基于STM32F4的智能避障小車設計

摘要：本文設計的智能車以STM32F405微控制器作為核心控制單元，通過3個紅外傳感器檢測賽道信息，使用速度閉環控制，使智能車實現避障行駛。

關鍵詞：紅外傳感器；閉環控制；避障智能小車

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 18-0001-02

隨著電子技術和智能控制技術的發展，智能車已經成為自動控制領域內的一個研究熱點。本文研究的智能小車可以利用傳感器自動獲取目標道路信息，同時還能自動避開障礙物。

一、總體設計

為了讓小車精確快速的通過賽道，我們設計了整個小車的外形（圖1），使小車盡量的小并且輕。所以我們選用了玻璃纖維板作為底盤，并且只使用了兩個電機，用差速轉彎的方式控制小車行進，并且自行設計了電路板。最大化的減小的車的體積和重量，平衡了車的整體重心。

二、硬件設計

本設計采用ST公司Cortex-M4驅動的32位閃存微處理器STM32F405作為硬件平臺，配以電源模塊、電機驅動模塊、傳感器信號輸入等相應的外圍電路和輸入輸出接口電路等，構成一套完整的硬件系統（見圖2）。

（二）核心微處理器

本系統采用STM32F405作為核心微處理器，這是由ST公司年推出的ARMCortex-M4處理器，是ARM專門開發的最新嵌入式處理器。

在系統中，單片機主要執行以下工作：

1.采集紅外測障傳感器信號，獲取賽道路況信息；

2.采集編碼器脈沖數，進行速度PID環的運算；

3.輸出所需的左右輪PWM。

（三）電機驅動模塊

本系統采用H橋集成芯片ZXMHC3F381N8作為電機驅動芯片，該芯片由4個MOS管集成而成，能滿足系統電機的工作轉矩和轉速。

本智能小車中采用脈寬調制方式（即PWM，PulseWidth Modulation）來調整電機的轉速和轉向。脈寬調制是通過改變發出的脈沖寬度來調節輸入到電機的平均電壓，也就是單片機提供給電機的信號是方波，通過不同方波的平均電壓不同來改變電機轉速。

（四）紅外測障傳感器

紅外測障傳感器（圖4）連接到主控制板板數字輸入口上。通過M3螺絲將傳感器模塊直接固定在智能小車底盤上。

紅外測障傳感器在使用過程中，當前方有障礙物時，發射的紅外就會被反射回來，紅外接收傳感器接收到反射光，認為此時傳感器前方有障礙物。單片機采集到此信號后，控制小車運動。

通過調節紅外測障傳感器上的電位器來改變其檢測距離。當順時針旋轉電位器時，紅外發射變強，檢測距離變遠；當逆時針旋轉電位器時，紅外發射變弱，檢測距離變近。

在使用中，紅外測障傳感器對于不同顏色與粗糙程度的障礙物，使用中其檢測距離不一樣。當障礙物顏色是黑色或深色時，會吸收大部分紅外光，只反射回一小部分，有時會使紅外接收傳感器接收到的紅外光強度不夠，不足以產生有障礙的信號；當障礙物顏色是白色或淺色時，正好相反。

三、程序設計

系統電機使用閉環控制系統，在采集到編碼器的脈沖信號后，進行速度PID閉環的運算。通過定期檢測紅外測障的數據，獲得跑道數據信息后，進行路徑規劃，輸出所需的左右輪的目標速度。加入PID運算。控制輪速以完成小車避障行駛。圖5是程序流程圖。

其中stateL代表左紅外測障傳感器狀態，若為“1”則表明未檢測到左邊緣，反之則表明檢測到左邊緣；stateR代表右紅外測障傳感器狀態，若為“1”則表明未檢測到右邊緣，反之則表明檢測到右邊緣；stateM代表中紅外測障傳感器狀態，若為“1”則表明未檢測到前邊緣，反之則表明檢測到前邊緣。

在方向控制上，通過左右輪的轉速差來控制。左輪較右輪轉速快，則控制智能車右轉，反之則控制智能車左轉。

四、結束語

本文以追求智能車避障行駛穩定性為前提，提出了智能車的整體設計思想，硬件設計，軟件設計。在機械結構方面，我們以電腦鼠作為設計思想，設計了輕巧的車體結構。在電路方面，我們以模塊形式分類，在最小系統、主板、電機驅動等模塊分別設計，經過不斷實驗，最后決定了我們最終的電路圖。在程序方面，我們使用C語言編程，經過不斷討論、改進，終于設計出一套比較通用穩定的智能避障程序。在這套算法中，我們結合路況調整車速，保證在最短時間內避障跑完全程。

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