楊 陽，劉慶華

(南京機電職業(yè)技術學院，江蘇 南京 211306)

0 引言

日常生活中，智能化設備不斷普及，不管是智能手機、智能家居還是智能汽車，產(chǎn)品一經(jīng)面世就受到大家的熱捧。不久之前，百度的智能汽車開始了自己的第一段里程，這也標志著智能汽車將進入人們日常生活。自動泊車、自動召喚、哨兵模式、自動巡航、自動駕駛等，都已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車制造中可實現(xiàn)的功能，這些功能也進一步使得人們在駕駛時感到輕松有趣，也讓駕駛生活變得更加便利[1-2]。

圖1 基于STM32的智能小車系統(tǒng)架構

本款智能小車很好地模仿了現(xiàn)代自動智能汽車的設計，同時以STM32單片機作為小車的核心控制芯片，將單片機技術融入小車的各個功能模塊，能夠推動單片機技術的蓬勃發(fā)展[3-4]。

1 智能車系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)設計的智能車由循跡單元、避障單元、STM32控制單元、電機驅動單元和云臺攝像頭單元組成。循跡單元是智能車實現(xiàn)自動行駛的基本功能單元，采用光電傳感器獲取循跡數(shù)據(jù)。避障單元可以保障智能車自動行駛的安全，同時也可以對目標物進行舉例測量。STM32控制單元是整個系統(tǒng)的核心，負責整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及控制。電機驅動單元提供智能車的動力輸出，同時帶有測速碼盤，實時獲取速度信息供處理器控制。云臺攝像頭單元用于實時傳輸智能車畫面，提供畫面監(jiān)控。各單元間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)交互，通信速率最高可達到1Mb/s，系統(tǒng)架構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 循跡功能單元設計

循跡功能單元電路由紅外傳感器和微處理器兩部分組成。紅外傳感器采用TCRT5000型光電對管，TCRT5000是一種由紅外輻射源和光電接收二極管組成的光電傳感器，它具有反應速度快、功耗低等特點。采用該傳感器能夠較為簡單地設計循跡電路，探測有效距離可達5～25 mm。利用紅外光在參照物上的漫反射原理，光電接收管能夠將接收到的不同灰度值以模擬量傳遞給微處理器處理，從而能夠準確地識別黑、白循跡線，調整運行軌跡，使嵌入式智能車能夠安全平穩(wěn)的運行。循跡功能單元架構如圖2所示。

圖2 循跡功能單元架構

循跡功能電路單元由9組紅外對管組成，采用前5后4交叉排列，大大提高了循跡精準度，循跡單元分別排列于智能車前后兩端，電路設計如圖3所示。前5路循跡燈實現(xiàn)對前進方向的道路預判，增強智能車循跡的穩(wěn)定性，該功能單元處理器采用型號為STM32F103C8T6微控制器，硬件資源多達10個ADC通道，電路中ADC1-ADC9與微控制器ADC引腳相連，接收紅外傳感器的模擬信號，無需附加驅動電路。利用微控制器自身ADC功能可以方便地設定閾值，達到更準確地循跡效果。該處理器支持CAN接口，從而實現(xiàn)對循跡數(shù)據(jù)的實時采集、處理、傳輸[5]。

2.2 避障功能單元設計

避障功能采用超聲波測距的方法實現(xiàn)，由發(fā)射探頭、接收探頭、蜂鳴器組成。該功能單元保障智能車在執(zhí)行自動控制如循跡時，確保前方道路通暢、周圍環(huán)境安全。超聲波發(fā)送和接收電路設計原理圖如圖4所示，當智能車在規(guī)定運行軌跡上進行到某一位置處，利用STM32微控制器控制超聲波發(fā)射電路發(fā)送超聲波信號，并通過GPIO口獲取超聲波接收電路的信號，通過時間差計算出超聲波傳感器與前方障礙物的距離。該電路由555定時器、74HC08(與門)、74HC14(非門)、CD4069反相器和CY1超聲波發(fā)射裝置組成。通過調節(jié)電位器RW1可以調節(jié)555定時器的輸出頻率，而超聲波實際的輸出頻率，需要根據(jù)超聲波傳感器的測量誤差來進行調節(jié)。當555定時器輸出頻率為40 kHz，控制引腳INC為低電平時，超聲波信號即可發(fā)送出去[6]。蜂鳴器可作為安全距離報警作用由程序控制。

圖3 循跡紅外對管電路

2.3 核心控制單元電路設計

核心控制單元的開發(fā)板采用ARM Cortex-M4內核的STM32F407IGT6為主控芯片，最高時鐘頻率可達168 MHz，開發(fā)板單元電路接口包括：功能電路單元接口、USART通信接口、CAN總線通信接口、USB方形接口、I/O擴展接口、DAC接口、SD卡槽、SWD程序下載接口等，其開發(fā)板單元組成如圖5所示。

控制單元電路通過多個CAN總線通信接口實現(xiàn)和其他各電路單元進行通信，循跡功能電路通過CAN總線將循跡數(shù)據(jù)發(fā)送給開發(fā)板，開發(fā)板與電機驅動單元通信獲取速度信息并控制小車前進、后退、左轉和右轉。功能任務板通過CAN總線接口實現(xiàn)圖像傳輸和超聲波測距算法。

2.4 電機驅動單元電路設計

電機驅動單元電路配備獨立的微控制器STM32F103RCT6和兩組DRV8848電機驅動模塊，用于驅動四組帶測速碼盤的直流電機。獨立的電機驅動單元可使核心控制器通過更短、更快的程序指令進行控制。直流減速電機能夠提供更加準確的控制。電機驅動芯片DRV8848驅動電路如圖6所示，DRV8848是TI公司的一款雙路H橋電機驅動器芯片，支持單通道/雙通道刷式直流電機，單個H橋最大可提供2A工作電流，并且能夠支持4V～18V較寬的工作電壓，滿足智能車電機驅動的設計需求。

圖4 超聲波接收和發(fā)送電路

圖5 開發(fā)板單元電路組成

圖6 電機驅動芯片DRV8848電路

智能小車中4個電機由4組PWM進行控制，從而實現(xiàn)電機的正反轉以及速度的調節(jié)，PWM信號由微控制器STM32F103RCT6提供，使用20柵格測速碼盤能夠更加準確地得到電機的轉速，從而獲得速度信息，準確控制小車的行走路線。

2.5 云臺攝像頭

云臺攝像頭采用100萬像素(720P),該攝像頭最大支持1 280×720分辨率,遠程控制可以實現(xiàn)云臺在水平355度，垂直120度范圍內的角度調整，可以直接通過網(wǎng)線與A72處理終端連接，同時在無線WiFi覆蓋范圍內也支持與客戶端無線連接，能夠實現(xiàn)攝像頭圖像采集傳輸，提供實時監(jiān)控信息。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)整體軟件設計

該系統(tǒng)上電后，主程序首先進行初始化操作，再依次完成系統(tǒng)函數(shù)、功能模塊函數(shù)的初始化，包括系統(tǒng)變量定義和系統(tǒng)變量賦初始值等，最后進行功能模塊檢測，實現(xiàn)與循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊、攝像頭模塊之間的通信。

系統(tǒng)初始化并檢測完畢后進入等待運行狀態(tài)，通過智能車板載啟動按鍵啟動運行。程序判斷啟動按鍵是否按下，如果按鍵被按下則進入主循環(huán)，反之則繼續(xù)判斷按鍵狀態(tài)。主程序會調用各傳感器模塊函數(shù)，執(zhí)行相關動作。系統(tǒng)整體流程如圖7所示。

3.2 循跡模塊程序設計

循跡模塊能獲取當前智能車所在路線的位置狀態(tài)，實現(xiàn)智能車路徑的自動識別，并且采用CAN總線讀取電機驅動板上的碼盤數(shù)據(jù)并控制直流電機。循跡模塊單元具有獨立的微控制器，能夠直接處理傳感器的數(shù)據(jù)，并將當前狀態(tài)以固定數(shù)據(jù)格式發(fā)送給核心控制單元，循跡模塊程序設計流程如圖8所示[5]。

3.3 避障程序設計

避障模塊采用超聲波測距的方法實現(xiàn)對目標物距離計算，由程序控制智能車行駛狀態(tài)，確保車體安全行駛。超聲波測距是借助超聲脈沖發(fā)射與接收時間差進行計算的，假設超聲波脈沖從發(fā)出到接收之間的時間為T,即超聲波經(jīng)歷兩段被測距離的時間，超聲波在空氣中的傳播速度為M,可以得到超聲波探頭距離被測物體的距離S=(T×M)/2。避障模塊程序設計流程如圖9所示。

圖7 系統(tǒng)整體流程

圖8 循跡模塊程序設計流程

圖9 避障模塊程序設計流程

3.4 電機驅動程序設計

智能小車通過循跡模塊獲取行駛路線，經(jīng)過核心處理器處理后控制電機驅動模塊，該模塊通過測速碼盤獲取左右輪的速度信息，從而準確地控制左右電機，電機驅動模塊架構如圖10所示。

電機驅動模塊采集測速碼盤信息并驅動控制電機，測速碼盤是一種集光、電一體的傳感器，不同規(guī)格的測試碼盤內部具有不同規(guī)格的光柵，可以精確地計算電機運動的狀態(tài)。使用傳統(tǒng)的M法進行測量[7]，通過計算在固定的采樣時間內測速碼盤光電信號輸出的脈沖次數(shù),即可得到電機實際的每分鐘轉速信息。電機驅動信號的PWM由電機驅動模塊上的微控制器提供，其占空比的調節(jié)根據(jù)實際測得速度信息進行控制，確保兩側實際速度與控制速度一致。電機驅動模塊程序流程如圖11所示。

3.5 云臺攝像頭程序設計

智能小車上電后，云臺攝像頭自動開機執(zhí)行自檢，自檢過程中攝像頭水平旋轉一周，垂直旋轉120度，以確保云臺功能正常，自檢過程約為1分鐘，核心板主程序在自檢后嘗試與攝像頭進行通信。

4 結語

經(jīng)過對STM32智能小車的硬軟件分析和測試，該智能車可實現(xiàn)自動循跡、避障測距、圖像傳輸?shù)纫幌盗兄悄芑墓δ埽卷椖靠勺鳛橐苿訖C器人的載體，在相關技術成熟以后，可廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防軍事等領域，具有廣闊的市場潛力和應用前景。

圖10 電機驅動模塊架構

圖11 電機驅動模塊程序流程