智能車軟件培訓(xùn)

傳承,突破,創(chuàng)新

——逐鹿智能車軟件培訓(xùn)目錄CONTENTS1單片機(jī)和c語言簡介2車模類別與輪胎處理3傳感器與調(diào)試工具介紹4程序算法流程5PID控制6實(shí)戰(zhàn)操作第一部分單片機(jī)FUNDATIONC語言通用IO口1.輸入2.輸出中斷1.內(nèi)部中斷2.外部中斷3.中斷優(yōu)先級定時(shí)器1.輸入捕捉2.輸出比較3.內(nèi)部定時(shí)4.脈沖計(jì)數(shù)單片機(jī)常用模塊GPIOInterruptTimer串口1.波特率2.幀格式3.接收發(fā)送中斷IIC/SPI1.通訊時(shí)序圖2.通訊可靠性3.硬件

模擬模數(shù)轉(zhuǎn)換1.采樣精度2.采樣速度3.單通道多通道采樣單片機(jī)常用模塊

SCIIIC/SPI

ADCC語言重點(diǎn)是函數(shù)，數(shù)組和指針，結(jié)構(gòu)體和枚舉要求掌握，鏈表文件不做要求。>>右移運(yùn)算符比如0x66>>1=0x33<<左移運(yùn)算符比如0x66<<1=0xCC~按位取反比如~0x66=0x99!非運(yùn)算比如!10的值就是0&按位與比如0x66&0x33值就是0x22&取地址運(yùn)算符比如int*a,b=10;a=&b;|按位或

比如0x66|0x33值就是0x77^按位異或相異為1相同為0比如0x66^0x33的值就是0x55C語言簡介—需要掌握的知識.結(jié)構(gòu)體變量常用于查詢成員，比如b.c->指向結(jié)構(gòu)體指針常用此來查詢成員比如a->b其與(*a).b相互等價(jià)(括號不可去)?:三目運(yùn)算符比如a>b?a:b其意思是查詢a和b的較大值熟練掌握和運(yùn)用c語言是做軟件最最基本的要求。步驟1創(chuàng)建name.h頭文件和name.c源文件步驟2name.h里面必須加上#ifndef_NAME_H#define_NAME_H//聲明相關(guān)變量和函數(shù)#endif步驟3name.c里面必須把name.h包含進(jìn)去#include”name.h”

步驟6如果包含頭文件過多,不妨新建include.h頭文件專門包含頭文件,其他源文件想調(diào)用其他函數(shù)只需將include.h包含進(jìn)即可步驟5main.c源文件中將name.h包含進(jìn)去#include”name.h”main.c中就可以使用name.c中斷函數(shù)步驟4name.c里面主要放相關(guān)的函數(shù)和使用到的變量，name.h里面主要存放相關(guān)變量和函數(shù)的聲明C語言簡介—項(xiàng)目工程搭建方法第二部分車模類別Workreview輪胎處理12光電電磁循跡必須采用電感，電感種類不限，通過識別賽道中間鋪設(shè)通有交變電流的導(dǎo)線來識別中線，由此完成比賽，軟件算法相對簡單，硬件相對比較復(fù)雜。循跡必須采用光電傳感器，比如攝像頭，CCD，通過采集賽道兩側(cè)的邊緣，由此計(jì)算出中線，由此完成比賽，軟件算法比較復(fù)雜，硬件相對比較簡單。車模類別(傳感器)-兩大類DFCA直立車模三輪車模雙電機(jī)車模單電機(jī)車模智能車六大車模類別BE單電機(jī)車模直立車模E♂干練，沉穩(wěn)，堅(jiān)韌主要指A車和B車，他們使用動(dòng)力澎湃的RS560單電機(jī)，雖然是單電機(jī)，但性能足以碾壓雙RS380，速度提升主要依靠算法和機(jī)械，機(jī)械主要講究合理的重量分配，算法可以使用十分暴力的bangbang，貝殼的神車看一眼就感覺特別穩(wěn)重。車模性別♀靈巧，迅捷，秀氣主要指D車，E車，F(xiàn)車，這三種車模都是雙RS380電機(jī)，與動(dòng)力強(qiáng)勁的560電機(jī)相比，可以說是柔弱，其速度的提升與機(jī)械結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要講究合理，緊湊，簡單，神車給人的第一感覺就是一個(gè)字美。C車模雖然采用雙電機(jī)但兼顧了二者的優(yōu)點(diǎn)，電子差速+舵機(jī)，轉(zhuǎn)向異常靈活，可以說是所有車模跑的最快的，所以它屬于12ACDF車模BE車模輪胎處理優(yōu)先采用軟化劑，隔夜一定要涂抹軟化劑，保鮮膜包上更佳，不推薦銼刀，搓不好可能會適得其反，多跑多磨在任何時(shí)候都是提升摩擦力的最佳辦法。輪胎內(nèi)部有填充海綿，相對較軟，推薦將內(nèi)部海綿改換成其他相對較硬的路肩，填充硬度一定要把握好，跑起來小車輪胎不跳且不凹陷為佳，最后用704硅橡膠封邊處理即可。涂抹軟化劑最好用保鮮膜包上，隔夜即可感受不一樣的摩擦力。輪胎處理:第三部分傳感器Achievement調(diào)試工具傳感器傳感器模塊循跡編碼器干簧管陀螺儀通過采集一定時(shí)間編碼器返回脈沖的個(gè)數(shù)，可以測定前進(jìn)距離再除以時(shí)間即可得到速度。監(jiān)控車身姿態(tài),常見有兩種:模擬(AD)和數(shù)字(IIC)陀螺儀攝像頭或者電感,提取賽道元素，通過一定算法可求取中線,傳給mcu進(jìn)行下一步處理。磁控開關(guān)，常用于檢測起跑線標(biāo)志。采用IIC通訊協(xié)議，六軸指的是三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)，能輸出xyz軸三個(gè)角速度和xyz軸的加速度，可以監(jiān)控車身姿態(tài)識別特殊的賽道(環(huán)島)，或者作為轉(zhuǎn)向PID直立PID中的一個(gè)負(fù)反饋環(huán)節(jié)，獲取姿態(tài)角度(ROLLPITCHYAW)一般有三種方法。方法一：卡爾曼濾波，角速度進(jìn)行積分可以獲得角度，積分會存在溫飄，所以需要加速度計(jì)去校準(zhǔn)，加速度計(jì)可以測量重力加速度，其中PITCH和ROLL角度可以通過反正切函數(shù)可以求得，YAW只可以通過陀螺儀X軸積分求得，將加速度計(jì)算得的角度和陀螺儀積分求得的角度傳給卡爾曼濾波，調(diào)整好相關(guān)參數(shù)即可獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。方法二：互補(bǔ)濾波，陀螺儀算得的角度*置信系數(shù)+加速度計(jì)算得的角度*(1-置信系數(shù))，即可獲得角度，效果沒有卡爾曼濾波好，但是比較簡單。方法三：硬件濾波，mpu6050內(nèi)置DMP硬件濾波可以直接輸出四元數(shù)，對四元數(shù)進(jìn)行一定換算即可獲得十分穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，但是移植起來非常麻煩，涉及很多庫函數(shù)，目前我們學(xué)校kea128還沒有移植成功。Tips:六軸

模擬陀螺儀輸出的是電壓信號，進(jìn)行AD采集即可獲得相關(guān)軸的大小，其余算法同數(shù)字陀螺儀，模擬陀螺儀占用借口較多，但數(shù)據(jù)不易出bug，數(shù)字陀螺儀IIC通訊出錯(cuò)可能會產(chǎn)生很嚴(yán)重的bug導(dǎo)致程序卡死.六軸數(shù)字陀螺儀MPU6050陀螺儀使用介紹512數(shù)字指的是編碼器齒輪旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器脈沖引腳輸出512個(gè)等幅高低脈沖，恩智浦單片機(jī)定時(shí)器一般都具有脈沖累加功能，配置相關(guān)寄存器，采集一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，可以算得編碼器旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，編碼器齒輪的齒數(shù)反比上電機(jī)齒輪的齒數(shù)即可求得電機(jī)齒輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，電機(jī)齒輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)*車輪輪胎面到齒輪圓心的豎直距離*2π即可求得小車前進(jìn)的距離，距離再除以時(shí)間就可得到速度，旋轉(zhuǎn)方向可以使用GPIO口來讀取，但要注意得到的速度要再乘以方向系數(shù)，前進(jìn)為1后退為-1,。F車速度公式V=index*count*207/(1175*time)index:表示旋轉(zhuǎn)方向，count表示單位時(shí)間獲取的脈沖個(gè)數(shù)，time表示時(shí)間單位s,輸出的速度單位為cm/s。

編碼器的速度曲線一般都比較平滑，濾波處理比較簡單，使用梯度濾波和滑動(dòng)平均濾波就可以最大限度的降低編碼器曲線上的噪點(diǎn)。如果車身速度很快(2.5以上)，過彎時(shí)會產(chǎn)跳輪的現(xiàn)象，編碼器數(shù)據(jù)已不能正確反映車身速度，影響過彎速度，此時(shí)需改進(jìn)濾波算法。512線mini增量編碼器編碼器使用介紹電感是電磁車的眼睛，賽道中漆包線流過的微弱的電流與電感產(chǎn)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)過運(yùn)放放大，最后傳給單片機(jī)的AD采集口，即可獲取賽道信息，電感水平左右放置，漆包線與電感垂直的時(shí)候產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大，在賽道上從左至右移動(dòng)電感，電感上面感應(yīng)電流應(yīng)該是先逐漸變大，再逐漸變小，所以最簡單中線提取算法是差比和，即中線偏移的距離=(左電感-右電感)/(左電感+右電感)*增益。感應(yīng)電流輸出的曲線平滑程度跟運(yùn)放有很大關(guān)系，運(yùn)放一般采用OPA2350運(yùn)放，數(shù)據(jù)波動(dòng)在個(gè)位數(shù)字，只需簡單的滑動(dòng)平均濾波。電感安裝時(shí)要注意相鄰兩個(gè)電感切忌安裝過近，至少要有兩厘米的距離，否則會產(chǎn)生互感現(xiàn)象，具體現(xiàn)象就是過十字的時(shí)候車身會產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重的會導(dǎo)致十字直接沖出賽道。平時(shí)調(diào)車的導(dǎo)線留過的電流與比賽時(shí)不同，比賽時(shí)如果不采取相關(guān)措施，可能會產(chǎn)生很多誤判導(dǎo)致無法完成比賽，我們有兩種解決辦法，第一種是調(diào)節(jié)運(yùn)放上面電位器，減小或者增加放大倍數(shù)，第二種是使用歸一化算法，歸一化就是將感應(yīng)電流采集的最大值對應(yīng)歸一化中的1，最小值對應(yīng)0，其余均按照value=(value-min)/(max-min)這種思路來換算，在賽場上只需采集最大和最小電流即可。Tips:精密電感如果有條件建議使用，尤其是采集中線和識別特殊元素的電感，需要保持電感感抗相互對稱。電感電感使用介紹干簧管有兩種塑封和玻封，一般安裝與電磁車底盤下方，用來識別起跑線，起跑線下方有紐扣大小的磁鐵，經(jīng)過后會使干簧管吸合，吸合后連接單片機(jī)引腳上的電平產(chǎn)生變化，即可據(jù)此判斷出起跑線。單片機(jī)識別干簧管的電平方式一般有兩種，第一種是采用外部中斷，配置相關(guān)寄存器設(shè)置為上升(下降)沿和高(低)電平觸發(fā)即可，這種方式好處是特別靈敏，基本不存在漏判，但有時(shí)候會誤判。第二種采用GPIO口讀取，讀取到高(低)電平即可，這種方式優(yōu)點(diǎn)是不會誤判，但會漏判，所以需要在IO口上并很多干簧管去檢測。干簧管一般采用塑封，不容易損壞，且可靠，引腳兩端使用時(shí)要并上104電容進(jìn)行簡單的硬件濾波。干簧管干簧管簡單介紹NRF24L01:一般稱作2.4G，采用SPI通訊，傳輸速度很快，切采用2.4Ghz無線技術(shù)，通信距離較遠(yuǎn)，但協(xié)議比較復(fù)雜，占用IO口比較多，調(diào)試起來相對麻煩，對新手不是很友好,且通信不是很穩(wěn)定，易斷線。藍(lán)牙：采用串口通訊，通訊可靠，使用簡單，但傳輸距離較短，且通信波特率不可設(shè)置過高，導(dǎo)致其傳輸速度較慢。1.藍(lán)牙2.NRF24L01調(diào)試模塊--通訊模塊其他通訊調(diào)試工具：串口WIFI無線串口SD卡模塊紅外遙控：紅外接收頭接收到遙控器發(fā)送的信息，產(chǎn)生一定的PPM信號，單片機(jī)通過輸入捕捉引腳進(jìn)行解碼即可，主要用于調(diào)整參數(shù)，避免平時(shí)調(diào)試時(shí)小車

失控沖出賽道到處亂撞。蜂鳴器：分有源和無源，用IO或PWM來做驅(qū)動(dòng)信號主要用來進(jìn)行程序算法檢測，和一些操作的提醒，比如按鍵按下或者程序執(zhí)行產(chǎn)生響聲。LED：用法同蜂鳴器，但一般在程序框架剛剛搭建時(shí)使用，尋找程序框架中隱藏的bugOLED：一般使用SPI來點(diǎn)亮屏幕上面的亮點(diǎn)，據(jù)此可以顯示不同的參數(shù)和程序的運(yùn)行狀態(tài)，五向開關(guān)主要負(fù)責(zé)快速設(shè)置相關(guān)參數(shù)，二者相互配合便于進(jìn)行人車交互，缺點(diǎn)是相關(guān)算法比較龐大，內(nèi)存占用較多.1.OLED顯示屏+按鍵/撥碼開關(guān)2.紅外+蜂鳴器+LED調(diào)試模塊—人機(jī)操作界面+++STEP2STEP1STEP3將outputdata.h和outputdata.c添加進(jìn)工程添加庫文件更改OutPut_Data()函數(shù)中的發(fā)送一個(gè)字節(jié)的函數(shù)，將其改為自己單片機(jī)中能發(fā)送一個(gè)字節(jié)函數(shù)。更改相關(guān)函數(shù)在main函數(shù)中，調(diào)用OutData[0]=a;OutData[1]=b;OutData[2]=c;OutData[3]=d;OutPut_Data();abcd表示你想要發(fā)送的變量，完成即可在軟件中看到波形。調(diào)用函數(shù)串口示波器—VisualScope使用說明Tips:如果使用串口示波器，單片機(jī)中不能同時(shí)發(fā)送其他跟串口示波器無關(guān)數(shù)據(jù)，否則顯示不出來圖像。第四部分程序流程圖ArithmeticAnalysis真實(shí)程序框架流程圖程序程序框架說明第五部分自動(dòng)控制簡介典型案例PIDPID介紹串級pid模糊PID自動(dòng)控制方式簡介

開環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）只受控于控制作用，而對控制作用不能反施任何影響的控制方式。采用開環(huán)控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：對擾動(dòng)沒有抑制能力，控制精度低

開環(huán)控制自動(dòng)控制方式簡介·閉環(huán)控制閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）與控制作用之間存在著負(fù)反饋的控制方式。采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制是一切生物控制自身運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)補(bǔ)償由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾所引起的系統(tǒng)誤差（偏差）的能力，因而有效地提高了系統(tǒng)的精度。缺點(diǎn)：系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)適當(dāng)選擇，否則可能不能正常工作。PID介紹

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值r（t）與輸出值c（t）進(jìn)行比較構(gòu)成控制偏差e（t）＝r（t）－c（t）

將其按比例、積分、微分運(yùn)算后，并通過線性組合構(gòu)成控制量，如圖所示，所以簡稱為P（比例）、I（積分）、D（微分）調(diào)節(jié)器。

位置式pid可表示為u(t)=kp*e(t)+ki*∫e(t)+kd*de(t)/dt

增量式pid可表示為Δu(t)=kp*(e(t)-e(t-1))+ki*e(t)+kd*(e(t)-2*e(t-1)+e(t-2))模擬PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)框圖010203按比例反映系統(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。比例調(diào)節(jié)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，直至無誤差，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(dòng)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Pl調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。積分調(diào)節(jié)能反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏帶變化的趨勢，因此具有超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系線的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，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。微分調(diào)節(jié)PID介紹020103影響小車咬合中線的能力。不論是電磁還是攝像頭，轉(zhuǎn)向環(huán)都是智能車的核心閉環(huán)，所以調(diào)好轉(zhuǎn)向環(huán)特別有必要，好的轉(zhuǎn)向環(huán)不論是大S還是小S咬中線能力都很強(qiáng)，且不失速，也不超調(diào)，給人一種柔中帶剛的感覺。轉(zhuǎn)向閉環(huán)使小車的速度維持到一個(gè)恒定的值，有增量式和位置式兩種。發(fā)車時(shí)，速度環(huán)不應(yīng)該有很大過沖，過彎時(shí)，速度環(huán)要及時(shí)補(bǔ)償上去，不然會失速，出彎入直時(shí)，速度環(huán)也不應(yīng)該產(chǎn)生很大過沖速度閉環(huán)兩輪直立車中所獨(dú)有的閉環(huán)，使直立車站立起來的閉環(huán)。直立環(huán)不可調(diào)節(jié)過硬也不可調(diào)節(jié)過軟，不同參數(shù)的直立環(huán)對其他閉環(huán)會產(chǎn)生不同的影響，推薦采用串級方案。直立環(huán)智能車中的閉環(huán)(單回路)串級PID介紹(雙回路)串級控制系統(tǒng)：就是由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)執(zhí)行閥，實(shí)現(xiàn)定值控制的控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)中常見的名詞術(shù)語：主、副變量，主、副控制器（調(diào)節(jié)器），主、副對象，主、副檢測變送器，主、副回路。內(nèi)環(huán)角速度+外環(huán)偏差，偏差經(jīng)過外環(huán)pid運(yùn)算后，輸出傳給內(nèi)環(huán)進(jìn)行差速pid計(jì)算，外環(huán)一般采用pi，內(nèi)環(huán)使用pid(多多嘗試)。1.智能車轉(zhuǎn)向環(huán)外環(huán)速度環(huán)+內(nèi)環(huán)直立環(huán)，外環(huán)速度環(huán)計(jì)算輸出的值傳給內(nèi)環(huán)疊加在直立環(huán)的角度上面，可以解決單回路速度環(huán)與直立環(huán)的矛盾問題。2.直立車直立環(huán)外環(huán)角度+內(nèi)環(huán)角速度，角度偏差經(jīng)外環(huán)運(yùn)算，傳給內(nèi)環(huán)計(jì)算，輸出值經(jīng)過處理傳給兩個(gè)電機(jī)，另外