天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院　張重陽　劉新月　趙　歡　趙　雪

1.引言

現(xiàn)如今人民的生活質(zhì)量大幅度提高，大量的汽車涌現(xiàn)，它已經(jīng)成為尋常百姓家的代步工具，給百姓生活帶來前所未有的交通方便，但是任何的科技都是一把雙刃劍，有利即有弊，汽車帶給我們的好處非常的多，但它的不足之處也逐漸的暴露出來：道路擁堵、安全隱患增多，停車位少，車輛多，造成供不應(yīng)求等。從各個(gè)方面來說，這種狀況都是我們不愿意見到的。根據(jù)現(xiàn)如今的交通狀況進(jìn)而分析數(shù)據(jù)得到一點(diǎn)：安全行車距離是最大的交通安全事故因素，進(jìn)而引出智能小車安全控制系統(tǒng)的課題。智能小車是一種通過內(nèi)部和外部的傳感器感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境信息，在存在障礙物的相對(duì)比較復(fù)雜的環(huán)境中完成面向目標(biāo)的自發(fā)性運(yùn)動(dòng)，從而完成任務(wù)職能的機(jī)器人系統(tǒng)。在我國對(duì)于移動(dòng)的機(jī)器人的研究技術(shù)已經(jīng)相對(duì)熟練,可能是因?yàn)殚_始比較晚,研究中的突破性的進(jìn)步相對(duì)較少。在國外, 從上世紀(jì)機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，有關(guān)于機(jī)器人移動(dòng)的有關(guān)技術(shù)的科研成就已經(jīng)相對(duì)成熟。清華大學(xué)最先致力于智能交通和智能汽車的研究,他們研究的主要方向全部集中到了車載微機(jī)、行駛安全、自主避障、汽車導(dǎo)航等幾個(gè)方面。之后經(jīng)過相關(guān)的鑒定，此項(xiàng)研究所涉及的幾方面的關(guān)鍵技術(shù)如下：信息融合技術(shù)研究、智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究、傳感技術(shù)、基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究。當(dāng)前各種以STM32為核心的智能控制技術(shù)、各種傳感器技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展為解決現(xiàn)在的問題提供了切實(shí)可行的解決方案。

2.系統(tǒng)控制原理

智能小車采用差速驅(qū)動(dòng)式的四輪輪式機(jī)構(gòu)作為小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)模塊除了基本的電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，微控制器模塊、障礙物檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測模塊，外加了藍(lán)牙通信模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。其控制系統(tǒng)具備了檢測障礙物、實(shí)時(shí)監(jiān)控定位、自主避障、藍(lán)牙通訊等功能。

3.智能小車控制硬件設(shè)計(jì)

（1）電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)（見圖1）

本文設(shè)計(jì)的智能小車，控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是主要消耗能量的兩部分。其中主控制電路部分使用+5V直流供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分使用+12V直流供電。所以我們選用2節(jié)1.2V，2200mAh的鋰電池串聯(lián)作為系統(tǒng)的供電電源，電池組可以直接提供+12V的電壓，而控制電路部分所需的+5V電壓通過兩個(gè)三端穩(wěn)壓塊3090轉(zhuǎn)換得到。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

（2）微控制器模塊設(shè)計(jì)

本文采用的是STM32F103主控芯片，它的特點(diǎn)主要是：1）功耗控制優(yōu)良：增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHZ，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。在使用電池供電時(shí)，提供2.0-3.6V的低電壓工作能力。當(dāng)時(shí)鐘頻率為72MHZ時(shí)，STM32功耗了36W,是32位市場上功能最低的產(chǎn)品。2）先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)：STM32具有高性能，低功能、低成本的特點(diǎn)。3）高度的整合集成。STM32處理器能夠最大程度上實(shí)現(xiàn)集成，對(duì)外部器件的要求極少。（它可以用來做系統(tǒng)的主時(shí)鐘源，并且還有專門針對(duì)RTC的低頻率RC電路）。4）具有功能創(chuàng)新的片上外設(shè)且性能出眾。5）開發(fā)容易：STM32系列容易開發(fā)，可以使研發(fā)的產(chǎn)品迅速的進(jìn)入市場。

STM32的最小系統(tǒng)電路主要由系統(tǒng)時(shí)鐘電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、JTAG 調(diào)試接口電路，復(fù)位電路和啟動(dòng)模式選擇電路組成。作為控制系統(tǒng)的核心，進(jìn)行信息采集，處理數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中其他模塊。最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

主要電路原理圖的設(shè)計(jì)及功能如下所示：

1）系統(tǒng)時(shí)鐘電路

系統(tǒng)時(shí)鐘電路主要作用是提供節(jié)拍，就相當(dāng)于人類的心臟跳動(dòng)，隨著心臟的跳動(dòng)，血液就會(huì)到達(dá)全身部位，所以系統(tǒng)時(shí)鐘的重要性就不言而喻啦。具體來說，時(shí)鐘電路就是一個(gè)比較穩(wěn)定的振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的是正弦波，把該正弦波進(jìn)行分頻，處理，形成時(shí)鐘脈沖，然后分配到需要的地方，讓系統(tǒng)各部分工作時(shí)使用。本系統(tǒng)時(shí)鐘電路由8MHZ的晶體振蕩器構(gòu)成。

圖2　最小系統(tǒng)電路圖

2）復(fù)位電路

本系統(tǒng)采用低電平復(fù)位。當(dāng)按鍵懸空時(shí)RST 輸入為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)，RST 腳輸入為低電平，從而電路復(fù)位。

（3）障礙物檢測模塊設(shè)計(jì)

模塊使用超聲波傳感器對(duì)小車運(yùn)動(dòng)過程中的障礙物信息進(jìn)行檢測?？紤]實(shí)際情況，我們選用超聲波傳感器采用HC- SR04超聲波測距模塊，結(jié)構(gòu)比較簡單，，此測距模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度高達(dá)3mm，測距較遠(yuǎn)，配合舵機(jī)可進(jìn)行180度的旋轉(zhuǎn)探測，即使車輛在惡劣的環(huán)境中對(duì)障礙物仍然有高度的識(shí)別。其工作原理主控制器給其與外界相連的端口TRIG提供一個(gè)15μs左右的脈沖觸發(fā)信號(hào)。輸入方波后，模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40KHZ的聲波并檢驗(yàn)回波，一旦檢測有回波信號(hào)，其與外界相連的另一個(gè)端口ECHO端則輸出回響信號(hào)，在主控制器端產(chǎn)生中斷。發(fā)出觸發(fā)信號(hào)到收到回響信號(hào)的時(shí)間間隔通過主控制器內(nèi)部通用的定時(shí)器可以計(jì)算，根據(jù)聲音在空氣中的速度為344米/秒，從而可確定障礙物的距離。

（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

智能小車的驅(qū)動(dòng)輪分別由兩個(gè)直流電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由主控制器內(nèi)部的通用定時(shí)器輸出來控制。調(diào)脈寬的方式有3種，在這里我們采用定頻調(diào)寬的方式。定頻就是指開關(guān)元件的開，關(guān)頻率固定不變，也就是開，關(guān)周期T固定不變，調(diào)寬是指通過改變斬波電路的開關(guān)元件導(dǎo)通的時(shí)間T來改變導(dǎo)通比值，從而改變輸出電壓的平均值。因?yàn)樾≤囖D(zhuǎn)動(dòng)方向需要調(diào)整電壓的極性而且直流電機(jī)工作所需的電壓、電流較大，所以我們應(yīng)該使用專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行控制。這里我們使用L298N專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為小車左、右驅(qū)動(dòng)輪的直流電機(jī)的核心功率模塊。L298N為四重推挽驅(qū)動(dòng)電路，可控制2個(gè)直流減速電機(jī)。主控制器通用計(jì)時(shí)器輸出二路PWM信號(hào)給EN端（電機(jī)使能端）。假使高電平為1，低電平為0，當(dāng)電機(jī)使能端輸入為1的時(shí)候，電機(jī)處于使能狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)使能端輸入為0時(shí)，電機(jī)就停止。另外使用四個(gè)I/O引腳與L298N的4個(gè)輸入引腳相連，用于改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。再將其2個(gè)輸出端口分別與兩個(gè)電機(jī)的輸入端相連來帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（5）速度檢測模塊設(shè)計(jì)

小車速度檢測通過速度傳感器來實(shí)現(xiàn)，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過檢測單位時(shí)間的脈沖數(shù)來判斷，這里我們采用了增量光電編碼器，（即增量式編碼器，將位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)數(shù)脈沖。）分辨率為200歐姆。隨著被測軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)周期內(nèi)編碼器會(huì)在固定位置上產(chǎn)生一個(gè)脈沖。速度檢測采用f/T法。在車速控制上，引入PID控制，PID控制想要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的識(shí)別和控制，一定要保持系統(tǒng)電量，PID其實(shí)就是測量，智能小車行駛中通過紅外線獲得道路信息，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，找到誤差并進(jìn)行調(diào)整，得到道路運(yùn)行參數(shù)。通信擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)主控制器STM32F103C有USART、CAN、SPI和USB這些通信外圍接口用來擴(kuò)展。系統(tǒng)的有線通信模塊使用CAN總線，CAN總線控制器嵌在主控制器STM32F103內(nèi)， 以此為小車之間提供可靠的有線通信；而無線通信模塊主要是通過串行接口（PLC）擴(kuò)展的無線射頻模塊DATA-6106。

4.智能小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中小車有兩種控制方式，一種是自主行進(jìn)，另一種則是通過藍(lán)牙遠(yuǎn)程指令控制，如果傳感器在小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)候檢測到信號(hào)，則依照左邊、正前方、右邊來辨別和障礙物的距離，進(jìn)而獲得相應(yīng)的定位信息，接下來通過改變輸入信號(hào)大小，轉(zhuǎn)動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而改變小車的速度，免于小車和障礙物碰撞，繼續(xù)行進(jìn)。圖3就是智能小車控制系統(tǒng)的主程序流程框圖。

我們現(xiàn)在使用的主要是模糊控制器，位置式PID控制器以及增量式PID控制器和最優(yōu)化控制器。傳統(tǒng)的控制器有增量式PID控制器和PID控制器，多數(shù)的控制對(duì)象和應(yīng)用都能用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來精確的描述，因?yàn)檠E避障小車不僅受到電機(jī)性能，機(jī)械的特性這樣的機(jī)身影響而且路面粗糙等外在影響也會(huì)存在，總而言之，小車的整個(gè)系統(tǒng)都是存在未知性的。在這種情況下我們選用了模糊控制，測量結(jié)果顯示，如果采用以往的方式，小車的靈敏程度會(huì)有所降低。

模糊控制器不需要被控制對(duì)象擁有精確的數(shù)學(xué)模型，而且其控制算法靈活性強(qiáng)并且在系統(tǒng)中能夠呈現(xiàn)滯后性，非線性等復(fù)雜的可控制系統(tǒng)中的優(yōu)勢是很明顯的。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3　系統(tǒng)主程序流程圖

圖4　模糊控制器的結(jié)構(gòu)

本小車的模糊控制器采用了雙輸入單輸出的基本模糊控制結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5　模糊控制器的結(jié)構(gòu)

5.結(jié)論

智能小車技術(shù)是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù),不僅在我們的日常生活中，在工業(yè)上還是在軍事上，智能小車也發(fā)揮著重要的作用。本文在充分考慮智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STM32F103的智能小車運(yùn)動(dòng)控制硬件電路。在電源模塊、微處理器模塊（STM32）、障礙物檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測模塊等各個(gè)模塊的協(xié)同作用下，智能小車在正常前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎的基本功能之下，還可以在一定程度上自主變速，防止駕駛者在倒車或者在大霧天氣中因?yàn)闆]有及時(shí)變速引發(fā)的碰撞，舵機(jī)180度的旋轉(zhuǎn)探測也進(jìn)一步避免車輛與各個(gè)方向的障礙物相撞。

[1]李根.基于STM32的車輛智能安全行車控制系統(tǒng)[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué),2016.

[2]周柱,孟文,田環(huán)宇.基于STM32的智能小車設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場,2011,18(06):1-2+4.

[3]潘元驍.基于Arduino的智能小車自動(dòng)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].長安大學(xué),2015.

[4]唐浩宇,謝天,張輝輝.采用STM32的智能小車開發(fā)實(shí)現(xiàn)[J].福建電腦,2016,32(02):126-128+156.

[5]朱三超.自主追蹤防追尾智能車設(shè)計(jì)[J].貴州科學(xué),2014,32(02):31-34.

[6]Hua Kuang,Zhi-Peng Xu,Xing-Li Li,Siu-Ming Lo.An extended carfollowing model accounting for the average headway effect in intelligent transportation system[J].Physica A:Statistical Mechanics and its Applications,2017,471.

[7]Hongtao Yu,Sen Wang,Heyan Wang,Yanhua Lei.Design of Experimental Platform for Intelligent Car[P].2016 7th International Conference on Education,Management,Computer and Medicine(EMCM 2016),2017.