【感谢智能车】母校获得了2015瑞萨杯，电赛经验分享

释是圣杰

       求管理员不要把这个帖子放到电子设计竞赛板块，因为母校参加电赛控制题的基本上都是参加过智能车的，而且本人也做了3年智能车，这个帖子主要是感谢下智能车，宣传下智能车的精神，所以手下留情。

       说道智能车，还真是和它有缘啊，大二止步于省赛，大三国一，大四带队，研究生读研在长沙，正好11届在中南，听到这个消息真是醉了，有时候命运就是这么巧，预祝明年参加智能车的都取得好成绩，也希望母校的学弟学妹们给力。吧里有中南的小伙伴没？私信我啊，想去参观下，顺便膜拜下，尤其是直立。

       发这个帖子还要一个目的，就是要感谢下智能车带给我真的很多很多，不仅是技术上的收获，还有一群非常好的兄弟姐妹，一群能够在毕业散伙饭哭的昏天黑地的小伙伴们。本科呆了三年的实验室就这样离开了，想想真的是非常舍不得啊。本该7月就离校的我，一直作为带队跟着智能车团队参加完省赛，还有山东的国赛。快要登上济南开往长沙的列车的时候，才恍惚意识到自己已经毕业了，已经离开了那个天天泡着的实验室-我们的812-814，作为一个大男生，真的有一种想哭的冲动。现在在一个新的环境经常怀念原来的快乐日子。不管怎么样，祝福小伙伴们在读研或者工作的岗位能够收获成功，毕业不说再见，因为青春不散伙，我们还会再聚首。

       总之一句话，智能车是一个非常值得参加的比赛，从做人到做事，都能让人收获很多，虽然它很难，也有点难拿大奖，但是只要能坚持一年你就会知道它带给我们的人生财富是不可衡量的。

所以希望老队员再接再厉，能够传承下去，新队员多去探索多去交流。等着大家的到来，我在长沙等你们。关于智能车的感悟请看下贴及其提到的几个帖子，读后你会感受颇深。http://www.znczz.com/thread-225223-1-1.html。

       说着说着跑题了，让我们说说电赛。本来想发在电子设计贴吧的，但是感觉还是发在这里比较合适。B题母校获得两个国一两个国二，而且还有个惊喜--瑞萨杯，真的是谁都没想到会拿到，只是非常可惜因为研究生开学而错过杭州的国赛测评，如果去的话肯定会非常非常激动吧。获得这么好的成绩离不开智能车的知识积累，得奖的这个队伍两个人都是智能车人，其中一个还是今年的直立国一，本校上届电赛唯一一等奖也是因为做了智能车。就不瞎扯了，进入正题。先看看图片：

下图是作品的整体照片，使用的是一个展板的架子作为主架，坐标底盘用激光雕刻机雕刻，背景是智能车赛道。

下面是硬件图，比较丑，但是功能全都有，左边4个驱动板，备用一个，拍摄于比赛还未结束，所以比较丑，封箱的时候比较整齐。

  下面两个图片是上托盘上下表面，线要用细线，而且要很称对，否则会很干扰运行，看似线没有什么力，但是杆子受到了线很大的力，造成不对称。

  下面几张是下部托盘的图片，两个激光雕刻托盘，一大一小，上面放电机，中间放MPU6050，下面是激光。

       做了这几年智能车和电赛的经验来看，我认为做智能车或者做控制题目，比例是这样的：2成硬件+3成机械+3成软件+2成传承。没算上重要的“人自身的主观能动性”，因为无法衡量。

1.硬件：

1.单片机：K60，优点不解释，缺点是有的引脚速度不一致，用的是软件IIC，所以这个缺点有点坑爹，有的时候SCL和SDA调换一下就不行了。。想不通什么，反正归为速度不一致的bug了，小伙伴们注意啦。

2.姿态传感器：MPU6050。集成加速度传感器和陀螺仪，安装比较方便。买淘宝10块钱的那种就行，也不用买什么集成串口的那种，那种贵而且速度慢，就买个裸的模块用单片机读出数据自己做融合就行。

3.其它：除了前两个，感觉其它都不是很重要，用什么都行，只要稳定就好。我的观点是硬件最重要的是稳定，不管多贵或多便宜，一定是稳定第一。

4.主控板硬件组成：飞思卡尔电池、稳压5V模块、稳压3.3V模块、K60核心板、LCD显示屏、蜂鸣器电路、4个LED灯、蓝牙接口、IIC接口、2个按键、1个五向按键、8位拨码、4路PWM驱动、2路正交测速、摄像头接口、ccd接口、单片机所以引脚引出。

5.还用到了驱动板电路4块，每块2个BTS芯片。

硬件不多说，只要能用就行，总之是稳定！稳定！！再稳定！！！

2.机械：

       机械这个东西就很难说了，做不同的东西需要不同的机械。但是有这么几点是一样的：

       1.用心去做。这点说起来就是废话嘛。。。但是，无数的经验教训告诉我们，一定要用心去做机械，即使是拧一个螺丝也好，否则会拿好几倍的时间去补偿的。我感觉去年我能拿直立国一的原因就是三个人做事都很认真，甚至是强迫症，在此感谢下亲队友，祝你们学业有成，勿念=。=。举个例子，马马虎虎做机械可能2个小时就对付完成了，但是调着调着就散架了，修了一个小时，又调了会，又坏了。最后坏到不能修了，不要以为我开玩笑，这种场景一直在做智能车和做电子设计中出现。我本人是写软件的，但是我对硬件和机械的要求非常高，就是要保证软件好调试，能有个好的硬件和机械调试是很舒服的。

       这么长时间以来，我的总结就是：机械搭不好，软件再厉害也弥补不过来。

就算你是调pid的大神，面对屎一样的机械会无能为力的，反正带智能车的时候学弟找我调试，我看到硬件不稳定或者机械比较渣的话我就不会帮忙。其实可能只要把机械搭好一点问题就解决了，通常就是这么神奇。

       2.对称：这点相当之重要啊，智能车要对称，风摆要对称，硬件要对称，什么的都要对称。这是调试软件的重要前提，经验总结就是：电机要对称，轮子要对称，摩擦力要对称，重心要在中央，镜头要对称，陀螺仪要对称，等等等。

举个例子。调过直立的小伙伴都知道陀螺仪歪了会有什么致命的效果：左拐和右拐会有直立方向的分量，让小车以为自己在上坡和下坡，也就是一个加速一个减速。此时掰一掰陀螺仪就好了。

       3.这次的风摆也是，4个电机一定要对称，因为不管是直线、斜线、圆，基础都是横着摆和竖着摆要摆好，不对称的话会造成夹角不是90°，会对斜线和圆造成很大影响。所以要4个电机对称，保证电机型号一样，斜对的电机在一条直线上，两条直线一定要垂直。我们学校用的激光雕刻制作的底盘，做好了4个凹槽，所以安装简单些，对称些，不过还是要微调好久才比较对称，所以不要着急，一定要每个步骤都认真完成。还有拿pcb做的托盘，效果也不错。

3.软件

       准备工作：测量沿着x轴摆动的偏角，就用《官方直立车参考方案2.0》上的方案就行，加速度计数据和角速度融合。y轴同理。其实不用想的高大上，什么姿态解算啊，四元素啊，其实只是直立车的角度测量代码执行两遍，测两个方向的角而已。参数：1ms进一次中断，奇数ms软件IIC采集两个方向数据并滤波，偶数ms角度融合、PID计算、电机PWM输出，所以是2ms一个控制周期周期。以下是定时器中断代码。采集数据MPU6050_updateSensor和数据滤波Filter_2nd_LPF2ndFilter的代码和直立车代码一模一样，只是用的是MPU6050，所以不贴出来了，获得两个方向的角度Angle_Calculate()和pid计算Mode_PID()

和电机输出Motor_Out()请看附件ISF_fun.c。

voidPIT0_IRQHandler(void)

{

    PIT_Flag_Clear(PIT0);

    Time_1ms++;

    Water_LEDs();//LED流水灯，证明在进定时器中断

    //姿态解算

    if(Time_1ms%2==0)

    {

        MPU6050_updateSensor(); //600us//采集数据

        Filter_2nd_LPF2ndFilter();//20us//数据滤波

    }

    else

    {

        Angle_Calculate();//获得两个方向的角度

        Mode_PID();//pid计算

        Motor_Out();//电机输出

    }

    PIT_Flag_Clear(PIT0);       //清中断标志位

}

       方案备选1：强行摆动。就是用pid控制位置，就是指哪打哪里，基本上就是列一个(x,y)表，以横摆为例，设置为(0,0)(1,0)(2,0)(1,0)(0,0)(-1,0)(-2,0)(-1,0)(0,0),这样重复下去。我这里只是随便说说，数据表应该换成非线性表或者直接用公式什么的我也不太清楚，思路大体是这个，但是我们学校用的不是这个方案，但是隔壁海事是这个方案，这种方案摆动周期比较长。但是简单粗暴，隔壁海事一天半就做完了，两天内就封箱了。没错，我说的就是海事小哥，智能车和电赛双国一。十分佩服技术和人品，技术过硬，也善于交流，对我们学校帮助也很多，祝其补考通过，保研北航顺利吧，还是单身哦，抓紧找对象吧，研究生就不好找了，我看离你家很近的那个太原理工的直立妹子就不错=。=。说多了，那就再多说一句吧：大家做东西要多交流，共同进步是极好的，共同促进技术的提升。再次由衷感谢海事小哥，真的帮了很多很多。来长沙包吃住玩哦~希望你不要看到这段。。。

       方案备选2：按照物理规律摆动，大家都学过单摆，B题的机械搭出来，自然摆动的周期基本上都是1~2s，而且每次摆动只是损失很少能量，所以只要每个周期电机吹一点点就行了，把能量补充上就好了嘛。周期设为了T=1500ms。

选择方案2：

        基础部分第0问：大家要问为什么有个0问呢，不是基础部分只有1到4问吗？而且这段字体要标红，加粗和斜体。这是因为这个第0问才是最最重要的，比其它哪问都重要。这问的目标就是：在x轴上，随便指定某个角度（比如说+10°或者-5°），然后定在那里不动。目的是调好PID，因为以后所有问都不用改PID了。

       步骤：测量x轴的角度（-90°<θ<90°），使用PID算法计算电机的pwm输出，控制x轴方向的两个电机，一个推，一个吸（就是往一个方向用力）。

      

       注意1：加速度计和陀螺仪的零偏一定要减去，解决方法就是：上电前扶稳传感器，一动不动后上电，采集数据很多遍，然后做个平均得到零偏，以后加速度和陀螺仪的值减去这个上电采集的零偏值即可。

       注意2：加速度计数据滤波要做好，大家都知道加速度计毛刺比较多，多次取平均等低通滤波方法均可，然后再和上次的值做个平均，这相当于再次滤波，这个平均值保存为当前值，就可以用了。

       注意3：角度融合，使用《官方直立车参考方案2.0》角度融合即可，使用的代码就是这个里面的代码。

       注意4：PID调好，调这个靠的是经验，所以还是要多做做比赛实际体会怎么调试才行。用的是位置式，I的积分值加了限幅。PID调好要有以下两个现象：1、稳定，稳定在指定角度不会随着时间变化而跑偏，用手使劲波动，在一定时间内能回到原处。2.跟随性好，比如说处在10°，然后设成-5°，看看能不能快速地过去。好的PID参数至少要满足以上两点才行，如果不满足以上两点，PID是不合格的。

       PID参数如下{100,3,52}。PWM满量程是±4000，6V电压供给驱动模块，4个电机限幅均为±2400。P乘以目标角度和真实角度的偏差，单位是度，I乘以积分累计值，限幅在±2800，D乘以角速度，单位是度/秒。

同样的方法也把y轴调好，如果电机一样，搭的对称的话，用同一套pid即可。如果x轴和y轴不是垂直，请修改机械，直到对称为止。

基础部分第1问：

       如果PID调好了，而且比较对称，就可以调第一问了。公式：

       Angle.GoalL =Angle.ForceL[Angle.Length] * sin((Time_1ms -Mode.TimeStart)*2*Pi/((float)(Angle.Period)));

       Angle.GoalH=0;

       来解释下上面这个公式：

         Angle.GoalL：其中L是列（Lie）的意思，Angle.GoalH中H是行（Hang）的意思，就是前面总提到的10°、-5°这些目标角度。

         Angle.Length：数组下标，单位是cm，代表要设置的摆动的直径，这一问设成了60，因为题目要求不少于50cm。

         Angle.ForceL[]：是一个数组，表示不同摆动长度下的振幅大小。

         Time_1ms：是一个软件计数器，每1ms自加1。

         Mode.TimeStart：因为有一个开始的按键，这个按键按下时Mode.TimeStart就记录此时的Time_1ms。

         Angle.Period：1500，单位ms，应该直接就能用，效果不好请实测周期，就是自然摆动n次的时间除以n。

       看到这个公式你可能有疑问，这个第二套方案不是和第一套方案基本上一样吗？前面基础部分第0问是固定目标值，这个第一问只是让目标值按照一个周期以sin变化而已嘛，只不过是用公式算罢了，和第一套方案没有什么区别啊。

看似是这样没错，但是请想一下：如果是第一问的话，T会比较大，观测效果是：角度变化会很生硬，就是一点一点变化过去的。假设想摆动长度60cm时对应的角度是±15°，第一套方案的Angle.ForceL[60]应该是15，接下来问题来了，使用第二套方案的话，实测效果是：Angle.ForceL[60]应该取比15大的数，可能是20或者25。

       具体原理我也没有想清楚，毕竟我不是学物理的，是学计算机的，不过我猜想应该是惯性的问题，就是第一套方案周期长，运动的很慢，基本上每个点速度都很小，所以强行调pid，强行设置位置，指哪打哪即可，说白了就是走一段停一段，所以看起来也不是很连续。第二套方案是模拟自然摆！！！只是在每个周期提供很少的能量罢了，按照无阻力单摆计算的话，遵循能量守恒，最上边是速度为0，最下边速度最大。此时的模型不是一个强行指哪打哪模型，而是一个比较复杂的，为实际单摆系统持续提供能量，使其模拟无能量损失的单摆模型，能一直摆下去不停止。有哪位大神按照我的思路做了出来的话可以和我交流下，我确实是不知道具体的受力分析是怎样的。

       以上原理分析只是我个人的猜测，不管怎么样效果还是很好的。

基础部分第2问：

       第一问是第二问的特殊情况，将这两问一起做了。此问要求摆动长度可设置，可以取Angle.Length从20到70变化，然后改变Angle.ForceL[Angle.Length]这个振幅的值，直到每个Angle.Length摆动大小合适为止。其实就是做一个x轴的对应表。长度Angle.Length和振幅Angle.ForceL[Angle.Length]的对应表。Angle.Length=60就是第一问的答案啦。

       然后同样的方法设置Angle.ForceH，做一个y轴的对应表。y轴也要测是为了基础第3问和画圆部分。

基础部分第3问：

       cosAngle=cos(0-(Angle.DirAngle*10.0+Angle.DirErr[Angle.DirAngle])*2*Pi/360.0);

       sinAngle=sin(0-(Angle.DirAngle*10.0+Angle.DirErr[Angle.DirAngle])*2*Pi/ 360.0);

       Angle.GoalL = cosAngle * Angle.ForceL[Angle.Length] *sin((Time_1ms - Mode.TimeStart)*2*Pi/((float)(Angle.Period)));

       Angle.GoalH = sinAngle * Angle.ForceH[Angle.Length] *sin((Time_1ms - Mode.TimeStart)*2*Pi/((float(Angle.Period)))；

       Angle.DirAngle：取0-35这36个整数，就是基础部分第3问要设置的方向，0代表0°，3代表30°。

       Angle.DirErr[]:是一个矫正数组，先忽略之。

       看到这里应该可以很容易猜到，其实就是物理上合力的模型，用x轴和y轴的力去合成一个新的力，这个单摆题也是一样。Angle.DirAngle=0、18时，就单纯是L（列）方向的运动，Angle.DirAngle=9、27时，就单纯是H（行）方向的运动。

但是，当你设置20°时，可能是18°，此时需要一个矫正表，那就是Angle.DirErr[]，此时Angle.DirErr[2]=2。这个矫正表是按照某种规律变化的，因为合力的原理是没有错误，但是设置的目标角度值可不是力，具体物理原理也搞不清楚，但是肯定是存在一个公式推导过去，花了2个小时从能量守恒的角度进行推导，废了n张草纸，太麻烦了，也没推出来，本来想用公式替代这个矫正表，但是还是算了吧，不钻牛角尖了。。。原谅高数只考了100分。

       还有一点就是0°和180°的矫正数字是一样的，10°和190°的是一样的。以下是偏差矫正表，不过不同机械的数值不一样，贴出来只是想让诸位大神做出来的话联系我，交流下是不是所有的矫正表的规律都一样：Angle.DirErr[]的0~17 ={0, 1.6, 2.5, 2.5, 2.0, 1.0, 0.5, 0, -1, 1.0, 2.0, 2.0, 1.5, 0.3, 0, -1.5, -1.5, -2.0}。

基础部分第4问：

       这问是最好做的！！！

       以下是第四问代码：

       else if(mode == 4)//第四问专门设置

           {

               Mode.P = Mode.para[mode][0] = 100;

               Mode.I = Mode.para[mode][1] = 0;

               Mode.D = Mode.para[mode][2] = 200;

               Angle.ErrorI_H = Angle.ErrorI_L = 0;

           }

       Angle.GoalL = 0;

       Angle.GoalH = 0;

       第四问不能有积分值ErrorI，I参数设置为0。

       D参数最重要！！！要很大很大，大到出现高频抖动再减小点，原理很简单嘛，这一问就是不让它动，只要动就会有角度和角速度，所以P和D要大。

       P参数也要大一点，更加快速达到静态点。

       经实测，即使偏到90°，放手后均能在2s内静止不动在静态点。

发挥部分第1问：

       大家应该学过李萨如图形吧，或者学过解析几何，x*x+y*y=1表示的就是解析几何的圆。

       Angle.GoalL =Angle.ForceL[Angle.Length] * cos((Time_1ms -Mode.TimeStart)*2*Pi/((float)(Angle.Period)));

       Angle.GoalH =Angle.ForceH[Angle.Length] * sin((Time_1ms -Mode.TimeStart)*2*Pi/((float)(Angle.Period)));

       这两个公式其中一个和基础部分第二问的公式一样，其中一个方向按照sin变化，另外一个方向按照cos变化，让相位总是相差90°，这不就是个圆嘛，振幅是一样的。经实测，3s内基本上圆形就摆好了，10s内肯定就稳定啦。

发挥部分第2问：

       没有做，直接拿发挥部分第一问上，看不出有任何影响。这套机械和软件貌似还是比较吊的。最开始纠结让不让用空心杯，但是买了快100个的大型风机根本就吹不起来啊！！！全是钱啊！！！

发挥部分第3问：

       感觉能拿下瑞萨杯还是主要靠这一问，这一问做的是一个智能跟随系统。。。听起来比较高大上，其实却蛮简单的。就是下面铺一个白色的背景，用一个头部是黑色的“苍蝇拍”放在底部，拿一个摄像头做识别，识别出黑色的“苍蝇拍”头，然后控制电机指向这个“苍蝇拍”，让激光照到它。效果就是随着苍蝇拍的运动，激光点能够跟随过去。启发来源是谷歌之前说过用无人机送披萨。

       附件ISR_fun.c是定时器中断调用的几个函数。

       《官方直立车参考方案2.0》下载链接：http://pan.baidu.com/s/1o61meXs 密码：flpx

       有机会传几个视频给大家看吧，时间匆忙没来得及拍。

补充内容 (2015-9-27 16:56):
没有往网站传视频，大家在百度云上看吧。视频链接：http://pan.baidu.com/s/1hqAlN7I 密码：i1o6

释是圣杰

自己做沙发。顺便开源下自己的上位机，智能车和电赛调试利器。
安装好netFramework，运行文件夹里面的WindowsFormsApplication1.exe即可，里面的其它文件夹不能删除，有用的~~~

附件只是执行程序啦，里面有个使用说明，里面有github的链接，可以下载代码，第二个功能画图用的是ZGraph.dll的接口。一年前就说开源，一直拖到现在...

之前速度慢的3.0版本基本上没有bug，这个4.3版本有的时候画图功能会出现非常大的值，此时关闭串口再打开就好了。这个bug不知道什么时候再改。。。有空再说吧。。。;P


补充内容 (2015-9-27 11:13):
使用说明就在上位机运行的界面里面，不是一个文件。。。

cankun1314

好强大的楼主

第109位梁山好汉

赞赞赞赞赞赞赞赞赞。

majorfog

旭神怎么做到把6050放到下板上而不会被电机线干扰的？很赞啊！
看到你的帖子顺便伤感一下，时间过的太快了，一晃已经三年的智能车时光过去了。
最后关于风摆也分享一下我的几点算法：首先是两个坐标映射：将平面上的距离映射为角度和将空间内任意一点的坐标映射为X和Y轴向上的角度，这样得到的结论和你的基本上就差不多啦~画圆实际上就是两个轴向上的正弦跟踪，相位差90°。控制方面，对于做位置跟踪的时候一定要有积分，而且这个点是比较难调的；剩下的提高稳定性就是靠微分啦，当时师弟试了不是很够用就又加了一个串级PID，靠内环提高抗扰动性能。不过参数太多调试确实比较费时间。
顺便求科普一下瑞萨杯是奖杯么。。。

westzhao

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南宇

今年大四了，回忆总是充满心酸和汗水的，但是心酸的很快乐，付出的汗水也很欣慰
电赛我也参加了，只能说你们用空心杯~~~~选对了，我们还是用轴流风机。。。。苦逼的，吹不起来啊。但是最后人气大爆发~拿了国二。。。。我做了三年智能车，两年电赛，还是觉得智能车相对电赛来说好点，电赛变数太大了。。。附几张论文里的图~~:lol:lol

释是圣杰

majorfog 发表于 2015-9-27 11:16
旭神怎么做到把6050放到下板上而不会被电机线干扰的？很赞啊！
看到你的帖子顺便伤感一下，时间过的太快了 ...

1.我感觉我用的是软件的IIC，K60和KL26的硬件IIC不好调试，而且不稳。我感觉是硬件IIC的问题，受到干扰比较大。
2.关于坐标变换我也试了，发现其实效果并不比双轴单纯角度控制强上好。。。我们团队有学物理的，好多思路都是他们提出了。。。深受启发。
3.我就用的是一个增量式pid，感觉还挺好的。不能和自动化的小伙伴们比啊。。。

瑞萨杯：整个电子设计竞赛就一个奖杯，就是瑞萨杯，所有题目就一个。
我们老师说我们这组是b题做得最好的。其它题好像做得一般，我们那个发挥项做得比较好玩，组委会就给我们了。。。

释是圣杰

南宇 发表于 2015-9-27 12:05
今年大四了，回忆总是充满心酸和汗水的，但是心酸的很快乐，付出的汗水也很欣慰
电赛我也参加了，只能说你 ...

话说我之前做电赛是做电源的，苦逼的拿了国二。大四带一堆小p孩参加比赛。也是操碎了心啊。。
真心佩服使用直流风机的。。。
比赛前我让学弟买了将近100个那种风机。比赛前一天晚上我都把4个风机固定好了，我猜基本上就是4个一起吹。。
没想到原来是电机悬挂起来，真是逼了狗了。。。

第一天上午试了各种型号的风机，根本就动不了，也不知道出题人有没有做出来，我感觉是非常困难。我们指导老师说他有空心杯，试了一下效果非常棒，结果第一天就机械搭好了。有个组直接第一天下午就完成了前两问。。。

但是直到第三天也没有放弃用风机的方案，我们大老师说不一定让用空心杯。。。真实呵呵哒。。。电赛真心做得心力交瘁啊。。。

最好感觉东西准备妥当或者有个土豪老师什么东西都有真是太幸福了。。。

有机会来长沙可以找我。。论坛私我。。。还要在这里呆两年半。。。

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中南大学学弟为学长点赞