于雷 支語睿 朱一凡

摘要：為了滿足高校機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)和日常訓(xùn)練的要求，采用STM32嵌入式芯片設(shè)計(jì)了一款智能循跡小車.該小車通過光敏傳感器采集跑道的數(shù)值，結(jié)合PID經(jīng)典算法，實(shí)現(xiàn)循跡的功能，同時(shí)又預(yù)留了一些端口，可以實(shí)現(xiàn)測距、避障以及無線傳輸?shù)裙δ?實(shí)踐表明，該小車具有低功耗、低成本、高穩(wěn)定性、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，能夠滿足教學(xué)、訓(xùn)練及一些比賽的需求.

關(guān)鍵詞：循跡;智能小車;PID算法

中圖分類號(hào)：TP273;TP212? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）04-0108-03

0 引言

智能循跡小車是一個(gè)融合了傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)及人工智能技術(shù)于一身的綜合系統(tǒng).智能尋跡小車，也稱為輪式機(jī)器人，在每年的機(jī)器人比賽中都是不可缺少的一個(gè)賽項(xiàng)，從中也體現(xiàn)了高校在電子設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制等多方面的水平，因此，除了用于參加比賽以外，在平時(shí)的單片機(jī)、自動(dòng)控制等學(xué)科的教學(xué)過程中也是一項(xiàng)必不可少的訓(xùn)練項(xiàng)目.目前，智能循跡小車大多數(shù)采用的是51系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，功能簡單，也有采用MSP430、PIC、AVR系列單片機(jī)，在功耗和性能上都有很大的改進(jìn)，但在占用指令空間大以及資料有限等方面也存在著不足;綜合考慮，本文采用目前主流的STM32系列嵌入式芯片作為控制器，設(shè)計(jì)了一款具有循跡、測距、避障以及無線傳輸?shù)裙δ艿闹悄苎E小車.

1 整體設(shè)計(jì)

智能循跡小車控制系統(tǒng)主要包括控制器模塊、電源模塊、循跡模塊、避障模塊、電機(jī)控制模塊、無線通信模塊等，如圖1所示.在控制系統(tǒng)中，控制器模塊根據(jù)循跡模塊對路線的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并由舵機(jī)實(shí)現(xiàn)車子的方向控制，為了能夠?qū)崿F(xiàn)避障，采用了超聲測距模塊對障礙物的距離進(jìn)行測量，另外可擴(kuò)展光電檢測模塊，實(shí)現(xiàn)對接力棒的檢測，從而實(shí)現(xiàn)賽事中兩車接力的功能.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

本文選用STM32F103VET6芯片作為主控制器，該主控器是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，最高工作頻率可以達(dá)到72MHz，具有高性能、低成本和低功耗等特點(diǎn);STM32F103VET6片上不僅集成了256k～512k字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器、64k字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器、3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和2通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，還具有豐富的定時(shí)器和通信接口等資源，特別是多達(dá)6路的PWM輸出，為舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供了方便.設(shè)計(jì)中，通過PC0～PC4和PA0～PA5引腳讀取循跡模塊采樣值;PB8和PB9輸出PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)，PB8控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，PB9用作接力賽中接力棒的夾持控制;PD8、PD9、PB12～PB14控制無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸.

2.2 電源模塊

電源模塊采用12V電源對直流電機(jī)供電，考慮到系統(tǒng)中傳感器和STM32芯片的供電，還提供5V和3.3V兩種電壓，電路圖如圖2和圖3所示.5V電壓采用PWM控制降壓轉(zhuǎn)換芯片AX3111進(jìn)行降壓處理，AX3111芯片不僅具有低紋波、高效率和出色的瞬態(tài)特性，還具有軟啟動(dòng)功能、限流功能、短路保護(hù)功能和過熱保護(hù)功能.3.3V電壓采用AMS1117芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，加上磁珠及電容抑制了電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾.

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用BTN7960搭成H橋驅(qū)動(dòng)電路，可以提供高達(dá)47A的驅(qū)動(dòng)電流.BTN7960是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC.電路圖如圖4所示，其中INH引腳為高電平，使能BTN7960.IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通.IN=1且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平;IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平，兩個(gè)芯片的輸出端分別接電機(jī)的兩極，即J2接口，通過左右兩邊的電平高低來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn).另外，SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能.

電機(jī)的速度采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制，stmPWM信號(hào)頻率為1kHz，固定不變，通過控制占空比來調(diào)節(jié)車速，由函數(shù)Speed_Set進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn).方向舵機(jī)及機(jī)械手的控制也是采用PWM來完成的.另外，方向舵機(jī)及機(jī)械手的控制也是采用PWM來完成的.PWM信號(hào)產(chǎn)生頻率為50Hz，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)小車方向控制或機(jī)械手的抓取功能.

2.4 循跡模塊

為適應(yīng)不同跑道、不同場地的需求，循跡電路采用抗干擾能力強(qiáng)的光敏對管進(jìn)行設(shè)計(jì).由于設(shè)計(jì)的智能小車速度較快，在小車的前端并排放置11組光敏對管傳感器對跑道數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，每組傳感器包括LED發(fā)射電路和光敏電阻接收電路，LED發(fā)射電路產(chǎn)生白光，經(jīng)過場地反射后，通過光敏電阻獲取一定的模擬電壓值，該電壓值經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換由STM32直接讀取分析，由此來判別小車在跑道上的位置.

2.5 無線通信模塊

無線通信模塊采用nRF24L01射頻芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片支持2.4GHz的全球開放ISM頻段，GFSK調(diào)制，最大發(fā)射功率為0dBm，傳輸速率高達(dá)2Mbps，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，125個(gè)信道可供選擇，完全滿足多點(diǎn)通信及調(diào)頻通信的要求.

3 軟件設(shè)計(jì)

智能循跡小車的軟件設(shè)計(jì)主要包括循跡、方向舵機(jī)的控制、小車速度的控制以及避障功能等，圖6所示為兩輛接力小車的流程圖，（a）為前車流程圖，（b）為后車流程圖.

3.1 循跡

循跡是設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接決定著后期數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性.光敏對管傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在Location_Data[11]數(shù)組中，通過與Set_Location[11]數(shù)列中對應(yīng)的閾值進(jìn)行比較，確定相應(yīng)傳感器的是否采集到跑道，不同的傳感器對應(yīng)于不同的權(quán)值，具體如表所示.

Location_Data[11]={0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0};

Set_Location[11]={505 ， 541 ， 600 ， 422 ， 586 ， 500， 507 ， 370 ， 459 ， 520 ， 498 };

void Lock_BlackLine（ ）

{

for（i=0; i<11; i++）

if（Location_Data [i]< Set_Location [i]）

{

Cnt++;

Loc_Para+=5-i;

}

if（Cnt>0）

{

if（Cnt>4）

{

Cross_Line_Cnt++;

if（Cross_Line_Cnt>CROSSLINE_Time）

{

if（Cross_Line_Flag！=1）

Cross_Line++;

G_Black_Line_Location=（float）（Location_Parameter/L_Location_Cnt）;

Cross_Line_Flag=1;

Cross_Line_Cnt=0;

}

}

else

{

Cross_Line_Cnt=0;

Cross_Line_Flag=2;

G_Black_Line_Location=（float）（Location_Parameter/L_Location_Cnt）;

}

}

else if（L_Location_Cnt==0）

{

G_Black_Line_Location=0;

Cross_Line_Flag=0;

}

Location_Parameter=0;

L_Location_Cnt=0;

}

3.2 PID（Proportion-Differential-Integral）控制

智能車的設(shè)計(jì)過程中主要是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)方向的控制和速度的控制，PID控制算法在智能車的控制方面是應(yīng)用最廣泛、控制效果最理想的一種控制算法.

PID控制算法中，輸出由比例參數(shù)P、積分參數(shù)I和微分參數(shù)D三個(gè)參數(shù)決定，公式為：

輸出=P*誤差+D*誤差的變化+I*誤差的積分

但在智能車方向控制方面，積分參數(shù)I意義不大，因此，舵機(jī)控制的設(shè)計(jì)中主要由比例參數(shù)P和微分參數(shù)D來計(jì)算出pid_out的值，為了防止超調(diào)而損壞舵機(jī)，一般要對pid_out的值進(jìn)行限幅，獲得的pid_out的值經(jīng)過簡單處理可以用來調(diào)整方向舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和小車的速度.

代碼如下：

int error_d， last_loc， integral_err;

int P， D， pid_out;

void pid_value （ ）

{

error_d=loc-last_loc;

pid_out=P*loc+error_d*D;

}

if（pid_out>PID_MAX） { pid_out= PID_MAX; }

if（pid_out< PID_MIN） {pid_out= PID_MIN; }

小結(jié)

基于STM32的循跡小車集教學(xué)、訓(xùn)練、比賽為一體，實(shí)現(xiàn)了循跡、避障、接力以及數(shù)傳等功能;在實(shí)踐教學(xué)中，預(yù)留的擴(kuò)展接口能夠開發(fā)學(xué)生的動(dòng)手能力，可擴(kuò)展性強(qiáng);同時(shí)，循跡采用PID算法控制，穩(wěn)定性強(qiáng)，在最近兩年的安徽省機(jī)器人比賽中獲得了優(yōu)異的成績.實(shí)踐證明，該小車功耗低、穩(wěn)定性高、易于擴(kuò)展、價(jià)格便宜，能夠滿足教學(xué)、訓(xùn)練及一些比賽的需求.

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