基于CW32开发的智能车比赛电磁组电磁三轮

项目要求：

制作一辆能够以20kHz 的交变磁场作为路径导航信号循迹的小车

一、车模选取

a.三轮车模

优势：得益于轻巧的结构，三轮的速度上限比四轮高

劣势：转向与速度的控制都集中于后两个驱动轮上，相较于四轮，使得控制的难度大大增大

b.四轮车模

优势：转向与速度控制分开，相较于三轮，控制更简单

劣势：结构略显笨重，速度上限没三轮高

  注：   由于本次实验是为了熟悉CW32芯片并且实现循迹功能，并没有竞速要求，所以本项目选取的是三轮自制车模

二、循迹原理

这一部分对于电磁组别至关重要，LC电路就相当于智能车的眼睛。智能车比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径导航信号，根据麦克斯韦理论以及根据 LC 谐振电路检测小信号的原理，选取工字电感和电容搭建 LC 谐振电路进行信号采集，从而反应车体的位置。

• 由公式可知，为了使检测到的信号的输出幅值变大，应考虑两点：
  第一，输出越大，R0 就要越大，为了配合信号源的输出频率 20KHz，电感越大，电感的阻抗越高，
  第二，谐振的频率要在 20KHz 附近，
• 可供选择的运放芯片有很多，比如LMV358，OPA2350UA，OPA4377

我选择的芯片的LMV358

  LM358特性:
    内部频率补偿
    直流电压增益高（约100dB）

    单位增益频带宽（约1MHz）
    电源电压范围宽：单电源（3—30V）
    双电源（±1.5 一±15V）
    压摆率（0.3V/us）
    低功耗电流，适合于电池供电• 低输入偏流
    低输入失调电压和失调电流
    共模输入电压范围宽，包括接地
    差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
    输出电压摆幅大（0 至Vcc-1.5V）

三、循迹算法

（1）．归一化

所谓归一化，最简单的理解就是将你所需要的数据限制到一个很小的范围之内，方便之后的处理。而同时，归一化其实也有多种的表达方式，我这里采用的是最常见的一种：

1. x为CW32的ADC采集得到的数字信号的大小，也就是未经过处理的原始数据；
2. coe为处理后的数据的缩放范围，也就是的范围是[0,+coe]；
3. min跟max分别是赛道上采集到原始数据的最小值，最大值。

而对于归一化处理的优点，就在于：

1.可以消除特征间单位和尺度差异的影响 （电感在采集电磁信号值时，最大值和最小值之间的差距较大）

2.能提高梯度下降法求解最优解的速度（收敛所需的迭代次数更少）

（2）．差比和

智能车电磁循迹差比和差算法是一种常用的循迹算法，用于智能小车在黑线上行驶时的控制。该算法通过对左右两个电磁感应模块之间的电磁信号进行差分处理，得到一个差值，用来判断小车是否偏离了黑线。具体来说，该算法包含以下步骤：

1、读取左右两个电磁感应模块的电磁信号，并且进行归一化处理。

2、对左右两个信号进行差值计算，得到一个差值。

3、根据差值的大小和方向，控制小车的左右轮速度，使小车回到黑线上。

4、循环执行上述步骤，实现小车沿着黑线行驶。

在本项目中，电感的排布为：   -  /   \  -

具体差比和的表现公式：

1. LX、RX是左中、右中两个斜电感获取电流经硬件、软件放大处理后的输出值;
2. L、R是左、右两个横电感的输出值，
3. coe是一个限幅系数，
4. a,b是加权参数(a+b=1)

四、硬件模块

1、 下载器模块

我采用的是DAP下载器，当然CW32也支持STLink下载器。

2、 稳压模块

LM2596S 降压模块：

工作原理： LM2596S 降压模块有两个主要的工作部分:一个是输入级， 另一个是输出级。 在输入级， LM2596S 通过电感器和电容器来过滤输入电压， 以确保其稳定性。 在输出级， LM2596S 使用 PWM 技术来控制输出电压。 它将输出电压与个微控制器中的计时器进行比较， 然后根据比较结果调整输出电压。本项目的电源是8.2V输入，5V输出给芯片，显示屏供电。

3、 电机驱动模块：

由于考虑到项目的总体经费不能太高，秉承一个节约的原则，没有采用IR2104H桥驱动，而是选择了市面上的驱动模块来实现项目。第一版我才用的是TB6612模块，但是极其容易烧坏，所以换成了L298N，廉价的L298N以及发热量低，抗干扰能力强，驱动能力强 （高电压、大电流），可靠性高 （使用大容量滤波电容，续流保护二极管可过热自断和反馈检测），工作电压高 （最高可至46V），输出电流大 （瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A），额定功率25W（电压 X 电流）等等优点深受我的喜爱。

电源引脚

• VCC 外接直流电源引脚，电压范围在5~35V之间
• GND GND是接地引脚，连接到电源负极
• 5V 驱动芯片内部逻辑供电引脚，如果安装了5V跳帽，则此引脚可输出5V电压，为微控板或其他电路提供电力供给，如果拔掉5V跳帽，则需要独立外接5V电源

控制引脚

• IN1 & IN2 电机驱动器A的输入引脚，控制电机A转动及旋转角度
  • IN1输入高电平HIGH，IN2输入低电平LOW，对应电机A正转
  • IN1输入低电平LOW，IN2输入高电平HIGH，对应电机A反转
  • IN1、IN2同时输入高电平HIGH或低电平LOW，对应电机A停止转动
  • 调速就是改变IN1、IN2高电平的占空比（需拔掉ENA处跳帽）
  •  
  • IN3 & IN4 电机驱动器B的输入引脚，控制电机B转动及旋转角度
  • IN3输入高电平HIGH，IN4输入低电平LOW，对应电机B正转
  • IN3输入低电平LOW，IN4输入高电平HIGH，对应电机B反转
  • IN3、IN4同时输入高电平HIGH或低电平LOW，对应电机B停止转动
  • 调速就是改变IN3、IN4高电平的占空比（需拔掉ENB处跳帽）

输出引脚

• • OUT1 & OUT2 电机驱动器A的输出引脚，接直流电机A或步进电机的A+和A-
  • OUT3 & OUT3 电机驱动器B的输出引脚，接直流电机B或步进电机的B+和B-

调速控制引脚

• • ENA 电机A调速开关引脚，拔掉跳帽，使用PWM对电机A调速，插上电机A高速运行
  • ENB 电机B调速开关引脚，拔掉跳帽，使用PWM对电机B调速，插上电机B高速运行

4、 运放模块：

• • LMV358电路对信号进行放大处理

五、控制方案

 A．三轮

1、 串级PID：

什么是串级PID？顾名思义就是两套串起来的PID，对于三轮电磁车项目来说，外环是电磁信号的误差环，内环是角速度环，最终的执行器是电机，电机输出产生了速度和位置；那么为什么要用两个PID呢？我们电机左右摆动就有一个角速度的参数。假如只有一个误差环，那么车模以一个什么角速度去运行呢？而我们误差环算出来的值可以看作是对角速度的一个期望，对角速度闭环，这样使得车子的控制效果得到明显提高。所以说串级PID外环的输出是内环的输入。串级PID框图如下：

1、 并级PID：

什么是并级PID？顾名思义就是两套并起来的PID，对三轮电磁车项目来说，并级PID是将两套PID分开来进行计算，外环是电磁信号的误差环，内环是角速度环，角速度环算出的值就是最终执行的差速，速度环算出的值是基础的速度，在基础的速度上加减作用与电机就可以实现差速。并级PID框图如下：

Note：内环与外环的周期是一个相当重要的参数，内环的周期必须比外环小，最好成倍数的关系。两套算法各有优劣，可自行选择。

  B．四轮

四轮的控制就相对来说比较简单了，转向由舵机控制，速度由电机控制。当然，要最求高速度的化舵机的转向肯定是不够的，电机后轮也得来分担转向的压力，比较著名的模型有阿克曼模型，在这里不做具体展开了，本节只讨论控制问题。

1、 转向环（PD）：

这里的转向环就是三轮的电磁误差环，得益于舵机的高速反应以及精准控制，误差环能够很好的控制四轮的方向。

2、 速度环（PI）：

输入期望速度，速度环算出占空比直接输入电机