README.md · zhao/（2023年）智能汽车竞赛-完全模型组-学习资料

# 一、开源资料简介

智能汽车竞赛-智控板（也称下位机控制板/CarDo），由 [**北京赛曙科技有限公司**](https://bjsstech.com/)主导研发，是一款针对智能汽车、全面软硬件生态开源的控制主板（MCB）。

此外，为推动AI无人驾驶教育事业快速普及，降低该类高新赛事技术门槛，倡导公平、公正与合作共赢的比赛精神，赛曙科技联合诸位研发工程师历经数月开发与测试验证，开源以下技术方案（供交流学习）：

- [01] CarDo智控板PCB工程；

- [02] CarDo智控板嵌入式软件工程；

- [03] CarDo智控板使用说明文档；

- [04] 智能汽车自检助手（.exe）；

- [05] 上下位机通信协议；

- [06] 百度Edgeboard-FZ3B AI软件工程（C++版本）；

- [07] 百度飞桨 EasyData AI 数据标注教程；

- [[08] 百度飞桨 Aistudio AI模型训练工程及教程（SSD）；](https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/5143716)

- [09] 百度飞桨 Edgeboard 板卡AI模型终端部署教程（C++版本）；

- [[10] 智能汽车竞赛-2023年智慧农业赛题VOC数据集；](https://aistudio.baidu.com/aistudio/datasetdetail/186919)

- [11] 智能汽车制作演示视频（Demo）；

# 二、智控板简介

大学生智能汽车竞赛开源智控板（CarDo），其核心功能包括阿克曼转向模型（舵机）控制、直流电机闭环（PID）控制、上下位机串口通信（UART）、电池电量监控（SOC）、以及声光电等形式的人机交互（HMI）功能。

![](./res/24a5bfef21afdf96de4ad02c2c27c51e.png)

图2.1 智控板核心功能拓扑

## 2.1 智控板外型图纸

智控板外型尺寸如图2.2所示，电路板以4个3mm固定孔与智能汽车底板连接，车模出厂均开孔，参赛队伍自行安装测试。

![](./res/9e52eda85767408fdccc0469bc3e32b9.png)

图2.2 智控板PCB尺寸

智控板的电气接口如图2.3所示，PCB丝印层已标注信号标识，电源输入端已设计防反接和常规EMC保护措施，各调试接口均按最佳人机友好方式设计，确保比赛调试高效可靠。

![](./res/8279bf72cff0c63d114f6a09697e158a.png)

图2.3 智控板（CarDo）外设接口

## 2.2 智控板装配效果

智控板在智能汽车上的装配示意图如图2.4所示，其人机交互接口（开关、按键、程序下载口）均对应车壳开孔位置，此外参赛队伍需要额外制作线材：EB电源线x1、电机电源线x1、编码器信号线x1、双头USB-A（公头）x1。

![](./res/4531ad4fc5aca16de9c245910cb79055.png)

图2.4 智控板装配示意图

# 三、智控板编程说明

智控板采用GD32F103C8T6-ARM-Cortex-M3单片机作为核心控制器，其最大主频为108MHz（实际使用72MHz）， 软硬件均保持与STM32F103C8x单片机一致。源码工程基于Keil-5创建，程序下载及调试可通过J-Link-OB调试器完成。

![](./res/c36bb39dc2c08c3924ad767f43e9863b.png)

图3.1 J-Link OB 调试器

注意在使用相关模块功能时，添加相关的线程计数函数在timer.c当中，并在main.c添加相关的初始化函数和处理函数。

## 3.1 Block模块化设计

如图3.2所示，智控板嵌入式软件基于模块化（Blocks）规则搭建，分别针对硬件底层驱动（BSP）、应用级算法逻辑（Logic）和伪线程逻辑分配（Thread）三部分代码模块化设计。

![](./res/174d8d1c9daccd588f1ac89bc47efe23.png)

图3.2 智控板模块化（Blocks）软件架构

源码工程依据模块初始化（Init）→逻辑控制（Handle）→线程控制（Timer）的流程搭建，每类功能块（Block）代码的架构清晰且高效运行。参赛者可按此规则自定义功能块，并协同调度相关资源。

代码初始化部分代码均在程序主入口“main.c”中：

![](./res/a7a98f8446eb1083663f56936dc3d6d9.png)

图3.3 智控板程序初始化位置

各功能块逻辑控制部分在程序主入口“main.c”的循环部分（While），这部分代码包含各个模块的核心控制逻辑与数据交互内容。例如蜂鸣器音效的控制逻辑控制，需要根据不同频率和名叫次数产生各项音效（确认/报警/完成等），通过各个标志位和计数器实现。

功能块的逻辑控制代码将封装在一个_Handle（）函数中，并且在While循环里持续运行，请注意这部分代码禁止产生任何延时（Delay）或堵塞（Stop）效果，通常认为_Handle（）代码中执行的内容零延迟（No Delay!）。程序中所有时序效果都由线程（Timer）控制。

![](./res/01b45ada668f3a866ff7f5a50b0b636f.png)

图3.4 智控板功能块逻辑控制代码位置

智控板线程控制代码位于“Timer.c”文件的定时器中断里，终端周期为1ms，所有功能块控制逻辑所需的时序均在此统一控制。

![](./res/c48d30c595a0bf3c73aeafe5aaff6e22.png)

图3.5 智控板线程控制代码位置

## 3.2 上下位机通信协议

【表1】智控板上下位机USB/UART通信协议

![](./res/bef319a990438649bf24cc490315f90a.png)

数据解析：上表数据涉及Byte（Char），Float，Uint16，Short（Int16）四种类型，智控板与FZ3B数据编码和解码均通过共用体（Union）实现，例如：

> typedef union
>
> {
>
> 	uint8_t U8_Buff[2];
>
> 	uint16_t U16;
>
> 	int16_t S16;
>
> }UNION_BIT16;
>
> typedef union
>
> {
>
> 	uint8_t U8_Buff[4];
>
> 	float Float;
>
> }UNION_BIT32;

USB/UART通信帧中，校验和（Check）为包括帧头（Head）开始的10字节数据和，其具体在驱动板中的计算方式为：

> uint8_t check = 0;
>
> for(int i=0;i\<10;i++)
>
> 	check += UsbStructure.ReceiveBuff[i];

## 3.3 智能车姿态控制（舵机）

舵机的相关驱动代码在“Servo.c”文件中

![](./res/44c9f649271dcacff83c7c502a87d4ae.png)

图3.6 舵机驱动功能块代码

智控板舵机（Servo）的核心函数（API）及使用说明如下表：

【表2】SERVO对应API说明

| API(可使用的程序接口)                    | Function(功能)                                                    |
|------------------------------------------|-------------------------------------------------------------------|
| SERVO_Init(void)                         | 初始化舵机控制底层，并打舵至车辆居中位置                          |
| SERVO_AngleControl(float angle)          | 舵机角度（Angle）控制，左右最大角度值为±38°（最大角度限制可修改） |
| SERVO_SetPwmValue(signed int pwm)        | 舵机输出的PWM控制，值域：500\~2500                                |
| SERVO_SetPwmValueCorrect(signed int pwm) | 舵机PWM控制，根据用户设定的舵机PWM阈值矫正后输出PWM               |

在程序中，舵机的设定控制量的范围在500\~2500（0°\~180°），根据实际小车的结构，前向转角限制需要设定限制，比如：设定为1150\~1850，目的是防止舵机卡死在限定的角度，舵机在堵转时电流会增大，经过一段时间的发热之后，舵机最后会烧毁。设定切换舵机角度的时间不应该小于舵机本身的响应时间，在不合适的切换周期内快速切换，电流同样逐步增大，最后导致舵机烧毁。

在头文件（Servo.h）中修改配置参数。（注意：舵机在使用时请先进行中值校准）。

![](./res/5749abab535c3cb99ef870a9d2b2d63a.png)

图 3.7 舵机阈值设定

## 3.4 智能车速度控制（直流电机）

智控板针对智能汽车的行驶速度控制任务，涉及到编码器速度采样（Encoder）、闭环速控模型计算（PID）、直流电机全桥驱动电路控制（Motor）三部分内容。其代码构成如下图：

![](./res/35cb77a930e9241f72e0acc89b1f8a87.png)

图3.8 车辆速度控制代码文件

### 3.4.1 编码器采样（Encoder）

编码器采样的程序及API说明如下表：

【表3】ENCODER对应API说明

| API(可使用的程序接口)    | Function(功能) |
|--------------------------|----------------|
| ENCODER_Init(void);      | 编码器初始化   |
| ENCODER_RevSample(void); | 编码器转速采样 |

## 3.4.2 闭环速控模型（PID）

智控板针对智能汽车竞赛的车模（I车模）深度开发调试，给定一版PID模型参数供各位参赛选手学习研究。通常需要根据每辆智能汽车的硬件条件深度调试，匹配最佳的PID参数，参赛选手可在“Pid.h”文件的宏定义部分修改该参数：

![](./res/735e9ad1a0ff2a95ee7642c91e1fc2b5.png)

图 3.9 PID参数修改

PID闭环速控模型的API功能及说明如下表：

【表4】PID对应API说明

| API(可使用的程序接口)              | Function(功能)                                                   |
|------------------------------------|------------------------------------------------------------------|
| PID_Init(void)                     | PID参数初始化                                                    |
| PID_MoveCalculate(PID_Struct \*pp) | PID速控模型计算输出的pwm(注意：需要编码器转速采样之后，进行处理) |

## 3.4.3 直流电机全桥驱动控制（MOTOR）

据实测，智控板针对智能汽车竞赛车模（I车模）的实际驱动速度为：空载最高14.7m/s，负载最高11.7m/s。在驱动代码的头文件（Motor.h）中限制了车辆的最高速，以保障各项安全。同时参赛队伍可以修改控制周期等参数调试。

![](./res/21aa75b4e1db256b49f4bb5ffff5afec.png)

图3.10 MOTOR控制头文件

智控板对直流电机全桥驱动器的功能函数说明如下表：

【表5】MOTOR对应API说明

| API(可使用的程序接口)             | Function(功能)                                                  |
|-----------------------------------|-----------------------------------------------------------------|
| MOTOR_Init(void)                  | 电机控制初始化                                                  |
| MOTOR_SetPwmValue(signed int pwm) | 电机输出pwm设置，-2000\~2000,绝对值越大，转速越大               |
| MOTOR_ControlLoop(float speed)    | 电机闭环速度控制，函数输入为速度m/s（需要编码器采样转速后使用） |
| MOTOR_Timer(void)                 | 电机控制线程，10ms对电机进行一次控制                            |

## 3.5 电量计

电池在长时间使用过程中，过充亦或者使用电压持续过低容易对电池造成损坏，电量计用于采集电池的电压和电量，可有效协助参赛队伍合理利用电池。

电量计的相关驱动代码在“soc.c”文件中，其功能API说明如下表：

【表6】SOC对应API说明

| API(主要的程序接口) | Function(功能)                                                                                                                                 |
|---------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| SOC_Init(void)      | 初始化电量计 返回值1，i2c读写错误 返回值2，芯片处于sleep模式 返回值3，写入的profile信息读出与代码不一致 返回值4，芯片启动30s内读电量值一直异常 |
| SOC_Timer(void)     | 电量计计数器，用于控制电量计时序                                                                                                               |
| SOC_Handle(void)    | 电量计处理函数，每秒采集电量和电压进行更新                                                                                                     |

用户可根据自身需求，去修改文件中的源码设置，从而实现个性化的功能。例如低电量报警等功能。

# 四、人机交互功能（HMI）

智控板为参赛队伍设置多项必要的人机交互功能，包括发车和调试所需的按键输入（Key）、传感器光源补偿和状态提醒的RGB彩灯控制、报警及提醒的多功能蜂鸣器音效。

![](./res/53d5f7be01b52ec83dce37398c88088e.png)

图4.1 人机交互功能

## 4.1 按键挡位

在“Gpio.c”文件中，已经添加了按键的相关响应接口，在“Icar.c”文件中参赛者可添加相关的按键处理代码来实现个性化的操作，通过精确捕捉按键按下的时长来检索各个模式挡位。比如：可设定在按键按下进行小车发车，可设定按键持续按下3s以上进行小车的自检等等。

![](./res/b6f48f4e2978c79122964423cd751928.png)

图4.2 添加按键处理代码

## 4.2 RGB全彩灯控制

用户可自己设定RGB灯光的颜色来便于观察小车的运行状态，譬如：在小车静态情况下设置为蓝色，运行过程中RGB灯光切换为绿色，电量较低时RGB切换为黄色或者红色。来展示小车的状态。

RGB彩灯规格推荐WS2812系列灯珠（淘宝可买），灯的数量自选，可串联使用，通过单总线协议控制灯效，彩灯供电推荐5V，并接入智控板的扩展IO使用。

![](./res/c49c0581c36572bf590df2645d331d81.png)

图4.3 WS2812系列彩灯

智控板针对WS2812单总线协议控制RGB彩灯的代码在“Rgb.c”文件中，其核心API说明如下表：

【表7】RGB对应API说明

| API(可使用的程序接口)                                            | Function(功能)                   |
|------------------------------------------------------------------|----------------------------------|
| RGB_Init(void);                                                  | RGB灯初始化                      |
| RGB_SetAllColor(unsigned long color);                            | 设置灯光的颜色                   |
| RGB_SetColorToColor(unsigned long color0, unsigned long color1); | 设置灯管颜色从color0渐变到color1 |

彩灯的色值在“Rgb.h”文件中有定义，参赛者可自定义添加颜色。

![](./res/36796e90530bcc4ae81e2bf8daf23430.png)

图4.4 RGB彩灯颜色定义

# 4.3 蜂鸣器音效控制

智控板为参赛队伍设计一颗5V无源蜂鸣器，用户可自己设定蜂鸣器的运行模式进行人机交互。例如：在系统初始化成功之后，设定开机音效；按键按下时，设定提示音效；低电量的情况下进行电量报警的音效。

蜂鸣器使用的函数说明如下表：

【表8】蜂鸣器对应API说明

| API(可使用的程序接口)                  | Function(功能)                                                                     |
|----------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------|
| GPIO_Initialize(void);                 | 初始化一个蜂鸣器，状态LED和按键输入                                                |
| GPIO_Timer(void);                      | GPIO的线程控制                                                                     |
| GPIO_Handle(void);                     | GPIO的处理函数                                                                     |
| GPIO_BuzzerEnable(Buzzer_Enum buzzer); | 蜂鸣器工作模式设定，可设定为以下5种![](media/8a0fa893d2fbee4e323a5374f645c402.png) |

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