自动驾驶竞赛车

带驱动器的齿轮步进电机

微伺服器

激光接近传感器

许多不同的SMD和非SMD组件(您可以在本文的底部找到下载列表)

 

手工工具和制造器械

3D 打印机

螺丝刀

焊接工具(最好是空气焊接工具)

故事

步进电机采用4路信号A，B，C，D控制。每一个步进电机控制一个线圈。我们使用的是电机28BYJ-48，这是最好的半步工作模式，你可以在下面的图片上看到。也有全步模式。尝试之后感觉全步模式比半步模式表现更差。半步模式由8种不同的ABCD组合组成（您可以看到图像上的所有内容在8次分割后重复），而半步模式仅使用4种组合。电机通过从左向右发送脉冲而向前移动，通过从右向左发送脉冲而向相反方向移动。

当汽车启动时，电机的位置取决于汽车停机前电机的位置。但是用这种方法得到位置精确，因为有人可能会用手对电机施加足够大的力使其移动到不同的位置，而且这种位置节省会慢慢地破坏控制器的闪存。因此，最好的方法是在汽车行李箱处向下移动相机的方向发送这些脉冲，并且在每次移动时检查相机是否击中了末端开关（即安装在相机下面的小开关，它定义了相机的最低位置，也必须知道相机击中开关的角度，这样我们就可以进行所需的所有计算）。当相机按下结束开关后，开关闭合并向外微控制器发送信号，步进器停止移动，并表示我们现在处于位置0，也就是开始位置。

我们从一年前学到的经验是保险杠非常重要。我们曾多次与墙壁和各种物体相撞，这几乎完全撞坏了我们的车。所以这一次我们增加了一个软管保险杠，软管和巨大的3D打印块相连。我们也把软管当作激光保持器。软管能够吸收部分碰撞，其余部分通过巨大的块转移到我们的车，所以碰撞不是仅靠车的边缘来处理的。

这里是保险杠的3D渲染，你可以看到它真的很巨型，它还包括激光支架。

避障是一个必须的功能。为闪避放入轨道的白色立方体。我们的计划用激光找到这个障碍物，激光会用伺服电机绕着白色立方体旋转。这第一步，会准确的发出障碍物靠近时的信息，但是不能给出完美的位置。在我们找到障碍物后，我们将使用相机和步进电机正确地扫描它的位置。

为了使该部分正常工作，需要直接连接到电池以获得最大电压。此外，还需要光耦合器，因为该激光传感器输出的电压接近电池电压，约为7.2V。但K64F最大可处理5.5V电压。因此，我们用此电压为光耦合器二极管供电，其电流受电阻限制，因此性能良好。二极管点亮晶体管，晶体管打开。该晶体管采用3.3V供电，这是K64F的优良电压。

此简单电路的原理图如下:

我们从前一年学到，对车速的了解是十分有用且必要的，车速可以用来调节我们供给马达的能量。主要是在起步时，我们想要传递最大的能量来使到汽车达到所需的速度。与此同时，这是一个非常好的挑战，在那里我们想要走得非常慢。如果我们转弯，会有传统的摩擦力使我们的车停下来，并永远保持住它。所以如果编码器告诉我们，我们被卡住了，那么它可以把额外的动力投入到马达中，这样我们就会再次开始移动。

编码器产生两个信号称为A相和B相，我们很幸运，我们的控制器已经包含了正交解码器（编码器数据读取）的硬件模块，这使我们能够在0%的CPU占用下高速读取编码器。

解码非常简单，如果信号导通在A相上，那么编码器是向前移动的。

在硬件和软件方面，它的工作非常简单。我们向电机输入PWM信号，该信号调节有多少功率可以进入电机。但令人悲伤的是，能量与速度不成正比。因此，我们得到我们的当前速度使用编码器，通过这一点，我们可以计算误差从期望的速度。然后我们把这个误差传递到PID调节器（这代表比例，积分和微分调节器），它调节应该进入电机的功率以达到我们期望的速度。

同样，为了使工作一切正确，那么我们将需要使用凹面，就像相机。我选择使用PIT3，它将每秒执行20次，每次它被执行时，它将读取编码器从上次读取移动了多远，将此值传递到PID调节器并更新电机速度。我们使用这个凹面，因为如果我们只是读取并将数值相加，那么我们就会得到距离。为了计算速度，我们可以使用这个小学方程:

在比赛的过程中，给汽车附加任何电脑或无线设备都是违反规则的。所以竞赛时，就用上面介绍的OLED显示器配合按钮来控制汽车。但是当我们不是在比赛，而是在调试的时候，那么我们要用两个东西来调试。

首先是通过USB连接器。它使我们能够对微控制器进行编程，也使我们能够与设备进行稳定，快速的通信。其次是蓝牙。当我们在赛道上测试赛车时我们使用蓝牙，因为USB连接线太短，我们不能保持USB电缆连接状态，很容易绞入车轮或者失联。

第一个原因很简单。我用我手中现成的东西。我有能力使用KL25Z微控制器或K64F微控制器。（我认为这些都是比赛中最常见的MCU，因此本小指南也可以帮助其他人选择正确的MCU.）我有性能简洁的K64F，也能在任何元件失灵的条件下有更多的MCU替换选项。而且K64F比KL25Z更强大，具有2.5倍以上的CPU速度，8倍以上的闪存，16倍以上的RAM。此外，K64F还包含用于除法，浮点计算和更快的中断执行的指令，因此CPU实际上比2.5倍更快。K64F还有一些其他的优势，比如编码器的硬件支持，这将在KL25Z占用大量的CPU。 

既然KL25Z有了这样的处理能力，没必要同时使用两个。但让我们更详细地研究一下，考虑一下我们所做的以及其他一些事情。 

这里是双MCU架构的示例图像:

理想很丰满，现实很骨感，当现实中实际应用的时候，问题就会出现。

MCU1的目标是从加速度计，陀螺仪和摄像机中获取数据，从而进行所有所需的计算，以知道每台电机的正确速度、伺服机构的位置等。MCU2还可以获得激光，因此在需要时MCU2可以设置汽车在什么轨道上行驶，并在此基础上忽略激光，当它看到障碍物或躲闪障碍物时将速度设置为零。

 

MCU2将使用所有这些数据来设置正确的伺服位置，从编码器获得数据，并根据MCU1的期望速度设置电机功率。它还可以控制步进器移动摄像机。此外，它将包括所有的通信蓝牙和创建用户界面显示和按钮。

所有的东西看起来都很好地分开了，处理也应该很好地分开，但是让我们看看硬件的预见性，看看它是如何工作的。

这两个器件之间最快的通信方式是通过SPI总线。K64F上SPI总线频率的硬件限制为30 Mhz，KL25Z上为12 Mhz。这意味着3.75Mbps或1.5Mbps。这些速度并不差，但这些处理器以480Mbps或192Mbps的速度与寄存器通信，因此差异是巨大的。

假设MCU1决定改变电机的速度。它需要检查SPI总线是否空闲，或者等待它空闲，这会消耗CPU。然后它将以较慢的速度通过SPI总线传输+它需要包含控制字节，因此我们知道这些值的含义。之后，MCU2将需要检查它是否收到任何东西，它的意思是什么，然后最后设置电机速度。主要的好处是在二级MCU上计算PID，因此卸载MCU1用于相机数据处理，但它只需要大约5个FPU的计算，这是K64F本地支持的，他们真的很快。电机PWM的设置是在480Mbps的速率下，两个4字节写入存储器的问题。PWM由硬件产生，因此它不给CPU带来任何负载。

如果MCU1本身有电机和编码器，那么它可以自己进行FPU计算，然后对存储器进行简单的写操作来设置电机的速度，这将花费大约相同的处理器时间将这些数据传送到MCU2。

当我们谈到电机时，我们可以关注一下编码器。它实际上没有使用任何CPU，因为K64F有硬件支持，所以无论它是多快的旋转，它将仍然使用没有CPU。但是如果你打算用KL25Z构建它，那么它可能会很有用，因为它没有对编码器的硬件支持。由于没有这种支持，它必须使用中断来添加这种支持，因此这意味着至少30个中断周期，每个磁盘孔4个中断，每个磁盘10个孔，每秒100个轮子旋转。当然，这些只是样本数字，它们肯定可以更高或更低。但是他们估计4800万个循环中有12万个循环是可行的，这些数字听起来并不是很高，但是把它们放到MCU2中可能会很有趣。但这不是我的情况，因为我使用的是K64F。

伺服系统和马达是一样的。它们也依赖于PWM，PWM只需两次写入存储器，而且卸载PID计算的可用性也有所降低，因此这实际上更加无用。

让我们看看显示和按钮。起初，将它们卸载到次级MCU中听起来也很酷，因为这将再次为处理相机数据提供更大的处理能力。但遗憾的是，这又一次变得无用了，因为我们不需要那些按钮和显示器，当汽车行驶时，也就是处理相机数据的时刻。所以它总是运行，要么是带有按钮的dipslay，要么是带有传感器的摄像头。当然，当我们想调试我们的汽车时，我们希望看到显示器显示结果从摄像头，所以两者都应该运行，但在这种情况下，我们并不关心下降到20fps，因为它真的不重要，我们的眼睛，并会给我们足够好的印象。

接下来就是蓝牙了。如果它仅用于读取电机速度，编码器数据和伺服数据，那么它是有用的，因为所有这些数据都可以缓存在MCU2中，并且只需发送到另一个蓝牙设备，而无需与MCU1通话。但是如果你决定通过蓝牙发送其他东西，比如原始的相机数据，那么它就没有多大用处了，因为MCU2通常无法访问相机数据，需要向MCU1请求。这需要通过SPI将数据发送到MCU2，但如果蓝牙模块将直接挂接到MCU1并通过UART将数据发送到蓝牙模块，则没有太大的区别。

最后是步进电机。它的卸载可以是有用的，如果我们想移动它的位置更大的ammount，如果我们正在驾驶。但这也是需要的情况下，我们不会关心什么是当前的位置，电机，这是不经常发生的，当我们开车，至少不是在我们的情况。否则，一步移动电机只需在内存中写两次，我们就能准确地知道电机在哪里，没有延迟。

所以我们现在能够看到整体的结果。有点偏负到中性，但对KL25Z来说有点偏正。但是翻倍也是增加成本，而使用单人K64F就更好了。同时需要同时对两个芯片进行编程和调试，这就增加了测试的复杂度。所以现在你可以明白为什么我选择单人K64F了。

但是正如我所说的，双MCU在更多的I/O方面具有冒险作用，而我遇到了单MCU构建的问题。K64F的I/O引脚比KL25Z少，这在一定程度上也造成了这个问题，所以让我们来看看我的架构。

我们增加了旧板上的一些重要部件，如6V小型电源，为伺服电机供电。或者按钮，但是我们对它们进行了修改，使它们不像单个模拟元件那样工作，这就有点难以获得按压，所以我们不能使用经典的去抖，还有一个问题是可以按下多个键，这使得提取真实值有点困难，而且这将需要使用我们用于相机的A/D转换器，所以它可以降低最大fps。

然后我们添加了一些新的部分，例如外部I2C以便于添加I2C模块，陀螺仪以便于更好地计算汽车运动，开关和适当的显示器安装。因为我们已经添加了所有这些东西，并且我们使用了更少引脚的控制器，我们还需要添加I/O扩展器来增加可用I/O端口的数量。

PCB的布局设计将适合现有的电机板和其他部分，如SD1306显示器和K64F控制器。

这是5件新的作品，它们刚刚从中国运来:

这是焊接开始时的图像。但是已经有很多工作完成了。你可能一眼就能看到按钮，但如果你看得更详细，你会看到一些电容焊接，如果你看得更详细，你会看到电阻。它们的尺寸是0402 (0.4x0.2mm)，看起来就像一个小黑点。

 

你还可以看到没有元件的黄色滴物。这是我对缺失的液体焊剂的解。在我焊接任何元件之前，我加热我的烙铁到200度。这个温度是理想的，因为它使焊剂变成液体，但不会蒸发或冒烟。我做的第一件事是我插入我的烙铁到固态焊剂，然后把它移动到上面的板。在这一刻，应该有足够的流量在尖端。然后我用尖端接触板，把焊剂转到板上。

 

这种添加助焊剂的工艺是必要的，因为如果您试图在焊接温度（我使用350°)下获得助焊剂，那么助焊剂不会停留在尖端，因此无法到达电路板和元件上。

当焊剂到达所有要焊接当前组件的点后，您可以将烙铁调至焊接温度。待烙铁加热后，将元件放置在电路板上。如果您要焊接电容或电阻，则将元件放置在助焊剂旁边，然后将烙铁的尖端放置在元件的侧面，使其最大可能接触到元件，并将元件推向助焊剂。这将把热量通过组件传递到熔剂上，这样熔剂就会熔化，组件就会在熔剂内。极短时间后，助焊剂将激活并清除电路板和元件焊盘。仍然用这种方式握住烙铁，并用锡接触两个元件焊盘。在这之后，应该有你的部件与熔化的锡在它的位置，然后你应该移除烙铁。

这需要一些练习，因为元件粘在烙铁上，或者在焊盘上旋转，甚至站立（它们旋转90度，就像它们在单个焊盘上指向和站立的方式）。这通常是由于只有一个焊盘上有锡造成的。此外，您还应记住，连接到接地层的焊盘能够吸收大量热量。所以你应该加热他们更长的时间，甚至像10秒，这样组件正确地粘在一起。你应该能看到锡球的小变化，因为它正确地贴在地平面上（这种变化真的很快，需要半秒）。

如果你能使用液体焊剂或空气焊锡站，那么一定要使用它。它比这种方式容易得多。

我现在将解释为什么我先焊接像开关和按钮这样的较大部件，然后再焊接较小的部件，即使先焊接小部件是更好的做法。

原因很简单。我希望我的董事会测试尽可能好，并正在工作的第一次尝试。我主要是在焊接I/O扩展器之前焊接那些组件，因为这会使测试更加困难。我通过触摸I/O扩展器上正确的焊盘（属于被测试按钮或开关）和其他3.3V或接地来测试这些组件。当第二个焊盘接地时，电阻率应为10 kΩ。如果电阻率为零，则说明接地电阻短路；如果电阻率为无穷大，则说明某部分连接不良。当第二个焊盘为3.3 V时，电阻率应为无穷大，但按下按钮时，电阻率应变为1 kΩ。如果没有发生这种情况，那么您的电路中又出现了一些问题。开关的测试方式与按钮相同。

你还应该检查所有的电容。大部分都在某个电源轨上。电池有四个电源轨，分别为6V，5V和3.3V。当你焊接电容器，然后检查它属于什么轨道，并测量那里的容量。应随焊接电容的大小而增大。大多数情况下，所有电容都是100nF，因此应该增加到这个值。如果这是焊接到轨上的第一个电容，则容量应为100nF。当你测量了钢轨的能力后，你应该得到正确的值。如果万用表不能测量容量，那就意味着你短路了。如果它测量的是不变的容量，那么就意味着电容和板卡之间存在不良的连接。

此外，我建议在电阻或任何其他元件焊接到轨之前先焊接电容，因为这样您将无法测量之后的容量。当你在测量电阻时，那么你应该在它们连接的地方找到两个正确的焊盘，并检查是否存在短路或连接不良。

现在我可以告诉你:在有很多支腿的小部件上涂上尽可能少的锡。

如果你会拿很多锡放在腿上，那么它们就会连接在一起，你将有一个很大的问题，去除它。当你尝试焊接像这样的组件，然后采取尽可能多的少量锡，并尝试焊接它。如果量不够，就慢慢加锡。当我焊接它的时候，我以为我只是添加了理想的数量，但它太多了。第二个问题是我试了很长一段时间去锡，直到一些焊盘从板上脱出。我可以再次说，如果这发生在你，然后老学校锡提取器工作刚刚好，并尝试芬兰你的去除尽快。

我也会给出几个字，我是如何修复那些与电路板断开的引脚的。我发现最好检查工具是强光灯，你应该把PCB放在灯前面，它会透过，这样你就能很好地看到连接的痕迹或缺失的痕迹。我很幸运，所有的痕迹仍然是连接的，它们只是从原来的位置移动，触摸其他垫。解决这个问题的最简单方法是将烙铁加热到更高的温度，然后移动轨道，这样它们就不会相互接触，甚至可以将它们从电路板上拿起来放在组件的腿上。

我撒了点谎。有一条线从板上断开了。它是从I/O扩展器的中断引脚跟踪的。我原计划通过将中断引脚连接到板上正确位置来修复它，但我决定不修复此引脚，并保持断开状态，因为我还不需要此IC的任何中断。但是将来如果我决定将某些东西连接到GPIO报头，需要迭代的话，修复它可能是很重要的。

在焊接几乎所有元件后，您可以看到以下结果:

只有缺少连接K64F的头，因为这是我需要做的最后一件事，也是最高的组件。但在我焊接它之前，我通过底部的连接器将这块板连接到电机板。这允许我检查电池和6V轨是否工作。当两个蓝色LED亮起时，它被检测得非常快。如果发光二极管点亮，没有元件爆炸，可能一切都正常工作。现在也是带螺丝刀和万用表的好时机。将万用表连接到6V轨并测量电压。它可能会有点偏离6V。现在拿螺丝刀，用板上的蓝色电位器慢慢转动，直到你把6V轨的电压调到6V。

现在焊接那些剩余的头部和连接K64F。现在是时候希望一切都焊接正确，你可以测试出来。上传一些显示的程序，看看它是否亮起来，然后伺服，相机等。我希望它都能为你工作。对我来说，幸运的是，第一次尝试就成功了。

如果你有兴趣像我一样做你自己的轨道，你将需要一大卷纸。我不知道具体大小，但你可以看到它很大。你必须把那些巨大的纸放在一起，然后用透明胶带，这样它才能粘在地上。你应该用铅笔画出你的轨迹，因为如果你画错了，很容易修复这个问题。当你确定你已经正确地设计了你的轨道，然后使用黑色的电子胶带使所有这些边缘。

这个BOM包含了所有需要的部件，除了超高的头部，因为BOM是从原理图自动生成的，并且没有正确大小的超高头部，所以你需要手动将它们分成更小的部分。链接如下：