電子發燒友App
前言：作為一名老三本玩家，筆者深知一些同學剛接觸這個比賽的那種無從下手的感覺，寫這篇文章主要是分享一下自己對車的理解，同時也希望大家能真正的去深入理解小車的整個系統，理解小車的構成和原理，而不是人人唾棄的“調參比賽”。
水平有限，僅供參考，也歡迎大佬們參與交流。
初識小車
不知道大家是什么時候開始知道有小車這個東西的，筆者第一次看見小車是學校協會招新展示的作品，后來加入實驗室慢慢開始了解到了這個比賽。
關于比賽的介紹，我在此不做贅述，有需要了解去查看卓大公眾號的規則和介紹。這里主要說一下小車的組成。
參賽小車包含車模、硬件系統以及軟件算法三大部分，其中車模和硬件在比賽前期工作量比較大，而軟件部分的調試工作會一直持續到賽前。
所以三人小隊一般的分配是一個主要負責硬件，一個主要負責整體控制方案和小車機械結構調整與控制部分軟件的搭建，另外一個人主要負責整車的算法，這是筆者參賽時的分配方案，參賽全程離不開組員的密切配合，缺一不可。
車模可以理解是小車的四肢和身體，這個小車都是在車模的基礎上進行搭建；由于組別的不同，車模的規定存在差異，根據細則要求進行選購即可，關于車模的介紹和規定每年的比賽規則有詳細介紹，可以去智能車官網查看。
硬件系統
硬件系統是小車的脊柱，把身體各個部分聯系起來形成一個整體；比賽要求是所有的硬件系統要按規則自制PCB，一個小車的硬件系統主要包括電源系統、人機交互系統、MCU最小系統、傳感器系統、驅動系統。
1.電源系統
小車采用電池供電，一般的方案是兩節18650或者是專用的鎳鉻電池，電壓范圍都大致在6V-8V，而小車所使用的各傳感器種類較多，供電電壓也不一致，大多數是12V、6V、5V、3.3V的電壓
所以需要我們設計并制作一個電源系統來為整個小車提供良好的電源。需要使用模電和電力電子的知識，這個系統中我們會使用到開關電源和線性電源這兩大類電源方案。
線性電源
可以理解為在原有電源兩端加負載，通過匹配負載比來輸出目標電壓，它的好處在于能夠提供穩定純凈的電源；但是由于此方案獲取電壓采用負載消耗的方式，工作過程會產生很大的熱損耗，轉換效率較低，降壓管自身發熱嚴重。
開關電源
顧名思義，主要是通過控制可控開關的開關時間配合降壓斬波電路（Buck電路）和升壓斬波電路（Boost電路）實現升壓降壓；
集成芯片一般會存在一個反饋端口，用來形成閉環控制從而保證輸出電壓的穩定；采用可控開關的方案能大大提高轉換效率，但是會使得輸出電壓產生紋波，對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的方案，但是希望大家能去弄懂電源的類型、器件選型以及元器件的參數設置原理，結合自己的模電計算一下。
這里推薦大家去看看B站唐老師講電賽的電源大師和運放大師，結合實例講解了很多的電路和模電知識，真正的把知識點搬到了實際生活中。
2.人機交互系統
人機交互系統是為了方便進行參數的設定、查看以及特殊元素的識別判斷，多會采用顯示屏、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發的串口屏；
通信協議方面大多是I2C和SPI，SPI協議的屏幕，其速度會更快一些（I2C協議v2.1規定了100K，400K和3.4M三種速率(bps)，而SPI并沒有一個官方標準，有的器件SPI可以達到50Mbps）。
而串口屏有很好的UI控件，更適合電賽，操作方便簡潔，不需要為界面設計費神，想要了解的同學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，降低程序設計難度。
3.MCU最小系統
最小系統的選擇是根據自己組別而定，不同組別的最小系統有所區別，十五屆以后越來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的最基礎三要素還是：電源、晶振、復位。最小系統可以直接購買核心板成品使用，但需要了解其電路構成，方便排查問題，有能力的最好自制。
4.傳感器系統
對于不同組而言，傳感器會存在一定差異，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有電磁線，也就意味著無法使用電感輔助；而電磁四輪有要求使用宏晶的處理器。
目前的STC系列還不足以驅動攝像頭，也就意味著電磁組無法使用攝像頭來實現車庫等一些元素的識別需要加入干簧管之類的輔助器件實現停車；
而像平衡信標組，就需要有陀螺儀來實現直立環，獲取車身角度；對于多車編隊，還需要使用到類似超聲波等的一些模塊來實現跟隨。
攝像頭
現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，這兩款攝像頭都是灰度攝像頭，所以在屏幕上顯示時看見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個層次。通過配置攝像頭的內部寄存器實現攝像頭的初始化，讓攝像頭每幀圖像的分辨率保持188×120；
采集完成后通過八位數據并口、行中斷與場中斷（兩款攝像頭引腳定義如下圖）實現數據傳輸，將圖像信息傳輸給單片機。
攝像頭的采集流程如下：
1.攝像頭在初始化參數后，開始采集；
2.采集到一幀圖像時（假設一幀圖像為：188×120）會發送一個場中斷，告訴主控已經采集完一幀圖像，隨后場中斷復位；
3.在場中斷產生后會有188×120個行中斷產生，每一個行中斷個被主控捕獲后主控都會收集8位數據口輸出的電平(0000 0000~1111 1111)進而得到對應位置的數據（0-255）如此重復，每一個場中斷后都會傳輸188*120個數據;
4.主控根據行中斷依次獲取這些數據就可以得到圖像原始數據，為了節約單片CPU的資源往往會采用DMA搬運直接把這些數據搬運到內存。
8位數據口傳輸的數據范圍剛好是0000 0000~1111 1111即0-255，對應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原理，利用電感采集信號發生器產生的電磁信號。
賽道規定信號為f=20Khz,i=100ma的交變電流 ，為了能夠保證采集的信號就是信號發生器產生的信號，需要設計選頻電路。
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。
計算公式與結果結果如下：
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，可以發現垂直于電磁線的諧振電路產生的感應電動勢
隨著電感與電磁線的垂直距離的變化而變化，距離越近感應電動勢值越大；距離越遠感應電動勢越小，這樣通過左右兩個電感的感應電動勢就可以推斷出小車目前的狀態。
如右邊圖1所示，當小車位于賽道中央的時候，左右兩個電感的值相等，此時沒有偏差，對應直道，舵機位于正中間；
如右邊圖2所示，當小車偏左，此時左電感遠離信號線，感應電動勢較小，而右電感更接近信號線，產生的電動勢也越大，此時會左右電感產生的感應電動勢出現一個偏差，我們需要根據這個偏差來控制舵機打角，進而控制小車姿態；
如右邊圖3所示，當小車偏右，此時與圖2相反，右電感遠離信號線，感應電動勢減小，而左電感感應電動勢較大，此時左右電感產生的感應電動勢也存在偏差，只不過與圖二所示情況的偏差方向不同了，同理也可以利用這個差值來控制小車姿態調整。
由于這個感應電動勢很小，只有mV級，且是交流信號，直接使用單片機的ADC采集不現實。
所以就需要在諧振電路后加入運放模塊實現一定比例的前級放大以及檢波處理得到峰值電壓，而后通過單片機ADC進行采集處理計算偏差，此處參考龍邱科技的運放模塊講解。
通過獲取左右電感的電動勢控制小車進行調整姿態。詳細講解參考逐飛科技的電磁四輪車講解
編碼器
其作用就是用來獲取小車的速度，工作時隨著齒輪的旋轉過程會規律的產生脈沖，單片機通過捕獲上升沿或者下降沿個數來讀取脈沖數進而可以獲取車速。
這里的512線編碼器和1024線編碼器就是指編碼器旋轉一圈產生的脈沖數，有了脈沖數就可以運用常見的T法測速或者M法測速得到小車的速度。（T法M法可以參考電力拖動運動控制系統的講解。）
帶方向的是指編碼器的兩個輸出口，一個腳是輸出的是脈沖，另外一個輸出是根據旋轉方向輸出的高低電平（假設正轉輸出1，則反轉輸出0，筆者自定義正反）；主控可以通過獲取高低電平來判斷速度方向。
正交解碼的編碼器指的是這種編碼器兩個輸出腳都是輸出脈沖，只是A、B兩組脈沖根據相位不同來定義速度方向，假設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.驅動系統
驅動主要講解電機驅動，舵機的驅動留到后面控制部分再做介紹。電機驅動主要采用的方式H橋驅動，主要原理和前面提到的開關電源差不多，也是通過控制開關管的導通與關斷來實現電機供電電壓的改變進而控制電機速度。
如上圖所示
當A管和D管導通，B管和C管斷開時，電機是正轉；假設A管一直導通，則只需要通過控制D管的導通速度就可以改變電機的運轉速度，這就是單極性控制方式，而雙極性控制是指同時控制A管和D管的導通，進而控制電機速度。
當B管和C管導通，A管和D管斷開時，電機是反轉；同理單極性控制是指A管或者D管一直導通，通過控制另外一個管子開關來控制電機的速度。而雙極性控制是指同時控制兩個管子的開關來控制電機的速度。
常見的H橋驅動方式還有BTN、IR2104加Mos管或者是HIP4082加MOS
機械結構
機械結構主要是前輪的傾角調節，關于小車的硬件搭建就介紹到這里，如有錯誤歡迎大家批評指正，也歡迎大家交流討論。
如果文章對你的比賽有所幫助，而且賽后對此文還有印象，筆者在評論區等待你們的分享。
編輯：黃飛
?
工商網監
評論