MCU选用：STM32F103C8T6

编程语言：C语言

开发工具：MDK Keil，CubeMX

所用开发库：HAL库

适用读者: 初步接触STM32.嵌入式入门读者没有制作智能车的实践经验.

在硬件部分，我只列出了简单电磁车最基本的部分，蓝色字体是我们选择的部分。

在上面列出的汽车底板、控制板和电磁杆中，我的团队成员使用控制板和电磁杆EDA软件画板，开板再焊接，其他模块都是通过购买获得的。

以下电磁传感器摘自清华大学出版社出版社出版的《智能汽车生产-从元器件、机电系统、控制算法到完整的智能汽车设计》。如有侵权行为，请联系我删除。

确定使用电感作为检测导线的传感器，但其感应信号较弱，混有杂波，因此需要进行信号处理。为了获得理想的信号：信号过滤、信号放大和信号检测，需要进行以下三个步骤。

比赛选择20kHz的交变电磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其他磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz其他干扰信号的影响可以有效扰信号的影响。LC串联谐振电路实现选频电路(带通电路)，具体电路如下图所示。

其中，$E$感应线圈中的感应电势，$L$是感应线圈的电感值，$R_0$主要是电感内阻，$C$是谐振电容。电路谐振频率为：
$$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$$
已知感应电动势的频率$f=20kHz$，感应线圈电感为$L=10mH$，可以计算出谐振电容的容量为$C=6.33\times 10^{-9}F$。通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为$6.8nF$，所以在实际电路中选用$6.8nF$的电容作为谐振电容。

第一步处理后的电压波形已经是较为规整的20kHz正弦波，但是幅值较小，随着距离衰减很快，不利于电压采样，所以要进行放大，官方给出了如下图所示的参考方案，即用三极管进行放大，但是用三极管放大有一个不可避免的缺点就是温漂较大，而且在实际应用中静电现象严重。

因此我们放弃三级管放大的方案，而是采用集成运放进行信号的放大处理，集成运放较三极管优势是准确、受温度影响很小、可靠性高。集成运放放大电路可构成同相比例运算电路和反相比例运算电路，在实际中使用反相比例运算电路。由于运放使用单电源供电，因此在同相端加$V_{cc}/2$（典型值）的基准电位，基准电位由两个阻值相等的电阻分压得到。

测量放大后的感应电动势的幅值 $E$ 可以有多种方法。最简单的方法是使用二极管检 波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的AD采集获得正比于感 应电压幅值的数值。

我们采用的是竞赛组委会给出的第一种方案，即使用两个二极管进行倍压检波。倍压检波电路可以获得正比于交流电压信号峰-峰值的直流信号。为了能够获得更大的动态范围，倍压检波电路中的二极管推荐使用肖特基二极管或者锗二极管。由于这类二极管的开启电压一般在0.1～0.3V，小于普通的硅二极管（0.5～0.7V），可以增加输出信号的动态范 围和增加整体电路的灵敏度。这里选用常见的肖特基二极管1N5817。

最终确定下来的电路方案如下图所示：

对于直导线，当装有小车的中轴线对称的两个线圈的小车沿其直线行驶，即两个线圈的位置关于导线对称时，则两个线圈中感应出来的电动势大小应相同且方向亦相同。若小车偏离直导线，即两个线圈关于导线不对称时，则通过两个线圈的磁通量是不一样的。这时，距离导线较近的线圈中感应出的电动势应大于距离导线较远的那个线圈中的。根据这两个不对称的信号的差值，即可调整小车的方向，引导其沿直线行驶。

对于弧形导线，即路径的转弯处，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当载有线圈的小车行驶至此处时，两边的线圈感应出的电动势是不同的。具体的情况是，弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的，据此信号可以引导小车拐弯。

另外，当小车驶离导线偏远致使两个线圈处于导线的一侧时，两个线圈中感应电动势也是不平衡的。距离导线较近的线圈中感应出的电动势大于距离导线较远的线圈。由此，可以引导小车重新回到导线上。

由于磁感线的闭合性和方向性，通过两线圈的磁通量的变化方向具有一致性，即产生的感应电动势方向相同，所以由以上分析，比较两个线圈中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。

采用双水平线圈检测方案，在边缘情况下，其单调性发生变化，这样就存在一个定位不清的区域（如下图箭头所指）。同一个差值，会对应多个位置，不利于定位。另外，受单个线圈感应电动势的最大距离限制，两个线圈的检测广度很有限。

现提出一种优化方案，5个垂直放置的电感按一字排布，每个电感相距约为5cm（见下图），这样覆盖赛道范围约为25cm。三个一字排布的电感可以大大提高检测密度和广度，向前有两个电感，可以提高前瞻，改善小车入弯状态和路径，两个45°的电感，可以改善入弯和出弯的姿态。

按照组委会推荐的10mH＋6.8nF组成的谐振电路，其谐振的峰值频率为19.6kHz，并不是信号发生器的20kHz。当谐振频率与外界激励频率不匹配时，将不会输出最大的谐振电压。另外，一般电感和电容均有±20％的误差，谐振频率将会随机分布在16kHz～24kHz之间，这会对传感器的对称性造成极大的影响。因此需要对组成谐振电路的电感电容进行匹配，使得其谐振频率恰好为20kHz，同时挑选电感电容对，使得对称位置的输出电压一致。

电磁杆的具体制作可以参考我队友的博客：

• 智能车：这是你要找的电磁杆吗？_悟黎678的博客-CSDN博客

L298N模块的介绍可以参考以下博主的博客

• 【STM32小案例 04 】STM32简单使用L298N电机驱动模块
  控制直流电机正反转_我也不知道取什么好的博客-CSDN博客_stm32电机控制
• stm32单片机+驱动L298N控制直流电机调速_薄情书生的博客-CSDN博客_l298n控制电机转速
• L298N电机驱动模块详解_魏波-的博客-CSDN博客_l298n电机驱动模块
• 基于L298N的STM32的直流电机PWM调速控制_Hu.先森的博客-CSDN博客_l298n电机驱动模块pwm调速

在此次比赛中我们主要使用蓝牙模块来返回小车调试过程中的赛道信息，以及通过蓝牙模块给小车发送相关指令以控制小车电机的启动与停止和更改小车控制算法的一些参数。

相关资料可以参考以下博主的博客：

• STM32控制HC-05蓝牙模块进行通信_Zach_z的博客-CSDN博客_hc05
  stm32
• 【常用模块】HC-05蓝牙串口通信模块使用详解（实例：手机蓝牙控制STM32单片机）_Yngz_Miao的博客-CSDN博客_stm32蓝牙串口通信

可以参考以下博主的博客：

可以参考以下博主的博客：

• 单片机——SG90舵机工作原理_掏一淘哆啦A梦的奇妙口袋的博客-CSDN博客_sg90舵机原理图
• stm32之MG995舵机+原理+程序+详解_-electronic-engineer的博客-CSDN博客_mg995舵机
• STM32控制舵机讲解，从入门到放弃。_KING_阿飞的博客-CSDN博客_stm32控制舵机

相关原理可以参考如下链接：

OLED的屏幕主要用于显示ADC采集到的赛道值用以确定特征位置如环岛、Y叉等处的特征标志值方便对算法的相关判断阈值进行更改。同时我们也通过OLED屏幕显示当前小车的PID参数以方便记录。

OLED的相关使用方法可参考以下博主的博客：

• STM32复习笔记（九）OLED的介绍和使用方法_Sumjess的博客-CSDN博客_oledshowstring函数什么意思
• STM32——硬件IIC驱动OLED屏幕显示_ZCY(Yinyuer1)的博客-CSDN博客_oled屏幕

该模块可以完成同蓝牙模块的相同操作，同时搭配Vofa+软件的话可以实现可视化调参。

相关使用方法可参考以下博主的博客：

• esp8266介绍和使用_世界著名CV工程师的博客-CSDN博客_esp8266介绍
• 烂大街的ESP8266该怎么玩！ - 知乎
  (zhihu.com)

CubeMX如何配置的总体介绍可以参考以下博主的博客:

• cubemx代码生成详解 - 知乎
  (zhihu.com)

ADC我们配置了6路通道，ADC1五路，ADC2一路。最初方案我们配置了七个通道，ADC1五路，ADC2两路，我们最初也只是使用了五个电感，所以只用了ADC1的五路通道，ADC2多出来的两路当时是备用。但是在调车过程中我们发现原先中间的电感旋转角度无法兼顾环岛与Y叉标志值的检测（可能是我们的设计存在问题），因此我们在中间多加了一路电感和原先的中路电感垂直，用于标志值的检测，并关闭了ADC２的一路通道方便代码编写。

ADC1:

ADC２:

ADC的相关配置可参考以下博主的博客:

• STM32 ADC详细篇（基于HAL库） - 东小东 - 博客园
  (cnblogs.com)

TIM1用于输出控制电机两轮转速的PWM波

TIM2用于输出控制舵机的PWM波

TIM3中断用于控制算法的执行

TIM4中断用于一些需要计时函数的执行

TIM的相关配置可以参考以下博主的博客:

• STM32CubeMX之定时器TIM_while(1)的博客-CSDN博客_stm32cubemx
  tim
• STM32对HAL库的PWM控制 - 无乐不作丶 - 博客园
  (cnblogs.com)

我们配置了两个USART,比赛中只用到一个USART1

在NVIC的配置中要根据自己的控制逻辑来配置他们的中断优先级

在写代码之前可以像我上面一样画出整个代码的架构和控制逻辑的思维导图(所用软件:uTools插件-知犀思维导图|uTools官网下载:uTools官网 - 新一代效率工具平台).然后根据代码的整体架构编写相关独立函数先初步搭建出基础框架,如相关变量的结构体,外围功能的函数等:

/*---------------------- 相关结构体定义 -------------------------- */
/** *@name MotorDriver *@type struct array *@about 电机控制 *@param * - MotorDriver[0] 电机1 * - MotorDriver[1] 电机2 * -- * - Onoff 电机启动与停止标志位 * - pwmrate 传给Tim -> CRR的值，可改变PWM占空比 * - IN1 L298n IN1逻辑控制引脚 * - IN2 L298n IN2逻辑控制引脚 */
typedef struct{ 
        
	
	_Bool	OnOff;
	_Bool	IN1;
	_Bool 	IN2;
	float	pwmrate;
	
}MotorDriver;

/** *@name MotDiff *@type struct *@about 电机差速控制 *@param * -- * - Param 增幅系数 * - pwmSwitch 电机差速跟随转向控制开关 */
struct{ 
        
	
	_Bool		pwmSwitch;
	uint16_t	basepwmvalue;
	float 		Param;
	
}MotDiff;

/** *@name SteMotDriver *@type struct *@about 舵机控制 *@param * - pwmrateTemp pwm控制过渡值 * - pwmrateFnal pwm控制最终值 * - Min 舵机中值 * - angle 舵机目前角度 */
typedef struct{ 
        
	
	uint8_t		angle;
	float		pwmrateTemp;	
	float   	pwmrateFnal;
	float		Min;
    
}SteMotDriver;


/** *@name ADCData *@type struct *@about ADC数据 *@param * - origanlData[] ADC采集到的原始数据 * - filterData[] 滤波处理后的数据 * - IDUC_L 左电感 * - IDUC_R 右电感 * - IDUC_M 中电感 * - IDUC_LM 左中电感 * - IDUC_RM 右中电感 * - Error 差值 */
typedef struct{ 
        
	
	__IO	uint16_t		orignalData[5];
	__IO	float			filterData[5];
	__IO	float			IDUC_L;
	__IO	float			IDUC_R;
	__IO	float			IDUC_M;
	__IO	float			IDUC_LM;
	__IO	float			IDUC_RM;
	__IO	float			IDUC_Ex;
	__IO	float			Error;
	
}ADCData;


/** *@name PoorCmpAnd *@type struct *@about 差比和加权算法系数 *@param * -- * - paramA 控制系数A * - paramB 控制系数B * - paramC 控制系数C * - paramP 比例系数P */
typedef struct{ 
        
	
	uint8_t	flag;			//控制算法转换
	float paramA;
	float paramB;
	float paramC;
	float paramP;
	float paramL;
	
}PoorCmpAnd;


/** *@name Switch *@type struct *@about 函数开关 *@param * - * - */
struct{ 
        
	
	_Bool ONOF1;		//环岛
	_Bool ONOF2;		//十字
	_Bool ONOF3;		//Y形
	_Bool ONOF4;		//标志值捕获
	uint8_t ONOF5;		//滤波
	
}Switch = { 
        1, 0, 1, 0, 1};

/** *@name Kalmam *@type struct *@about Kalman Filter *@param * - symStateNow 系统实时状态 X(k) * - symStatePostFore 系统上次预测状态 X(k|k-1) * - symStatePostBest 系统上次最优状态 X(k-1|k-1) * - covNow 本次系统状态协方差 P(k|k) * - covPostFore 上次预测状态协方差 P(k|k-1) * - covPostBest 上次最优状态协方差 P(k-1|k-1) * - symControl 系统控制量 U(k) * - symParmA 系统参数A A * - symParmB 系统参数B B * - errorMes k时刻测量值 Z(k) * - mesParm 测量系统的参数 H * - pcesNoise 过程噪声 W(k) * - mesNoise 测量噪声 V(k) * - transposeA A的转置矩阵 A' * - transposeQ W(k)的转置矩阵 Q * - transposeR V(k)的转置矩阵 R * - transposeH H的转置矩阵 H' * - gain 卡尔曼增益 Kg */
typedef struct{ 
        
	__IO	float symStateNow[5];
	__IO	float symStatePostFore[5];
	__IO	float symStatePostBest[5];
	__IO	float covNow[5];
	__IO	float covPostFore[5];
	__IO	float covPostBest[5];
			float symControl;
			float symParmA;
			float symParmB;
	__IO	float errorMes;
			float mesParm;
			float pcesNoise;
			float mesNoise;	
			float transposeA;	
			float transposeQ;
			float transposeR;
			float transposeH;
	__IO	float gain[5];
}Kalman;


/** *@name TyPID *@type struct *@about PID控制系数 *@param * -- * - Err 自变量 * - ErrLastValue[] 前几次Err值 * - ErrLastSum Err累加值 * - Proportion 比例 * - Integral 积分 * - Differential 微分 * - Integra_Max 积分限幅值 */
typedef struct{ 
        
	
	int 	Proportion;
	int 	Integral;
	int 	Differential;
	float   Err;
	float	ErrLastValue[3];
	float	ErrLastSum;
	float	Integral_Max;
	float 	k;
	float 	b;
	
}TyPID;

/** *@breif 全局标志位 */
struct Flag{ 
        
	uint16_t 	A;		//环岛
	uint16_t 	B;		//环形
	uint16_t	C;		//Y形
	uint16_t	D;		//捕获sign
	uint16_t	G;		//干簧管
	uint16_t	S;		//出库与入库
	uint16_t	T;		//出库
	uint16_t	K;		//Y形消抖
	uint16_t	W;		//入库消抖
}Flag = { 
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

/** *@breif 中断读秒 */
struct	ITReadTimes{ 
        
	int	Tim1;		//环岛
	int	Tim2;		//入库
	int Tim3;		//Y形
	int	Tim4;
	int Tim5;
	int	Tim6;
	int	Tim7;
	int Tim8;
}ITRT = { 
        270, 45, 100, 35, 30, 30, 30, 30};

/** *@breif 赛道特征判断值 */
struct JudgeValue{ 
        
	uint16_t	jm1;		//环岛
	uint16_t	jm2;		//环岛
	uint16_t	jm3;		//十字
	uint16_t	jm4;		//十字
	uint16_t	jm5;		//十字
	uint16_t	jm6;		//Y形
	uint16_t	jm7;		//Y形
	uint16_t	jm8;		//捕获
}JDVL = { 
        3800, 500, 2000, 100, 100, 10, 100, 2000};

/** *@funcname bsp_LED_FeedBack() *@brief LED程序测试闪烁反馈函数 */
void bsp_LED_FeedBack(void)
{ 
        
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, LED1_Pin);
	HAL_Delay(100);
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, LED1_Pin);
}

/** *@funcname fputc() *@brief 串口输出重定向 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{ 
        
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

/** *@funcname bsp_Usart_Receive() *@brief 串口接收数据函数 */
void bsp_Usart_Receive(void)
{ 
        
	if(recv_end_flag ==1)			
		{ 
        	
			bsp_Usart_Operate(rx_buffer);
			for(uint8_t i=0;i<rx_len;i++)
			{ 
        
				rx_buffer[i]=0;
			}
			rx_len=0;
			recv_end_flag=0;
		}
		HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,rx_buffer,200);	
}

STM32串口的应用可以参考该博主博客:

• STM32 HAL库之串口详细篇（基于HAL库） - 东小东 - 博客园
  (cnblogs.com)