?智能車(chē)構(gòu)成和原理（硬件篇）

前言：作為一名老三本玩家，筆者深知一些同學(xué)剛接觸這個(gè)比賽的那種無(wú)從下手的感覺(jué)，寫(xiě)這篇文章主要是分享一下自己對(duì)車(chē)的理解，同時(shí)也希望大家能真正的去深入理解小車(chē)的整個(gè)系統(tǒng)，理解小車(chē)的構(gòu)成和原理，而不是人人唾棄的“調(diào)參比賽”。

水平有限，僅供參考，也歡迎大佬們參與交流。

初識(shí)小車(chē)

不知道大家是什么時(shí)候開(kāi)始知道有小車(chē)這個(gè)東西的，筆者第一次看見(jiàn)小車(chē)是學(xué)校協(xié)會(huì)招新展示的作品，后來(lái)加入實(shí)驗(yàn)室慢慢開(kāi)始了解到了這個(gè)比賽。

關(guān)于比賽的介紹，我在此不做贅述，有需要了解去查看卓大公眾號(hào)的規(guī)則和介紹。這里主要說(shuō)一下小車(chē)的組成。

參賽小車(chē)包含車(chē)模、硬件系統(tǒng)以及軟件算法三大部分，其中車(chē)模和硬件在比賽前期工作量比較大，而軟件部分的調(diào)試工作會(huì)一直持續(xù)到賽前。

所以三人小隊(duì)一般的分配是一個(gè)主要負(fù)責(zé)硬件，一個(gè)主要負(fù)責(zé)整體控制方案和小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整與控制部分軟件的搭建，另外一個(gè)人主要負(fù)責(zé)整車(chē)的算法，這是筆者參賽時(shí)的分配方案，參賽全程離不開(kāi)組員的密切配合，缺一不可。

車(chē)?？梢岳斫馐切≤?chē)的四肢和身體，這個(gè)小車(chē)都是在車(chē)模的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建；由于組別的不同，車(chē)模的規(guī)定存在差異，根據(jù)細(xì)則要求進(jìn)行選購(gòu)即可，關(guān)于車(chē)模的介紹和規(guī)定每年的比賽規(guī)則有詳細(xì)介紹，可以去智能車(chē)官網(wǎng)查看。

硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是小車(chē)的脊柱，把身體各個(gè)部分聯(lián)系起來(lái)形成一個(gè)整體；比賽要求是所有的硬件系統(tǒng)要按規(guī)則自制PCB，一個(gè)小車(chē)的硬件系統(tǒng)主要包括電源系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、MCU最小系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.電源系統(tǒng)

小車(chē)采用電池供電，一般的方案是兩節(jié)18650或者是專(zhuān)用的鎳鉻電池，電壓范圍都大致在6V-8V，而小車(chē)所使用的各傳感器種類(lèi)較多，供電電壓也不一致，大多數(shù)是12V、6V、5V、3.3V的電壓

所以需要我們?cè)O(shè)計(jì)并制作一個(gè)電源系統(tǒng)來(lái)為整個(gè)小車(chē)提供良好的電源。需要使用模電和電力電子的知識(shí)，這個(gè)系統(tǒng)中我們會(huì)使用到開(kāi)關(guān)電源和線性電源這兩大類(lèi)電源方案。

線性電源

可以理解為在原有電源兩端加負(fù)載，通過(guò)匹配負(fù)載比來(lái)輸出目標(biāo)電壓，它的好處在于能夠提供穩(wěn)定純凈的電源；但是由于此方案獲取電壓采用負(fù)載消耗的方式，工作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的熱損耗，轉(zhuǎn)換效率較低，降壓管自身發(fā)熱嚴(yán)重。

開(kāi)關(guān)電源

顧名思義，主要是通過(guò)控制可控開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間配合降壓斬波電路（Buck電路）和升壓斬波電路（Boost電路）實(shí)現(xiàn)升壓降壓；

集成芯片一般會(huì)存在一個(gè)反饋端口，用來(lái)形成閉環(huán)控制從而保證輸出電壓的穩(wěn)定；采用可控開(kāi)關(guān)的方案能大大提高轉(zhuǎn)換效率，但是會(huì)使得輸出電壓產(chǎn)生紋波，對(duì)電源要求比較高的電路就不能采取此方案。

電源可以參考市面上常見(jiàn)的方案，但是希望大家能去弄懂電源的類(lèi)型、器件選型以及元器件的參數(shù)設(shè)置原理，結(jié)合自己的模電計(jì)算一下。

這里推薦大家去看看B站唐老師講電賽的電源大師和運(yùn)放大師，結(jié)合實(shí)例講解了很多的電路和模電知識(shí)，真正的把知識(shí)點(diǎn)搬到了實(shí)際生活中。

2.人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是為了方便進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、查看以及特殊元素的識(shí)別判斷，多會(huì)采用顯示屏、按鍵、蜂鳴器；顯示屏比較流行的有0.96寸OLED、1.8TFT、2.0的并口屏還有一種比較方便開(kāi)發(fā)的串口屏；

通信協(xié)議方面大多是I2C和SPI，SPI協(xié)議的屏幕，其速度會(huì)更快一些（I2C協(xié)議v2.1規(guī)定了100K，400K和3.4M三種速率(bps)，而SPI并沒(méi)有一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，有的器件SPI可以達(dá)到50Mbps）。

而串口屏有很好的UI控件，更適合電賽，操作方便簡(jiǎn)潔，不需要為界面設(shè)計(jì)費(fèi)神，想要了解的同學(xué)可以參考陶晶馳串口屏。

按鍵可以選取五方向按鍵，蜂鳴器可以使用有源蜂鳴器，降低程序設(shè)計(jì)難度。

3.MCU最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)的選擇是根據(jù)自己組別而定，不同組別的最小系統(tǒng)有所區(qū)別，十五屆以后越來(lái)越多的處理器廠商加入賽事，有了TC264、TC364、RT1064、STC16、MM32、ch32等多種處理器。

而這些處理器的最小系統(tǒng)的最基礎(chǔ)三要素還是：電源、晶振、復(fù)位。最小系統(tǒng)可以直接購(gòu)買(mǎi)核心板成品使用，但需要了解其電路構(gòu)成，方便排查問(wèn)題，有能力的最好自制。

4.傳感器系統(tǒng)

對(duì)于不同組而言，傳感器會(huì)存在一定差異，但是傳感器都是大同小異的，常用的是攝像頭、電感、編碼器。

就十七屆而言，四輪分為了電磁四輪和攝像頭四輪組，其中攝像頭組賽道上沒(méi)有電磁線，也就意味著無(wú)法使用電感輔助；而電磁四輪有要求使用宏晶的處理器。

目前的STC系列還不足以驅(qū)動(dòng)攝像頭，也就意味著電磁組無(wú)法使用攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)庫(kù)等一些元素的識(shí)別需要加入干簧管之類(lèi)的輔助器件實(shí)現(xiàn)停車(chē)；

而像平衡信標(biāo)組，就需要有陀螺儀來(lái)實(shí)現(xiàn)直立環(huán)，獲取車(chē)身角度；對(duì)于多車(chē)編隊(duì)，還需要使用到類(lèi)似超聲波等的一些模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)跟隨。

攝像頭

現(xiàn)在常用的攝像頭就是龍邱科技的神眼和逐飛科技的總鉆風(fēng)，這兩款攝像頭都是灰度攝像頭，所以在屏幕上顯示時(shí)看見(jiàn)的圖像和黑白電視一樣。

但需要注意這里的黑白并不是真正意義上的非黑即白，而是把黑到白分成了255個(gè)層次。通過(guò)配置攝像頭的內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)攝像頭的初始化，讓攝像頭每幀圖像的分辨率保持188×120；

采集完成后通過(guò)八位數(shù)據(jù)并口、行中斷與場(chǎng)中斷（兩款攝像頭引腳定義如下圖）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將圖像信息傳輸給單片機(jī)。

攝像頭的采集流程如下：

1.攝像頭在初始化參數(shù)后，開(kāi)始采集；

2.采集到一幀圖像時(shí)（假設(shè)一幀圖像為：188×120）會(huì)發(fā)送一個(gè)場(chǎng)中斷，告訴主控已經(jīng)采集完一幀圖像，隨后場(chǎng)中斷復(fù)位；

3.在場(chǎng)中斷產(chǎn)生后會(huì)有188×120個(gè)行中斷產(chǎn)生，每一個(gè)行中斷個(gè)被主控捕獲后主控都會(huì)收集8位數(shù)據(jù)口輸出的電平(0000 0000~1111 1111)進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)位置的數(shù)據(jù)（0-255）如此重復(fù)，每一個(gè)場(chǎng)中斷后都會(huì)傳輸188*120個(gè)數(shù)據(jù);

4.主控根據(jù)行中斷依次獲取這些數(shù)據(jù)就可以得到圖像原始數(shù)據(jù)，為了節(jié)約單片CPU的資源往往會(huì)采用DMA搬運(yùn)直接把這些數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)存。

8位數(shù)據(jù)口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)范圍剛好是0000 0000~1111 1111即0-255，對(duì)應(yīng)剛好是灰度攝像頭的色彩范圍（0為全黑，255為全白）。

電感

電感采用工字電感，主要是利用電磁感應(yīng)原理，利用電感采集信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電磁信號(hào)。

賽道規(guī)定信號(hào)為f=20Khz,i=100ma的交變電流 ，為了能夠保證采集的信號(hào)就是信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，需要設(shè)計(jì)選頻電路。

利用LC組合形成諧振回路一般采用10mH工字電感和6.8nf匹配電容。

計(jì)算公式與結(jié)果結(jié)果如下：

電感采集原理：此處以左右兩電感為例，在高度固定后，如下圖左邊所示，可以發(fā)現(xiàn)垂直于電磁線的諧振電路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

隨著電感與電磁線的垂直距離的變化而變化，距離越近感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值越大；距離越遠(yuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越小，這樣通過(guò)左右兩個(gè)電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就可以推斷出小車(chē)目前的狀態(tài)。

如右邊圖1所示，當(dāng)小車(chē)位于賽道中央的時(shí)候，左右兩個(gè)電感的值相等，此時(shí)沒(méi)有偏差，對(duì)應(yīng)直道，舵機(jī)位于正中間；

如右邊圖2所示，當(dāng)小車(chē)偏左，此時(shí)左電感遠(yuǎn)離信號(hào)線，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小，而右電感更接近信號(hào)線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也越大，此時(shí)會(huì)左右電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)一個(gè)偏差，我們需要根據(jù)這個(gè)偏差來(lái)控制舵機(jī)打角，進(jìn)而控制小車(chē)姿態(tài)；

如右邊圖3所示，當(dāng)小車(chē)偏右，此時(shí)與圖2相反，右電感遠(yuǎn)離信號(hào)線，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，而左電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大，此時(shí)左右電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也存在偏差，只不過(guò)與圖二所示情況的偏差方向不同了，同理也可以利用這個(gè)差值來(lái)控制小車(chē)姿態(tài)調(diào)整。

由于這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，只有mV級(jí)，且是交流信號(hào)，直接使用單片機(jī)的ADC采集不現(xiàn)實(shí)。

所以就需要在諧振電路后加入運(yùn)放模塊實(shí)現(xiàn)一定比例的前級(jí)放大以及檢波處理得到峰值電壓，而后通過(guò)單片機(jī)ADC進(jìn)行采集處理計(jì)算偏差，此處參考龍邱科技的運(yùn)放模塊講解。

通過(guò)獲取左右電感的電動(dòng)勢(shì)控制小車(chē)進(jìn)行調(diào)整姿態(tài)。詳細(xì)講解參考逐飛科技的電磁四輪車(chē)講解

編碼器

其作用就是用來(lái)獲取小車(chē)的速度，工作時(shí)隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)規(guī)律的產(chǎn)生脈沖，單片機(jī)通過(guò)捕獲上升沿或者下降沿個(gè)數(shù)來(lái)讀取脈沖數(shù)進(jìn)而可以獲取車(chē)速。

這里的512線編碼器和1024線編碼器就是指編碼器旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)，有了脈沖數(shù)就可以運(yùn)用常見(jiàn)的T法測(cè)速或者M法測(cè)速得到小車(chē)的速度。（T法M法可以參考電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的講解。）

帶方向的是指編碼器的兩個(gè)輸出口，一個(gè)腳是輸出的是脈沖，另外一個(gè)輸出是根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向輸出的高低電平（假設(shè)正轉(zhuǎn)輸出1，則反轉(zhuǎn)輸出0，筆者自定義正反）；主控可以通過(guò)獲取高低電平來(lái)判斷速度方向。

正交解碼的編碼器指的是這種編碼器兩個(gè)輸出腳都是輸出脈沖，只是A、B兩組脈沖根據(jù)相位不同來(lái)定義速度方向，假設(shè)A相超前B相就是正方向；那么B相超前A相就是反方向。

5.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)主要講解電機(jī)驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)留到后面控制部分再做介紹。電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要采用的方式H橋驅(qū)動(dòng)，主要原理和前面提到的開(kāi)關(guān)電源差不多，也是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)供電電壓的改變進(jìn)而控制電機(jī)速度。

如上圖所示

當(dāng)A管和D管導(dǎo)通，B管和C管斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)是正轉(zhuǎn)；假設(shè)A管一直導(dǎo)通，則只需要通過(guò)控制D管的導(dǎo)通速度就可以改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這就是單極性控制方式，而雙極性控制是指同時(shí)控制A管和D管的導(dǎo)通，進(jìn)而控制電機(jī)速度。

當(dāng)B管和C管導(dǎo)通，A管和D管斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)是反轉(zhuǎn)；同理單極性控制是指A管或者D管一直導(dǎo)通，通過(guò)控制另外一個(gè)管子開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)的速度。而雙極性控制是指同時(shí)控制兩個(gè)管子的開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)的速度。

常見(jiàn)的H橋驅(qū)動(dòng)方式還有BTN、IR2104加Mos管或者是HIP4082加MOS

機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是前輪的傾角調(diào)節(jié)，關(guān)于小車(chē)的硬件搭建就介紹到這里，如有錯(cuò)誤歡迎大家批評(píng)指正，也歡迎大家交流討論。

如果文章對(duì)你的比賽有所幫助，而且賽后對(duì)此文還有印象，筆者在評(píng)論區(qū)等待你們的分享。

編輯：黃飛

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