江蘇大學(xué) 繆璐婷

基于stm32的循跡避障智能車設(shè)計

江蘇大學(xué) 繆璐婷

針對人工運載貨物存在效率低、耗費人力等問題，設(shè)計一款用于物品搬運的循跡避障智能車?；赟TM32微控制器，通過L293D驅(qū)動控制芯片實現(xiàn)對直流電機的驅(qū)動，利用紅外和超聲波傳感器分別檢測智能車的循跡軌道和障礙物，并將感知的信號反饋于單片機，結(jié)合軟件編程實現(xiàn)智能車前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退等循跡避障功能。

智能車；STM32F103；循跡避障；PWM波形

0 前言

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和市場需求，智能機器人技術(shù)飛速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)之中，尤其多功能智能車成為了主流趨勢[1]。智能車是指將汽車模型化，并以此為載體裝載各種功能型的控制器、傳感器、執(zhí)行器等裝置，通過傳感系統(tǒng)感知和智能信息交換，以實現(xiàn)循跡、避障、無人駕駛等功能[2]。本文在此背景下，設(shè)計了一款主要用于智能運載貨物的智能車，基于stm32微控制器、超聲波測距模塊、紅外線模塊等設(shè)備，并通過軟硬件設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)智能車的按規(guī)定路線行走避障，以到達(dá)指定目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

結(jié)合本文設(shè)計的總體方案，涉及的系統(tǒng)組成部分主要包括主微控制器、紅外循跡模塊、電源模塊、超聲波避障模塊以及動力驅(qū)動模塊，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，循跡避障模塊分別采用紅外和超聲波傳感器，以判斷智能車前進(jìn)、停止、轉(zhuǎn)向，主控芯片采用STM32F103單片機，將所得的紅外信號和測距信息分析處理后將對應(yīng)的PWM波傳送至左右電機，若左右電機轉(zhuǎn)速相同，則實現(xiàn)智能車前進(jìn)，反之轉(zhuǎn)速不相同時，根據(jù)差速原理實現(xiàn)繞點轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑，其中L為兩車輪距離，v1和v2為輪速。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制板

主控制板是循跡避障智能車的核心，承擔(dān)著接收指令和控制外部模塊的任務(wù)，主控制板采用STM32F103單片機作為控制芯片，STM32F103系列是以ARM32位的cortex-M3作為內(nèi)核，存儲器為64KB的SRAM，擁有串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口兩種模式，8個定時器可實現(xiàn)PWM波形輸出功能，48～144個通用 及復(fù)用I/O 端口，是一個高性能、功能強大的處理器，一方面增強了對整個系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和有效性，另一方面對智能車研發(fā)和性能升級給予了保障。

2.2 電源驅(qū)動模塊

智能車采用直流電機驅(qū)動，驅(qū)動芯片使用美國德州儀器生產(chǎn)的驅(qū)動芯片L293D，該芯片雙向驅(qū)動電流最高不超過1A，且維持電壓在4.5-36V[3]。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來改變電機輸出功率，即通過定時器改變周期內(nèi)高低電平的占空比來改變輸出電壓，從而實現(xiàn)左右電機的轉(zhuǎn)速控制。兩路PWM波信號輸入端與單片機定時器的輸出端相連，驅(qū)動模塊上的IN1～I(xiàn)N4邏輯引腳分別連接對應(yīng)的單片機I/O端口，以此控制左右電機轉(zhuǎn)速。

2.3 超聲波避障模塊

超聲波避障本質(zhì)上是通過在空氣中超聲波傳播時的速度為已知條件，測量發(fā)射出去的聲波遇到障礙物反射回來的時間，再利用發(fā)射和接收聲波的時間差和距離計算公式計算出超聲波聲源到障礙物的實際距離，即 ，s為聲源與障礙物之間的測量距離，v為超聲波在空氣中的傳播速度，T為聲源與障礙物之間傳播時間的一半數(shù)值，其中，t為實際溫度。

本設(shè)計使用HC-SR04超聲波模塊作為避障模塊，該模塊探測距離為2～400cm，最高精度可達(dá)0.3cm。該模塊上有電源（VCC）、接地（GND）、發(fā)射（TRIG）和 接收（ECHO）4種端口引腳輸出，并將VCC、GND引腳分別與STM32F103控制板上的電源、接地端口相連，聲波的發(fā)射端和接收端與控制板上對應(yīng)的I/0口連接。超聲波測距利用I/O觸發(fā)實現(xiàn)，即單片機先發(fā)送不低于10μs高平信號至發(fā)射端口，指令發(fā)射端發(fā)送8個40kHz的方波，此時接收端口不斷檢測是否有聲波信號返回，若檢測到信號返回，I/O口輸出高電平，且該高電平保持的時間就是超聲波從發(fā)射到接收的時間，最后根據(jù)以上計算公式，測得智能車距離障礙物距離，并通過程序控制實現(xiàn)避障及蜂鳴器報警。

2.4 紅外循跡模塊

紅外傳感器具有功耗低、成本低、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，因此本文使用紅外探測法實現(xiàn)自動循跡功能。所設(shè)計的智能車在設(shè)置的黑帶軌道上行駛，兩對紅外收發(fā)管安置于車體前端并對地，與地面相隔1cm左右，根據(jù)接受到的反射光線強弱來判斷是否在軌跡上。

黑帶軌跡由反射式光電開關(guān)辨認(rèn)，當(dāng)智能車行駛在黑帶上時，因為黑色能吸收大部分光線，傳感器發(fā)射出去的紅外光線反射回來很少，光敏三極管無法通路，低電平信號傳送至單片機芯片進(jìn)行分析處理后，使智能車做出相應(yīng)的執(zhí)行動作；反之，發(fā)射管發(fā)射出去的紅外光線大部分反射被接收管接收，這時電路中的光敏三極管導(dǎo)通，高電平信號發(fā)送至STM32微控制器接口引腳。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是控制系統(tǒng)的核心，本文采用自上而下的設(shè)計理念，主程序軟件設(shè)計是系統(tǒng)單片機控制的重要部分，其循跡避障系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。上電后先進(jìn)行模塊初始化，包括時鐘配置、延時函數(shù)初始化以及調(diào)試程序時所需串口的初始化，進(jìn)入判斷模式，即先執(zhí)行循跡子函數(shù)，再進(jìn)行避障判斷，整個系統(tǒng)主程序操作處于while（）循環(huán)內(nèi)。

圖3 主程序流程圖

3 結(jié)語

本文根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和市場需求，從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計出發(fā)，基于STM32F103微控制器設(shè)計了一款循跡避障智能車，主要用于工廠、超市等場合的貨物搬運。采用Keil Vision5平臺進(jìn)行開發(fā)，并利用C語言編寫各功能模塊子函數(shù)，具有明顯的適用性與擴展性。整個設(shè)計由主控程序?qū)⒏髯映绦蛉诤?，實現(xiàn)了小車的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和停止，并且能夠在傳感器檢測下實現(xiàn)簡單的循跡避障功能，具有很好的實際應(yīng)用意義。

[1]劉磊,孫曉菲等.基于STM32的可遙控智能跟隨小車設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2015,6:31-33.

[2]劉少軍,王瑜瑜.智能搬運機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械與電子,2015,08(275):77-80.

[3]陳夢婷,胡白燕等.基于單片機的智能循跡避障小車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].智能機器人,2016,4:47-51.