嵌入式面試—專案篇（二）全國大學生智能汽車競賽（團隊專案）

?2019.3一2019.7 基于MK60DN512ZVLQ10 的室外自動尋跡智能越野車（集體專案）

? 2020.3一2020.7 基于NXP i.MX RT1064的電磁AI尋跡智能小車（集體專案）

軟體環境：

keil5 IDE、Altium Designer 17

硬體環境：

NXP MK60DN512ZVLQ10 MCU（2019）、NXP i.MX RT1064 MCU（2020）

專案描述：

此專案為第十四屆、第十五屆全國大學生恩智浦杯智能汽車競賽室外越野競速專案，依照組委會公布的比賽規則，我們運用了上述的技術點，克服賽道中的坡道、橫斷路障等元素實作了小車沿賽道的自動尋跡，分別榮獲西部賽區二等獎、華南賽區二等獎，

運用的技術點：

1.PID控制演算法： 小車方向控制采用位置式PD控制，速度控制采用雙反饋增量式PID控制，
2.濾波演算法： 冒泡排序-中位均值濾波、限幅濾波，
3.MCU模塊： FTM、PIT中斷、I/O、外部中斷、模擬SPI、UART、KBI中斷、ADC，
4.路徑識別模塊： LC并聯諧振選頻放大檢波電路、MCU ADC轉換、HC-SR04超聲波測距，
5.測速模塊： 512線編碼器、MCU正交解碼，
6.人機互動界面： 按鍵中斷、OLED顯示屏、MCU模擬SPI驅動顯示，
7.電機驅動模塊： HIP4082+LR7843 4MOS管H橋電機驅動電路、MCU FTM產生PWM波，
8、AI機器學習： 方向控制采用訓練好的模型進行控制（2020）

個人職責：

第十四屆（2019年）擔任車隊硬體負責人，主要負責硬體電路設計，主要有電機H橋驅動電路，電磁信號采集電路、核心中控電路，同時負責專案MCU、傳感器選型，
第十五屆（2020年）擔任校智能車隊總負責人，與組員、其他隊伍一起開發小車的軟體和硬體，統籌專案進度與計劃；主要負責小車軟硬體的架構設計，

講述：專案的硬體核心處理器NXP MK60DN512ZVLQ10 MCU（2019）、NXP i.MX RT1064 MCU（2020）

選這款芯片的原因是內置的UART、SPI、ADC都十分符合我們的需求，我們最重要的ADC采集部分用了10路， FTM模塊用了5個（2個電機、2個編碼器、1個舵機）、OLED使用SPI，硬體部分：電機H橋驅動電路，電磁信號采集電路、核心中控電路，

功能：
克服賽道中的坡道、環島、橫斷路障、十字路口等元素實作了小車沿賽道的自動尋跡，各個學校相同賽道完成，比速度（2.1米/秒，16/50，2.7米/秒、17/50）

技術點說明：
軟體部分：
1.PID控制演算法：
P比例環節:及時成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差，

I積分環節:主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強，

D微分環節:能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在該偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間，

在計算機控制系統中，數字 PID 控制演算法通常又分為位置式 PID 和增量式 PID，
小車方向控制采用位置式PD控制，速度控制采用雙反饋增量式PID控制，
輸出量 =P誤差+I誤差的積分+D*誤差的變化

4.3.1位置式PID
位置式PID中，由于計算機輸出的u(k)直接去控制執行機構(如閥門)，
位置式PID控制演算法的缺點是:由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對過去e(k)進行累加，計算機作業量大;

PID控制：DUTY+Kperror+Ki error_integral+Kd*(current_error-last_error)
PD控制：DUTY+Kperror+Kd(current_error-last_error)

PD控制
1） 若偏差正在減小的程序， PD控制的量要比純比例
控制量小一些，這樣能夠避免過度控制
2） 若偏差在逐漸增加的程序， PD所要施加的量比純
比例要多一些，目的是為了抑制誤差增大的趨勢，
所以 D 這一項有一些預測控制的味道 ，相比 P 而言要更智能一些

4.3.2增量式PID
當執行機構需要的是控制量的增量(例如:驅動步進電機)時，增量的PID控制算式：

最后選用的采樣周期為 20ms，即每 20ms 對電機
進行一次 PID 調節，

增量型演算法與位置型演算法相比，具有以下優點：增量型演算法不需要做累加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關，計算精度對控制量的計算影響較小，而位置型演算法要用到過去偏差的累加值，容易產生大的累加誤差；增量型演算法得出的是控制量的增量，而位置型演算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大；采用增量型演算法，易于實作手動到自動的無沖擊切換

2.濾波演算法： 冒泡排序-中位均值濾波、限幅濾波，
單片機會連續對每個電感采集5次，使用冒泡法將資料從小到大排序后，去掉最大值和最小值，取平均值作為該次采集的數值，經測驗，該濾波效果較好，可以濾掉部分高頻噪聲，獲得的電感值穩定，獲得電感值后，對當前采集到的值進行歸一化處理，歸一化的基本思想是：取得當前采集值（ADget）相對于當前賽道的最大值（ADMAX）、最小值（ADMIN）的相對大小，具體公式為:

歸一化之后，通過對多個方向的電感值融合，獲得作為PID輸入的偏差，

3.MCU模塊： FTM、PIT中斷、I/O、外部中斷、模擬SPI、UART、ADC，
FTM全稱FlexTimer Module (柔性定時器模塊)
FTM模塊的核心是一個16位計數器，該計數器的時鐘來源可設定（系統時鐘（一般選擇）、外部時鐘）
作為一個高級單片機里的定時器模塊，FTM模塊具有多種功能供用戶使用，例如輸入捕獲，輸出比較，PWM比較，PWM輸出，AB相正交解碼等等
通過配置暫存器，單個FTM模塊的不同通道可以作業在不同模式下，
單個模塊下各個通道間PWM頻率必須相同，可以有不同的占空比，（原因是配置頻率的暫存器每個模塊只有一個，配置占空比的寄存處每個通道就有一個）（智能車比賽中舵機一般均為50Hz，電機一般5~20 KHz不等）

4.路徑識別模塊： LC并聯諧振選頻放大檢波電路、MCU ADC轉換、HC-SR04超聲波測距，

5.測速模塊： 512線編碼器、MCU正交解碼，
采用增量式512線光電編碼器，其供電電壓為3.3V或5V，輸出為小幅值的正弦信號，為了將此信號放大整形，設計了信號調理電路，其基本原理是使用一個運放做成比較器電路，調節參考電壓，使輸出變為0V-3.3V的方波信號，送入單片機進行運算，
兩相輸出的增量型旋轉編碼器，這種編碼器輸出A、B兩相脈沖，這兩組脈沖不僅能夠表示轉速，還能表示方向，如圖所示，A相和B相脈沖數均表示轉數，但當A相信號相位超前時，表示正轉；B相信號相位超前時，表示反轉：

編碼器輸出的兩相脈沖需要靠單片機進行解碼才能讀取轉速資訊，FTM模塊就提供了正交解碼這種作業模式，通過這種模式，它可以將輸入的A、B兩相脈沖解碼后得到計數值，進而我們就可以獲得轉速資訊進行倍訓控制，

正交解碼模式下可以通過 暫存器進行相關功能的配置，在該模式下有計數/方向編碼模式和 AB相編碼模式，
計數/方向編碼模式：B相輸入值用于指示計數方向，A相輸入用于計數，FTM計數器在A相輸入的每個上升沿進行計數，累加或遞減由B相電平決定，
AB相編碼模式：計數方向由AB相之間的關系決定，計數頻率由A相B相輸入信號決定，當A相或B相的信號出現跳變，即可觸發FTM計數器改變，
6.人機互動界面： 按鍵中斷、OLED顯示屏、MCU模擬SPI驅動顯示，

7.電機驅動模塊： HIP4082+LR7843 4MOS管H橋電機驅動電路、MCU FTM產生PWM波，

8、AI機器學習： 方向控制采用訓練好的模型進行控制（2020）
硬體部分：
伺服電機為S3010舵機，6V電壓時扭力可達6.5kg·cm，動作速度快

電源部分：
由于電路中的不同電路模塊所需要的作業電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應該包含多個穩壓電路，將充電電池電壓轉換成各個模塊所需要的電壓，
為滿足需要，本車模上存在4種供電電壓：
(1) 智能車使用鋰電池供電，選擇帶均衡功能的保護板可以同時給兩節電池充電，正常使用時電壓在7.4～8.4V，可直接用于電機供電，
(2) 使用穩壓芯片tps76850 輸出電壓5V，用于rt1064、隔離芯片、運放、霍爾元件、編碼器等供電，
(3) 使用穩壓芯片tps76833 輸出電壓3.3V，用于OLED、蜂鳴器、按鍵、等供電，
(4) 使用升壓芯片bo512輸出電壓12V，用于全橋驅動器HIP4082的供電，
(5) 使用開關穩壓芯片AS1015輸出5.95V電壓給舵機供電，用電池直接供電容易啥訓舵機，AS1015具有防止電流反灌功能有效提高舵機使用壽命，

電機驅動電路：
ir7843光耦隔離、數字芯片隔離

我主要負責的作業是資料的采集，采集資料分為三個，第一：跑的穩定的最快速度
比賽規模：
全國大學生A類競賽，舉辦了15年，每年大約1萬人參賽，2000多個隊伍

電磁運放電路：
采用簡單的同向比例放大電路，電位器可用來調節放大倍數，通過對電磁信號進行放大和檢波處理和可以直接供單片機的AD口讀取，運放芯片使用性價比較高的OPA4377來以滿足20kHz的電感采集需求，

除錯能力的說明：
專案在除錯的程序，用的是串口除錯助手，keil自帶的除錯、藍牙、OLED屏等等，通過設定標志位、單片機發送出來的資料來進行專案除錯，硬體部分則是通過仿真、示波器、萬用表來進行除錯，
除錯通常是分模塊來進行，同時使用一些變數模擬，當功能都調通以后，再接入模塊來做硬體相關的效果測驗，
在除錯PID引數時，通常使用虛擬示波器，將電機的輸出引數列印到電腦，
專案初期，代碼寫的比較亂，因為模塊比較多，控制的硬體也多，導致專案的代碼結構很差，容易出問題，后來對專案進行模塊化的封裝，

結尾
通過這個專案，我的識訓是軟體代碼如何對硬體完成控制，幾個電路的設計，對單片機的IO口，串口，定時器等基本開發很熟悉了，同時對專案的代碼除錯能力得到強化，整個代碼量達到1000多行，代碼結構很清晰，C語言編程能力得到很大的提升，