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基于 CPKCOR-RA8D1 开发板的 RTK 智能车

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abner_ma 发表于 2025-11-2 22:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
开发板, 智能车, gp, ar, RT, CPKCOR-RA8D1
  基于 CPKCOR-RA8D1 开发板的 RTK 智能车开结合实时动态定位（RTK）技术与嵌入式控制，实现高精度导航与运动控制。核心处理器选择RA8D1 ，搭载ARM Cortex-M85内核，主频高达 240MHz，是当前 Cortex-M 系列中针对实时控制优化的高性能架构。相比传统 M4/M7 内核：整数运算性能提升约 30%，支持单周期 MAC（乘法累加）操作，可快速处理电机 PID 控制、路径规划中的矩阵运算（如坐标转换、航向角计算）。集成双精度 FPU（浮点运算单元），直接硬件加速 RTK 定位中的坐标转换（如 WGS84 到 UTM 的投影计算）、姿态解算（MPU6050 的欧拉角转换）等浮点密集型任务，避免软件模拟带来的延迟。
  单片机资源丰富，多通道 UART：支持至少 6 路硬件 UART，可同时连接 RTK 模块（ZED-F9P）、蓝牙（HC-05）、Wi-Fi（ESP8266）、激光雷达（若扩展）等，且支持高达 3Mbps 波 特率，确保 RTK 差分数据（RTCM）和传感器数据无丢包传输。
  高精度定时器（GPT）：内置多通道 32 位定时器，支持编码器接口模式（Encoder Mode），可直接连接电机霍尔编码器，通过硬件计数实现转速测量（精度达 ±1 脉冲），比软件计数减少 ±5% 的误差。
   PWM 模块：支持多达 12 路独立 PWM 输出，且支持死区控制和互补输出，可直接驱动 H 桥电机驱动器（TB6612FNG），避免电机换向时的短路风险。
I²C/SPI 接口：硬件 I²C 支持 1Mbps 速率，可高效连接 MPU6050（姿态传感器）；SPI 支持 40MHz 速率，可扩展高速存储（如 SD 卡记录轨迹数据）或 Wi-Fi 模块。
一、开发目标与核心需求
1. 核心目标：实现智能车在厘米级定位精度下的自主导航、路径规划与运动控制。
2. 关键指标：
◦ 定位精度：RTK 模式下水平 ±1cm，垂直 ±2cm；
◦ 控制响应：电机调速响应时间＜100ms；
◦ 导航模式：支持定点巡航、路径跟踪、避障绕行；
◦ 环境适应性：适应室内外平整路面，支持蓝牙 / Wi-Fi 远程监控。
二、硬件系统设计1. 核心控制模块
• 主控制器：CPKCOR-RA8D1 开发板（基于瑞萨 RA8D1 MCU，ARM Cortex-M85 内核，主频 240MHz，支持 FPU/MPU，丰富外设接口）。
• 功能扩展：利用开发板的 GPIO、UART、SPI、I²C、PWM 接口，连接传感器与执行器。
  系统结构：
2. RTK 定位模块
• RTK 模块：选用北斗 + GPS 双模模块（思南RTK模组），支持 RTK 解算，通过 UART 与 RA8D1 通信（波特率115200）。
• 差分信号源：
◦ 户外：接入 NTRIP（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol）服务器，通过 4G 模块（如EC20）获取差分数据；
◦ 室内 / 小范围：搭配本地基准站，通过 LoRa 模块传输差分信号。
• 天线：高精度 GNSS 有源天线（放置于车顶，避免遮挡）。
3. 运动控制模块
• 驱动方式：两轮差速驱动（左右轮独立控制转向）。
• 电机与驱动器：
◦ 电机：直流减速电机（带霍尔编码器，如 TT 电机，转速 300rpm，减速比 1:48）；
◦ 驱动器：H 桥电机驱动芯片（如 TB6612FNG，支持 PWM 调速，通过 GPIO 与 RA8D1 连接）。
• 编码器接口：RA8D1 的定时器（TIM）捕获编码器脉冲，用于速度闭环控制（PID 调节）。

4. 环境感知模块
• 避障传感器：
◦ 超声波传感器（HC-SR04，检测距离 2-400cm，用于中距离避障）；
◦ 红外接近传感器（GP2Y0A21YK，检测距离 10-80cm，用于短距离防碰撞）；
◦ （可选）激光雷达（如 RPLIDAR A1，通过 UART/SPI 连接，用于环境地图构建）。
• 姿态传感器：MPU6050（加速度 + 陀螺仪，I²C 接口），辅助判断车身倾斜状态，修正运动控制。
5. 通信与电源模块
• 无线通信：
◦ 蓝牙模块（ESP32，UART 接口，用于近距离调试与控制）；
◦ Wi-Fi 模块（ESP8266，SPI 接口，用于远程数据上传与指令接收）。
• 电源系统：
◦ 主电源：12V 锂电池（容量 5000mAh，持续供电≥2 小时）；
◦ 稳压电路：
▪ 5V 输出（给 RTK 模块、传感器、通信模块供电，采用 LM1117-5V）；
▪ 3.3V 输出（给 RA8D1 开发板供电，采用 AMS1117-3.3）。
三、软件系统设计
  瑞萨官方提供对RT-Thread、FreeRTOS等实时操作系统的完整支持，包括外设驱动库（FSP，Flexible Software Package），可快速实现多任务调度（如电机控制、传感器采集、导航算法的并行运行），避免底层驱动开发的重复劳动。基于FreeRTOS/RT-Thread 实时操作系统（适配 RA8D1），采用模块化设计，确保任务调度与实时性。
1. 系统架构
• 内核层：RTOS内核（任务管理、定时器、信号量、消息队列）。
• 驱动层：硬件外设驱动（UART、SPI、I²C、PWM、GPIO）及传感器驱动（GNSS、编码器、MPU6050 等）。
• 应用层：功能模块（定位解析、运动控制、路径规划、避障逻辑、通信交互）。
2. 核心任务设计（优先级从高到低）
任务名称
功能描述
周期 / 触发方式
优先级
电机控制任务
读取编码器，执行 PID 速度闭环控制
10ms（定时器触发）
最高
传感器数据任务
采集超声波、红外、姿态数据，检测障碍物
50ms
高
RTK 解析任务
解析 GNSS 数据（GGA/RMC 消息），获取经纬度
100ms（UART 中断）
中
路径规划任务
根据目标点与当前位置，计算期望速度与转向
200ms
中
通信任务
蓝牙 / Wi-Fi 数据收发（指令接收、状态上传）
500ms
低
3. 关键算法实现
  
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  1. /* 坐标与姿态数据结构 */
    

  2. typedef struct {
    

  3.     double lat;       // 纬度（度）
    

  4.     double lon;       // 经度（度）
    

  5.     float  alt;       // 海拔（米）
    

  6.     float  heading;   // 航向角（度，0-360）
    

  7.     float  speed;     // 移动速度（米/秒）
    

  8.     uint8_t fix_type; // 定位类型（0=无效，1=单点，2=RTK固定）
    

  9. } gps_data_t;
    


  10. 

  11. /* 电机控制参数 */
    

  12. typedef struct {
    

  13.     int16_t target_speed;  // 目标速度（PWM占空比，-1000~1000）
    

  14.     int16_t current_speed; // 当前速度（编码器计算）
    

  15.     int32_t encoder_cnt;   // 编码器累计脉冲
    

  16.     // PID参数
    

  17.     float kp;
    

  18.     float ki;
    

  19.     float kd;
    

  20.     float err;       // 当前误差
    

  21.     float err_last;  // 上一次误差
    

  22.     float err_sum;   // 误差积分
    

  23. } motor_t;
    


  24. 

  25. /* 全局数据 */
    

  26. gps_data_t g_gps_data = {0};       // RTK定位数据
    

  27. motor_t g_motors[2] = {            // 左右电机（0=左，1=右）
    

  28.     {.kp=5.0, .ki=0.1, .kd=0.5},
    

  29.     {.kp=5.0, .ki=0.1, .kd=0.5}
    

  30. };
    

  31. float g_obstacle_dist = 0;         // 障碍物距离（厘米）

• RTK 定位解析：
◦ 解析 ublox 输出的 RTCM 差分数据与 NMEA-0183 协议（GGA 消息提取经纬度、海拔、定位质量；RMC 消息提取速度、航向）。
◦ 坐标转换：将 WGS84 经纬度转换为本地平面坐标（如 UTM 投影），简化路径计算。
RTK数据解析：
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  1. #include <rtthread.h>
    

  2. #include <rtdevice.h>
    


  3. 

  4. #define UART_GPS "uart2"  // RA8D1连接RTK模块的UART端口
    

  5. static rt_device_t g_uart_gps;
    


  6. 

  7. /* NMEA协议解析（GGA消息示例） */
    

  8. static void nmea_parse_gga(const char *msg, gps_data_t *gps) {
    

  9.     char *token = strtok((char*)msg, ",");
    

  10.     int field = 0;
    

  11.     while (token != RT_NULL) {
    

  12.         switch(field) {
    

  13.             case 2: gps->lat = atof(token);       // 纬度（ddmm.mmmm）
    

  14.             case 3: if (*token == 'S') gps->lat = -gps->lat;
    

  15.             case 4: gps->lon = atof(token);       // 经度（dddmm.mmmm）
    

  16.             case 5: if (*token == 'W') gps->lon = -gps->lon;
    

  17.             case 6: gps->fix_type = atoi(token);  // 定位类型
    

  18.             case 9: gps->alt = atof(token);       // 海拔
    

  19.             default: break;
    

  20.         }
    

  21.         token = strtok(RT_NULL, ",");
    

  22.         field++;
    

  23.     }
    

  24.     // 转换为度分格式（dd.dddd）
    

  25.     gps->lat = (int)(gps->lat / 100) + (gps->lat - (int)(gps->lat / 100)*100)/60;
    

  26.     gps->lon = (int)(gps->lon / 100) + (gps->lon - (int)(gps->lon / 100)*100)/60;
    

  27. }
    


  28. 

  29. /* UART接收回调函数 */
    

  30. static rt_err_t gps_uart_rx_cb(rt_device_t dev, rt_size_t size) {
    

  31.     static char gps_buf[256] = {0};
    

  32.     static uint16_t buf_len = 0;
    

  33.     rt_size_t len = rt_device_read(dev, 0, &gps_buf[buf_len], 256 - buf_len);
    

  34.     if (len > 0) {
    

  35.         buf_len += len;
    

  36.         // 查找换行符（NMEA消息结束标志）
    

  37.         if (strstr(gps_buf, "\r\n")) {
    

  38.             if (strstr(gps_buf, "$GNGGA")) {  // 北斗+GPS双模GGA消息
    

  39.                 nmea_parse_gga(gps_buf, &g_gps_data);
    

  40.             }
    

  41.             // 清空缓冲区
    

  42.             rt_memset(gps_buf, 0, buf_len);
    

  43.             buf_len = 0;
    

  44.         }
    

  45.     }
    

  46.     return RT_EOK;
    

  47. }
    


  48. 

  49. /* 初始化RTK模块 */
    

  50. void rtk_init(void) {
    

  51.     g_uart_gps = rt_device_find(UART_GPS);
    

  52.     RT_ASSERT(g_uart_gps != RT_NULL);
    

  53.     // 配置UART参数（38400波特率，8N1）
    

  54.     struct serial_configure cfg = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;
    

  55.     cfg.baud_rate = BAUD_RATE_38400;
    

  56.     rt_device_control(g_uart_gps, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &cfg);
    

  57.     // 设置接收回调
    

  58.     rt_device_set_rx_indicate(g_uart_gps, gps_uart_rx_cb);
    

  59.     rt_device_open(g_uart_gps, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);
    

  60. }

• 运动控制算法：
◦ 速度闭环：根据编码器反馈计算实际转速，通过 PID 调节 PWM 占空比（比例系数 Kp=5.0，积分 Ki=0.1，微分 Kd=0.5）。
◦ 转向控制：基于差速模型，目标航向与当前航向的偏差 Δθ，通过左右轮速度差实现转向（Δv = Kθ×Δθ，Kθ 为转向系数）。
• 路径规划与导航：
◦ 直线跟踪：计算当前位置到目标点的距离与方位角，通过 PID 调节转向（距离误差→速度，方位角误差→转向）。
◦ 避障逻辑：当传感器检测到障碍物（距离＜设定阈值），触发绕行模式（暂停原路径，转向 90° 后前进，避障后回归路径）。
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  1. #define PWM_MOTOR_LEFT "pwm2"   // 左电机PWM通道
    

  2. #define PWM_MOTOR_RIGHT "pwm3"  // 右电机PWM通道
    

  3. #define ENCODER_LEFT TIM3       // 左编码器定时器
    

  4. #define ENCODER_RIGHT TIM4      // 右编码器定时器
    


  5. 

  6. /* 编码器计数读取 */
    

  7. static int32_t encoder_get_count(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    

  8.     int32_t cnt = htim->Instance->CNT;
    

  9.     htim->Instance->CNT = 0;  // 清零计数
    

  10.     return cnt;
    

  11. }
    


  12. 

  13. /* PID速度调节 */
    

  14. static int16_t motor_pid_calc(motor_t *motor) {
    

  15.     motor->err = motor->target_speed - motor->current_speed;
    

  16.     motor->err_sum += motor->err;
    

  17.     // 积分限幅（防止饱和）
    

  18.     if (motor->err_sum > 1000) motor->err_sum = 1000;
    

  19.     if (motor->err_sum < -1000) motor->err_sum = -1000;
    

  20.     // PID计算
    

  21.     float output = motor->kp * motor->err 
    

  22.                  + motor->ki * motor->err_sum 
    

  23.                  + motor->kd * (motor->err - motor->err_last);
    

  24.     motor->err_last = motor->err;
    

  25.     // 输出限幅（PWM范围）
    

  26.     if (output > 1000) output = 1000;
    

  27.     if (output < -1000) output = -1000;
    

  28.     return (int16_t)output;
    

  29. }
    


  30. 

  31. /* 电机PWM控制 */
    

  32. static void motor_set_pwm(int16_t left_pwm, int16_t right_pwm) {
    

  33.     rt_pwm_set(PWM_MOTOR_LEFT, 10000, abs(left_pwm));  // 周期10ms
    

  34.     rt_pwm_set(PWM_MOTOR_RIGHT, 10000, abs(right_pwm));
    

  35.     // 控制方向（通过GPIO电平）
    

  36.     rt_pin_write(PIN_MOTOR_LEFT_DIR, left_pwm > 0 ? 1 : 0);
    

  37.     rt_pin_write(PIN_MOTOR_RIGHT_DIR, right_pwm > 0 ? 1 : 0);
    

  38. }
    


  39. 

  40. /* 电机控制任务（10ms周期） */
    

  41. static void motor_task(void *parameter) {
    

  42.     // 初始化PWM与编码器
    

  43.     rt_pwm_init(PWM_MOTOR_LEFT);
    

  44.     rt_pwm_init(PWM_MOTOR_RIGHT);
    

  45.     HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);  // 启动编码器
    

  46.     HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_ALL);
    


  47. 

  48.     while (1) {
    

  49.         // 读取编码器计算当前速度（脉冲/10ms → 转换为PWM对应速度）
    

  50.         g_motors[0].current_speed = encoder_get_count(&htim3) * 0.8;  // 系数校准
    

  51.         g_motors[1].current_speed = encoder_get_count(&htim4) * 0.8;
    


  52. 

  53.         // 计算PID输出并控制电机
    

  54.         int16_t left_pwm = motor_pid_calc(&g_motors[0]);
    

  55.         int16_t right_pwm = motor_pid_calc(&g_motors[1]);
    

  56.         motor_set_pwm(left_pwm, right_pwm);
    


  57. 

  58.         rt_thread_mdelay(10);  // 10ms周期
    

  59.     }
    

  60. }
路径规划
复制
  1. /* 目标点（示例：UTM坐标，单位米） */
    

  2. static const float target_x = 10.0;  // 目标X坐标
    

  3. static const float target_y = 5.0;   // 目标Y坐标
    


  4. 

  5. /* WGS84经纬度转本地平面坐标（简化版UTM） */
    

  6. static void wgs84_to_utm(gps_data_t *gps, float *x, float *y) {
    

  7.     // 基于参考点（原点）的相对坐标计算
    

  8.     static const float ref_lat = 30.0;  // 本地原点纬度
    

  9.     static const float ref_lon = 120.0; // 本地原点经度
    

  10.     *x = (gps->lon - ref_lon) * 111319.5;  // 经度1度≈111319.5米
    

  11.     *y = (gps->lat - ref_lat) * 111319.5;
    

  12. }
    


  13. 

  14. /* 计算到目标点的距离与方位角 */
    

  15. static void calc_target_error(float *distance, float *angle) {
    

  16.     float curr_x, curr_y;
    

  17.     wgs84_to_utm(&g_gps_data, &curr_x, &curr_y);
    

  18.     // 距离（米）
    

  19.     *distance = sqrtf(powf(target_x - curr_x, 2) + powf(target_y - curr_y, 2));
    

  20.     // 方位角（度，相对于正北）
    

  21.     *angle = atan2f(target_x - curr_x, target_y - curr_y) * 180 / M_PI;
    

  22.     if (*angle < 0) *angle += 360;
    

  23. }
    


  24. 

  25. /* 路径跟踪任务（200ms周期） */
    

  26. static void navigation_task(void *parameter) {
    

  27.     float distance, angle;
    

  28.     float angle_err;  // 航向误差
    


  29. 

  30.     while (1) {
    

  31.         // 避障逻辑：若检测到障碍物（距离<50cm），暂停路径跟踪
    

  32.         if (g_obstacle_dist < 50 && g_obstacle_dist > 0) {
    

  33.             g_motors[0].target_speed = 0;
    

  34.             g_motors[1].target_speed = 0;
    

  35.             rt_thread_mdelay(500);  // 停车
    

  36.             // 右转绕行（左轮正转，右轮反转）
    

  37.             g_motors[0].target_speed = 300;
    

  38.             g_motors[1].target_speed = -300;
    

  39.             rt_thread_mdelay(1000); // 转向90度
    

  40.             continue;
    

  41.         }
    


  42. 

  43.         // 正常路径跟踪
    

  44.         calc_target_error(&distance, &angle);
    

  45.         // 到达目标点（误差<0.1米）
    

  46.         if (distance < 0.1) {
    

  47.             g_motors[0].target_speed = 0;
    

  48.             g_motors[1].target_speed = 0;
    

  49.             rt_kprintf("到达目标点！\n");
    

  50.             rt_thread_suspend(rt_thread_self());
    

  51.         }
    


  52. 

  53.         // 计算航向误差（当前航向与目标方位角的差）
    

  54.         angle_err = angle - g_gps_data.heading;
    

  55.         if (angle_err > 180) angle_err -= 360;
    

  56.         if (angle_err < -180) angle_err += 360;
    


  57. 

  58.         // 速度控制：距离越近速度越慢
    

  59.         int16_t base_speed = 300 + (distance > 5 ? 200 : 0);  // 最大500
    

  60.         // 转向控制：航向误差决定左右轮速度差
    

  61.         int16_t diff_speed = angle_err * 5;  // 转向系数
    


  62. 

  63.         g_motors[0].target_speed = base_speed + diff_speed;
    

  64.         g_motors[1].target_speed = base_speed - diff_speed;
    


  65. 

  66.         rt_thread_mdelay(200);  // 200ms周期
    

  67.     }
    

  68. }



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