基于LDC1000的自动循迹小车

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

大三上学期课程设计的题目选了做小车，需要使用的是TI公司的LDC1000或者LDC1314，题目如下：

首先选择做这道题是因为之前做小车比较熟悉，仔细分析一下其实也就是缺个传感器，其他的该有的都有了只需要稍作修改，于是乎开始了这一段有意思的旅途。

将整个系统分为采集、处理、控制三部分。
第一部分为采集模块，采用LDC1000采集赛道信息并转化为数字信号传输给数据处理模块。
第二部分为以MK60DN512ZVLQ为主控芯片的处理模块，根据预先写好的算法处理输入数据，输出不同的PWM以控制小车行驶状态。
第三部分为控制模块，被控制部件状态包含舵机转向和电机转速两部分。
系统工作框图如图1 所示：

然后传感器的选择有LDC1000和LDC1314：

LDC1314为四通道12位电感数字转换器，支持的传感器频率范围1KHZ至10MHZ。由于支持的传感器频率范围较宽，因此还支持使用非常小的PCB线圈，从而进一步降低感测解决方案的成本和尺寸。

LDC1000是主要针对近距离金属探测应用，系统体积小，成本低。能实现感测系数可调，自定义导体感测范围，还可以近距离感测特定的金属导体。采用了SPI接口编程，占用硬件资源少，只需要外接一个PCB线圈或者自制线圈就可以实现非接触式电感检测。但LDC1000仅支持单通道。

从上面的介绍来看似乎选个LDC1314就完美了，没错我的想法也是这样的，题目一出找了几天资料后发现1314的资料太少了，感觉很难做不做从何入手，相比而言1000的资料多一些，于是果断申请了TI的一片LDC1314和一片LDC1000，几天后到了，才发现我的天这封装。。。

好吧我服了，封装没现成的，那么花了几个小时自个画了个，折腾一下午然后把它刷出来，发现焊不上，网上的一个教程是先在焊盘上先加一层锡，然后用热风机吹，鼓捣了一下发现好像焊上了，下图只是将LDC1000的典型电路花了出来，然后再把引脚引出来，接下来就面临一个更大的问题，线圈？？？

1、自己绕，可是不知道参数啊，绕多大多啊圈。。。
2、买现成的，这样参数确定了，但是是多大。。。
3、PCB线圈，按照一份文档里面的设计了几个PCB线圈
可是实验室条件很难做到很细的走线，最后以失败告终，

就这样过去好几天没有进展，便打开某宝，搜了搜找到个现成的模块看上去还ok就买了回来，如下图

回想一下，这个真的要自己设计的话难度挺大的，主要是线圈的设计吧，找到一份比较好的文档：

机械结构上的设计
在一开始时选用飞思卡尔的B车模改装一下，其实就是把底盘换了个短一点的，因为题目对于车长有要求，接着发现单电机配合舵机转弯时不大顺利，于是偷天换日将后面的两只轮子改成E车模的。。。于是诞生了下面的奇葩车。

金属检测理论分析
LDC1000的电感检测原理是利用电磁感应原理。在PCB线圈或自制线圈中加上一个交变电流，线圈周围就会产生交变电磁场，这时若有金属物体进入此电磁场就会在金属物体表面产生涡流（感应电流）。涡流电流跟线圈电流方向相反，涡流产生的反向磁场跟线圈耦合形成一个变压器。由于变压器的互感作用，在初级线圈可检测到次级线圈（金属物体的涡流效应）的参数。
LDC1000是依靠检测等效并联电阻来测定金属物体是靠近还是远离线圈，所以当有金属物体接近时，就会使传感器的数值发生变化，对这一变化进行判断便可得知小车是否在正确的轨道上。

线圈扫描理论分析
LDC1000采集的信号有两个：传导目标（金属物体）接近时导致的线圈涡流损耗Rp，以及线圈的电感值L。根据线圈的不同，这个传感回路的震荡频率范围为5kHz~5MHz，涡流损耗Rp的分辨率是16 位，电感测量L的分辨率为24 位。Rp 可推算出金属的距离，利用Rp值的变化完成金属物的定位。
设计使用LCD1000 配合单线圈摆动扫描，增大扫描赛道面积，将线圈固定在一个舵机上，使线圈在铁丝上面水平扇形摆动。在一个摆动周期内取不同位置的读数，相当于有多个线圈在检测赛道。这样可大大降低整体设计的成本。
该方案在程序中实现方法是：K60不断监测LDC1000传感器送回的数据。一次完整的采样周期是：舵机从右往左扫描——采集数据保存至数组——舵机从左往右回到初始位置。通过设置一个阈值，当大于阈值时则为检测到铁线，小于阈值时则没有，并计算当前检测到铁线的值在数组中的相对位置，以此作为前轮舵机转向和后轮驱动的依据，达到循迹的目的。

检测硬币
当传感器检测铁线时，由于铁线的表面积较小，产生的涡流较小，K60读出LDC1000采集回来的数据较小；当检测的硬币时，由于硬币的表面积较大，产生的涡流大，K60读出LDC1000采集回来的数据将比之前大很多。因此，我们可通过设定阈值来区分铁线与硬币的
最重要的就是找到一个阈值~

测行驶距离
我们采用欧姆龙500 线的光电编码器。电机每转一圈，编码器输出500个脉冲，则车轮走过了75mm。
单片机通过FTM模块的正交解码功能实现对脉冲的计数，从而实现对小车行驶距离的计算

程序设计
程序上移植了浮点科技电轨传感器LDC1000驱动的例程，非常感谢。

接下来电源等其他的都是以前的了

最后的小车：

总结
首先是赛道与电感传感器的问题。我们在前期测试的时候，由于赛道本身有个别地方存在转角过大，小车转向不足的问题。此种情况时会造成无法识别的情况，从而使小车冲出赛道。后来通过利用前轮舵机转向，后轮双电机差速能较好地解决此问题。
其次是传感器模块线圈限制，导致其感应距离较小，只能将LDC1000模块尽可能靠近铁线，并且使用了热熔胶对其进行了固定，但仍不能完全使其在每个摆脚下与铁线的高度保持一致。另外，由于电感传感器通过杜邦线与车身底部的线圈相连，偶尔会出现数据波动的情况，对小车的正常行驶有很大的影响，后来换用质量较好的灰色排线情况有所改善。
还有，测距不是很准确。究其原因，与车身机械结构有很大的关系。改进方向为：多次获取记录赛道距离数据，使用matlab建模（编码器脉冲数与实际距离的函数关系模型）拟合曲线。
最后，小车整体的稳定性与电池供电电压有着很大关系，电池电压在7.2伏左右时系统最为稳定。当小车供电电压低于6V时甚至更低时，可能会引起很多意想不到的情况，例如LDC1000检测出的值错误，感应不到金属，小车转向异常，驱动力不足等。在我们起初遇到此情况时，以为是电感传感器的问题，在多次调试无效后，换了个电池，才偶然发现问题的起因，为此耽误了很多的时间。

测试答辩后
答辩的时候很有意思的就是老师要求我们将赛道反过来（因为赛道上面是直接将铁线贴上去的），然后测试能不能跑完，然而在一开始还行，第一个弯就gg，这里就说明确定一个阈值只能适应你这个跑道，如果想要更好的适应性，能做的一个是动态阈值，根据测得的值来确定，总而言之，在这次课设中学到了很多~