洪一民，錢慶豐，章志飛

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

智能機(jī)器人的應(yīng)用在世界上越來(lái)越廣泛，逐步在各個(gè)領(lǐng)域都有所涉及。移動(dòng)機(jī)器人屬于智能機(jī)器人學(xué)的一個(gè)很重要的分支，目前世界各國(guó)都開始注重對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究。在軍事偵察、地質(zhì)勘測(cè)、掃雷排雷等人類作業(yè)難度較大的領(lǐng)域以及對(duì)惡劣環(huán)境的監(jiān)測(cè)工作中都有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的基于STM32的循跡避障測(cè)距的智能小車就屬于智能移動(dòng)機(jī)器人的范疇，能夠通過(guò)傳感器探索周圍障礙物，并實(shí)現(xiàn)避障、循跡等功能。

1 總體設(shè)計(jì)

基于STM32設(shè)計(jì)的智能小車系統(tǒng)主要的組成部分為：主控制器模塊、紅外循跡和避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)距模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 工作原理

由單片機(jī)主控制器芯片接收紅外傳感器發(fā)出的信號(hào)，然后判斷其信號(hào)，分析出小車需要做出的動(dòng)作，再將此動(dòng)作命令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，最后控制小車來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的命令完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，以此達(dá)到讓小車避障的目的。若傳感器感應(yīng)到小車的左側(cè)有障礙物時(shí)，主芯片則通過(guò)控制模塊讓右輪電機(jī)工作停止，左輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這時(shí)小車就會(huì)向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，若障礙物被右側(cè)傳感器檢測(cè)到時(shí)，左輪電機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)小車就會(huì)向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)到障礙物時(shí)，單片機(jī)再根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的信號(hào)計(jì)算其距離，以此達(dá)到測(cè)距目的。模擬圖如圖2所示。

圖2 模擬圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制電路

智能小車的控制核心模塊，選用的是STM32F407單片機(jī)，配合編程軟件Keil μVision，對(duì)供電燒寫模塊、時(shí)鐘模塊、電源電路、復(fù)位電路、紅外接收模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等進(jìn)行程序的操控。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的主要特點(diǎn)是：工作時(shí)的電壓比較高，最高可達(dá)46 V；電流也非常大，瞬時(shí)峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流也可達(dá)到2 A；額定功率是25 W。驅(qū)動(dòng)模塊中用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流和步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載的是H橋型全橋式驅(qū)動(dòng)器；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；兩個(gè)勢(shì)能控制端，在輸入信號(hào)不受影響的情況下，允許或禁止器件工作會(huì)使其內(nèi)部的邏輯電路在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，并且反饋?zhàn)兓拷o控制電路。原理如圖3所示。

圖3 原理圖

3.3 紅外避障模塊

紅外避障模塊所用的芯片是LM393芯片。該傳感器能夠適應(yīng)強(qiáng)光線，它的工作原理是發(fā)射管會(huì)發(fā)射出高頻率的紅外線，遇到障礙物則會(huì)反射回來(lái)，并通過(guò)接收管對(duì)它進(jìn)行接收，然后比較處理。這時(shí)綠色指示燈則會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口會(huì)輸出一個(gè)低電平的數(shù)字信號(hào)，可通過(guò)電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，其工作電壓為3.3～3.5 V。

3.4 紅外循跡模塊

紅外循跡模塊采用的傳感器是單光束的紅外傳感器，它是一種集發(fā)射和接收于一體的光電傳感器。檢測(cè)反射距離在1～25 mm范圍內(nèi)都適用；傳感器特設(shè)M3固定安裝孔，調(diào)節(jié)方向和固定都比較方便；比較電路使用的是寬電壓LM393比較器，具有信號(hào)干凈、波形好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，超過(guò)15 mA。此模塊主要的作用是能夠檢測(cè)出白底中的黑線，或者是檢測(cè)黑底中的白線。

3.5 超聲波模塊

超聲波測(cè)距模塊采用URF04作為芯片；測(cè)距方式是通過(guò)I/O口輸出至少10 μs以上的高電平信號(hào)，同時(shí)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，檢測(cè)信號(hào)是否返回，若信號(hào)返回，則需要通過(guò)Echo口輸出高電平，計(jì)算出超聲波從發(fā)射一直到返回所用的時(shí)間，作為輸出高電平的持續(xù)時(shí)間。測(cè)試距離=（輸出高電平時(shí)間×聲速）/2，聲速=340 m/s。通過(guò)此公式計(jì)算出測(cè)試距離，并進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的測(cè)試，就可以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量值。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 循跡和避障程序設(shè)計(jì)

通過(guò)初始化各模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)智能小車的軟件設(shè)計(jì)。將各類傳感器采集信息通過(guò)數(shù)字信號(hào)的形式傳輸?shù)捷斎胍_。單片機(jī)再對(duì)此信號(hào)進(jìn)行判斷和處理之后控制智能車正常運(yùn)行。這些情況都需要通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于Keil μVision4編譯環(huán)境。因?yàn)镃語(yǔ)言相對(duì)于其他匯編軟件編程比較簡(jiǎn)單，所以使用C語(yǔ)言完成程序編寫。避障和循跡流程如圖4、圖5所示

圖4 循跡流程

圖5 避障流程

4.2 PID算法控制小車速度的程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：通過(guò)PID算法控制小車的速度來(lái)提高小車的穩(wěn)定性。

通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制小車的速度，再測(cè)量小車行駛過(guò)程中的脈沖數(shù)，并且根據(jù)小車行駛路徑和時(shí)間計(jì)算出小車的速度；然后將計(jì)算的速度與上一次測(cè)量的速度進(jìn)行比較，采用PID算法控制單片機(jī)輸出PWM脈沖到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PWM端，以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能小車以避障為主要功能，系統(tǒng)中采用的紅外傳感器具有靈敏度高、體積小的特點(diǎn)，也更易于安裝。STM32單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片相結(jié)合，不僅減少了智能小車的制造成本，同時(shí)也保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與編程易實(shí)現(xiàn)。