【第十六届全国大学生智能车竞赛回顾——华东赛区单车拉力组（全国二等奖）】
一.简述
作为第二次参加智能车大赛的“老队员”，有了前一届的参赛经验，上手起来确实轻松了不少。因此，在选择组别的时候，我便想挑战一下自己，选择了这个今年新加入的且难度较大的单车拉力组。
事实也证明，这个单车在制作和调试的过程中，难度的确很大。虽然实现平衡和循迹程序的算法相对简单（不排除有大佬采用了更加高级的算法），但是对于小车机械结构和参数的要求十分苛刻，需要不断尝试和调整才能十分稳定地跑起来。
下面我会对调车和比赛过程中出现的问题进行总结，并进行经验分享。
由于大部分比赛已经结束，所有的制作文件我都会开源，链接放在本文最后，大家可以自行下载。学业繁忙，评论区发邮箱暂不回复，希望大家理解。
二.小车制作过程（单车拉力组）
由于大小限制，此GIF采用了2倍速播放！
1. 车模介绍
单车拉力组是本届大赛新加入的组别，使用的车模也是新设计的K车模。
可能有不少同学看过稚晖君大佬的作品：我把自行车做成了 自 动 驾 驶 ！！ 抛开AI识别和路径规划等技术，稚晖君在这个作品中设计的自行车主体，是使用动量轮进行的平衡。这种平衡方式比较稳定，可以实现自行车的原地直立，在淘宝的平衡小车之家中也有类似的学习套件。
但是卓大大为了加大本组别的难度，在规则中明确要求了：不允许使用动量轮或质量快等实现平衡。那么，这个小摩托想要实现平衡行进就困难了不少。所以，K车模中并未设计安装额外平衡装置的位置。（具体实现方式后续说明）
下面开始吐槽：
★K车模精致帅气，主体采用纯金属打造，外喷金色涂装，尽显高端大气。
★车模采用传统的RS380电机控制后轮速度，舵机控制前轮转向的方式，实现小摩托的平稳运行。
★车模标配新款SD-12小舵机，不仅价格昂贵（单价115元），性能更是十分拉跨，响应慢，扭力小，易损坏，让调车人时常感受更换舵机的痛苦。
★标配的车模轮胎更是昂贵（一对120元），轮胎皮与轮毂一体构造，胎皮磨损后，只能整体更换。由于材质和设计问题，后轮轮胎极易磨损（前后轮轮胎相同，由于后轮为驱动轮，更易磨损），也需要不时更换，为我们的调车生活又增添的几分难度。
左边为使用5天的后轮轮胎，右边为使用了1天的后轮轮胎。
★车模设计的后轮固定结构更是有趣，由于制造上的误差，每台车模都有属于自己的特色。电机转动后，车轮或左右晃动，或上下晃动。调平衡难度进一步加大。
上面有关车模设计上的问题，在第一批车模上尤其突出，后面一批车模有一定改善，但仍然存在。（两批车模我都使用过）
2. 单车拉力组规则简介（具体规则参考卓大大的文章，规定使用STC的芯片）
单车拉力组与AI电磁越野组使用的赛道基本类似，只是做了部分简化。包含的元素有，直线、折线弯、十字、坡道、直角弯（直角弯难度较大，在赛区比赛中未添加）。
在各赛区的比赛中，基本都使用了下面这个赛道：（其中，蓝色部分为单车拉力组的实际赛道，灰色部分为原AI电磁越野组赛道，红色线段部分放置了一个坡道，红色圆圈放置锥桶，绿色部分为发车点）
小摩托只需要从发车点出发，循着电磁信号线（蓝色的赛道），正常绕行一圈即算完成比赛。期间，小摩托只要保持不倒（除两轮外的其他部分触地均算作倒地），且不碰撞锥桶，前不会穿过锥桶超近道即可。（卓大大发的规则中提到，碰撞锥桶后，锥桶移动10cm以内不算违规，但是对于单车而言，碰撞后基本难以再保持直立）
3. 小摩托的机械结构
★由于小摩托配套的SD-12小舵机性能弱且易损坏，因此我们改换成了性能更好的S3010舵机。
★自制的电池和支撑安装支架，可以方便把电池安装在小摩托底部，降低重心，更容易平衡，两边的支撑用于立住小摩托，以及防止倒地后摔坏小摩托。
★适当添加配重块，保证小摩托左右两侧的平衡，这样才能保证左右转弯时，不会有较大的差别。（例如左转转弯半径小，右转转弯半径大的情况）
★前轮安装使用了13孔,可以让转弯更加灵活。当然因人而异，也有队伍使用24孔跑得很好。
★由于小摩托制作的误差，当两个舵机前杆均安装上去后，会限制前轮的转向幅度，从而影响小摩托的最小转弯半径。因此，推荐只使用一个舵机前杆，另外一个使用橡皮筋拉住即可。
（Tips：此点因车因参数而异，我的小摩托在使用此种方案后，平衡稳定度得到了很大的提升，转弯也更加灵活。）
4. 小摩托的硬件电路设计
★STC16主控板采用了龙邱科技单车主板的外形设计，内部电路进行了一定的改造。
变动1：去除了不必要的模块接口，比如CCD等，简化主板结构；
变动2：采用TI的TPS5430芯片替换AS1015芯片（AS1015芯片缺货）为舵机进行供电。
变动3：稳压芯片采用了常用的AMS1117-3.3V线性稳压芯片，并在前面添加了LM2596-5.5V开关电源芯片，减少LDO的损耗。（LM2596芯片有点过时，但正常使用没问题）
变动4：更换了开关、接口、按键等原件的封装；
变动5：对电路板重新进行了布线和布局，并把电源地，模拟地和数字地进行了隔离；
变动6：更换的蓝牙模块接口是配套逐飞的蓝牙模块，方便使用。
变动7：下载电路换成了习惯用的CH340G芯片，体积略有增大。
★电机驱动采用了BTN7971芯片，芯片价格较高，但是电路非常简单，焊接调试难度小，运行稳定，板子体积也较小，适合使用在单车上。
★前瞻的外形采用龙邱的设计，但是把原来的LM358换成了一块OPA4377运放芯片，可以同时放大四路信号，因此一根杆子上仅有四路电感。
实际使用时，安装了两个前杆，采用6路电感进行循迹（一对水平，一对内八字，一对竖直），一般循迹只需一对水平和一对内八字电感即可，竖直电感主要用于判断直角（虽然判断直角的程序还未调试成功）
（推荐还是在一根杆上设计六个电感，减少前瞻的重量，小摩托更容易平衡。）
5. 小摩托的软件设计
小摩托的平衡原理和我们日常骑电动车类似：
电动车正常向前行驶的过程中，假设此时的小车平衡，平衡角度为0°。当车身出现向左倾斜的趋势时，如果想要车身回正，那么就需要前轮向左旋转；同理，当车身出现向右倾斜的趋势时，如果想要车身回正，那么就需要前轮向右旋转。
同时，当需要电动车向左转时，只需要令其向左倾斜一定的角度；当需要电动车向右转时，只需要令其向右倾斜一定的角度。这便是基本的控制原理。
更加详细的可以参考此篇博客：自行车平衡原理
软件的整体设计不难，重点在于调参。
与传统的两轮直立平衡车有异曲同工之处，代码中主要涉及三个环：
★一个是电机的PI环，用于稳定控制小摩托的运行速度。通过编码器反馈的实际速度，试电机转速达到目标转速。
★还有一个是舵机的PID环（直立环）,用于实现小摩托的直立。通过从MPU6050中获取左右倾斜的角度（类似于横滚角）和角速度，反馈到直立环中，输出控制舵机的PWM占空比从而改变舵机的转角，最后实现平衡。
★最后一个是模糊P+定值D的转向环，用于实现小摩托的稳定循迹。通过前瞻的电感值，经过一系列数据处理，最终计算得到所需的目标平衡角度。采用模糊控制，可以保证在直道稳定的同时，转弯也会灵敏识别。
★程序通过MPU6050的INT引脚，在初始化时设置了每5ms发出一个信号，从而每5ms控制一次。
★姿态角的获取采用了龙邱提供的MPU6050+DMP实现。
★为了消除电感值的一些噪声干扰，可以采用滑动平均滤波的方法。
三.问题汇总与经验分享
1.机械结构
★如果发现电机对整个系统产生很大的干扰。比如：打开电机使后轮转动后，主控出现死机、OLED花屏、舵机开始抖动、电感读取的值出现严重噪声等问题时，很可能是因为电机本身出现问题，需要更换电机才能解决。
★舵机对电感的值始终有一定的影响，且是由于舵机运动后内部电流变化产生的影响，而不是其产生的外部磁场干扰。（测试时：令舵机远离和靠近电感，发现一直有干扰，且基本没有区别；当舵机停止转动后，干扰消失）
★与上述相同：由于小摩托制作的误差，当两个舵机前杆均安装上去后，会限制前轮的转向幅度，从而影响小摩托的最小转弯半径。因此，推荐只使用一个舵机前杆，另外一个使用橡皮筋拉住即可。
（Tips：此点因车因参数而异，我的小摩托在使用此种方案后，平衡稳定度得到了很大的提升，转弯也更加灵活。）
★速度的稳定对小摩托来说十分重要，因此，只有令后轮越顺滑，齿轮间的阻力越小，控速才能越平稳。需要格外注意轮胎两侧固定轮胎的两个金属柱的正反问题，放反后，会卡住轴承，增大转动的阻力。齿轮和轴承上可以滴加一点润滑油。
★由于小摩托后轮驱动，摩擦较大，因此后轮极易磨损，打滑后对上下坡十分不利，需要及时更换。
★前瞻需要尽可能轻，要令小摩托的整体重心靠后才容易控制，转弯不容易倒。
★定期检查电感的值，可能会有较大的变化，很多因素都会影响采集的电感数据。
2.硬件电路
★板子越精致小巧，小摩托越容易平衡和循迹。因此，在有足够设计和焊接能力的前提下，缩小电路板体积是十分必要的。
★布线时候需要格外注意，对于电源的滤波电容，电源线需要先要经过电容再进入芯片的电源引脚，否则起不到滤波作用。尤其是对STC16单片机而言。（第一版主板由于粗心大意，没注意此问题。导致电机和舵机打开后，电源不稳定发生波动，STC16直接死机）
3.程序设计
★推荐加装蓝牙传输模块进行调试，在匿名上位机上显示波形，可以更加直观地调试各种参数，缩短调试时间。（经过测试，除去帧格式，只能发送4个字节用于显示的数据，否则单片机运行速度不够，会出现程序崩溃或丢包的情况）。
★直立环（舵机PID）的稳定性对小车后续的调试起着至关重要的作用，下图展示的是我的小摩托的直立稳定性能。只有当小车可以十分稳定地直立前进后，才能更好地实现循迹。（直立调试要求：几乎可以走直线、遇到轻度颠簸路面可以稳定通过、用手添加外力后可以迅速转向不抖动）
★直立环的积分系数I很重要，用于平衡长时间的积分量。将会直接影响小车的当前角度是否能达到目标角度，使用上位机进行波形观察可以明显看出。当目标倾角越大时，静态误差也越大，比如设定的目标倾角为5°时，I不够大的情况下，小摩托可能一直保持在8°左右行驶，那么就很容易倒地。
★STC8H系列单片机使用MPU6050获取姿态角时，只有一阶互补滤波有效，二阶互补滤波和卡尔曼滤波会出现延时（严重的阻尼现象），移植的DMP也会有较大的过冲（暂未解决）。因此推荐使用STC16，并直接使用龙邱移植好的未开源DMP库。
★在小摩托本身硬件没有大变动的情况下， 直立环的参数是固定的，调节好后，可以一直保持稳定，不需要经常调。
★虽然舵机对电感值有干扰，但是相对于电感值的变化幅度来说，是可以忽略的。经过测试，电感靠近和远离电磁线时，数值变化的幅度可达2000~3000。而舵机的干扰始终在30以内。经过滤波和归一化后，可以基本消除干扰。
★Keil251的编译器经常会出现许多奇奇怪怪的问题。比如：1.写的某些函数会导致程序卡死，无论是否调用；2.某些变量定义的顺序会影响程序的正常运行；3.一条语句中定义多个变量也会影响程序运行；
4.参数调整
★★★小摩托想要直立前进，首先需要找到它的角度中值，也就是可以直线行驶时，横滚角的角度。可以通过悬挂法，或者把小摩托放在平面上，调节它的姿态，找到平衡点，记录此时的角度，然后在程序中进行角度偏差的补偿。
★★★PI速度环：此环参数较为简单，下面这个参数基本可以。需要保证电机转动过程中可以明显感觉到转动速度均匀，而非周期性得一快一慢。（注意：使用的是龙邱512线编码器，如果是1024线编码器，参数需要改动）
★★★PID直立环：此环的参数与行驶的速度有很大的关联，因为速度和直立环会同时影响小摩托的平衡。整体来说是：速度越大，直立环的P和D越小。
在保证角度中值准确，速度适当且恒定的前提下：
☆先调节P和D并添加固定的系数I（0.1左右），当小摩托可以简单直立后，增加P和D。
☆如果出现直线行驶时，前轮左右晃动幅度过大的情况，可以降低P，略微增大D；
☆如果用手突然改变前进方向，小摩托出现明显的左右震荡，需要降低D。
☆给与小车一定的倾斜角度，使其绕圈行驶，通过上位机观察。如果实际角度始终与目标角度有较大的误差，需要适当增加I。
★★★模糊P+定值D转向环：这个环主要是通过电感归一化后的值，经过差比和得到的偏差，来计算出需要的倾斜角度，从而实现转弯。实际使用时，定值D比模糊D效果更好，且节省资源。
☆P的模糊表和相应的系数需要自行设计。此环的系数主要通过实际循迹时进行调整。
☆当寻直线时，如果发现小摩托在线上左右摆动，不贴线，可以增加D进行抑制。
☆当发现小摩托转向不灵敏时，可以适当增大P来提高灵敏度。
四.总结
★最终获得了华东赛区决赛第八的成绩，勉强拿了一个赛区一等奖。小摩托的最好水平没能在比赛时发挥出来。
★赛道全长84m左右，在试车的时候可以跑到最快的速度，一圈63s；初赛时能跑中等的速度，一圈70s，获得了初赛第六；决赛时只能以最慢速才能完赛，一圈77s，获得了决赛第八（初步分析是由于场地更换的问题，试车和初赛都在A赛道，决赛在B赛道，赛道和信号发生器都有一定的差别）。无法跑完全程，几乎都是在出十字时，小车出现跑偏的情况，且无法寻回路线。
★至于有关本届华东赛事承办学校在办赛过程中出现的诸多问题，我在此就不多说了。仅对那些因各种原因未完赛的车友们表示理解与遗憾。
★最后再放一个调试的慢速运行过程，由于是gif，演示效果可能不明显。实际测算后，最慢速度约为45cm/s。
PS:华东赛区8个国赛名额，我们混进了国赛，躺赢国二，嘿嘿!
★文章如有错误，欢迎指正。
开源资料链接：第十六届单车拉力组开源资料