄像头由于数据量比较大，因此处理起来稍微困难一点，大致的搜线思路与CCD基本一致，摄像头最近行的数据搜线就是从上一副图像最近行的赛道中心点开始往两边搜索的，当搜索到两个点的对比度大于阀值（预先设定的值）的时候就认为找到了边界，这个时候记录边界信息，然后第二行从第一行的赛道中心点王两边搜索边界，后面的行以此类推。完成所有行的搜线之后，把所有行的偏差求出来，然后每行的偏差乘以一个系数，系数的大小由所在行的远近决定，如果想远端对偏差影响小一点那么久应该远端的系数小一点，反之则越大。然后将所有的偏差加起来求出整体偏差用于控制车模的方向。Page

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逐飞科技有限公司6算法PID算法简介PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。PID（比例（proportion）、积分（integral）、导数（derivative））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID算法有两种形式，第一种是位置式PID，这种是用绝对值作为系统输出量。第二种是增量式PID，这种是使用增量来作为系统输出量。具体公式如下图。Page

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逐飞科技有限公司6算法PID算法在智能车上的应用在智能车上主要有两个环节需要使用到PID算法。第一个环节就是我们的舵机控制，由于舵机是一个不带积分的执行机构件因此我们使用位置式PID算法，位置式PID算法输出只与输入有关系。将求出的偏差作为位置式PID的输入，这样每个偏差就有一个唯一的舵机转角。舵机控制并不需要使用到PID里面的三个环节，只需要使用到P、D两个环节就可以了。不使用I的原因是I是用来消除静态误差的，但是转向控制并不需要控制静态误差。P、D两个参数的意义，P参数越大相同的偏差下舵机转动的角度越大，D参数越大在相同的偏差变化率下舵机转动的角度越大，综合调试的时候当P参数比较大的时候车模在赛道上回出现幅度比较大的左右震荡的现象，这个时候说明D参数小了，需要加大D参数，如果D参数无论怎么加大都不行，说明P参数过大需要减小P参数，然后重新来寻找合适的D参数。如果车模出现小幅度且快速的左右震动，说明P参数过小了，需要加大P参数，如果P参数无论怎么加大都不行的话，则需要减小D参数，然后重新来寻找合适的P参数。多次测试就可以获得合适的参数。Page

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逐飞科技有限公司6算法PID算法在智能车上的应用第二个环节就是我们的电机控制，由于电机是一个带积分的执行机构件因此我们需要使用增量式PID算法，将采集到的编码器的值减去我们期望的速度（也就是速度差）作为增量式PID算法的输入，然后将增量式PID算法的输出进行积分然后输出给电机，当速度达到了设定速度的时候速度差就为0，这样增量式PID算法输出就为0保持现在的输出，当电机受到外力被动减速的时这个时候速度差不在是零，增量式PID算法就会增加输出以达到设定的速度。这样就形成了速度的闭环控制。1.

比例调节规律（KP）：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。2.

积分调节规律（KI）：实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。使系统消除稳态误差，提高无差度。

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微分调节规律（KD）：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

综合调试的时候先加入I参数，选取一个合适的I参数（合适的参数就是车模很快的达