基于STM32的無線實時監控智能履帶小車設計

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基于STM32的無線實時監控智能履帶小車設計

在現代社會生活中，機器人及其相關技術被廣泛應用于機械、電子、交通、國防和農業等諸多領域。隨著機器人研究廣泛而又深入的開展，機器人不再僅僅局限于制造業，還被推廣到采礦、救援和水電系統維修等非制造業領域，而移動機器人就是其中一個代表[1]。WiFi無線通信具有覆蓋面積大和傳輸速度快的優點，可以使機器人在一些危險的環境下工作。智能小車由于具有自動循跡、避障和可控行駛等諸多優點，可以滿足多種環境、任務的要求，且其制造價格低廉，運行穩定，受到很多危險作業和工業場合的青睞。我國開始快速注重機器人事業的發展，建立了許多高水平的研究發展基地，為新世紀機器人發展的創新奠定了基礎[2]。

1 總體設計

智能小車以STM32系列單片機作為控制核心，通過紅外傳感器獲取外界環境信號，由電動機驅動模塊驅動小車運行，攝像頭采集視頻信息。智能小車的設計框圖如圖1所示，主要包括電源模塊、避障模塊、自動循跡、電動機驅動模塊、攝像頭、WiFi模塊和單片機。

圖1 系統結構框圖

2 智能小車硬件系統

2.1 智能小車控制器

智能小車采用STM32系列的單片機(型號為STM32f103V8C6)作為核心，以ARM32位Cortex-M3作為CPU，64 kB的SRAM為存儲器，擁有3種低功耗模式，2種調試模式(串行調試(SWD)和JTAG接口)，48～144個I/O端口，8個定時器和2個看門狗定時器，最多達13個通信接口(2個I2C、5個USART、3個SPI和2個IIS)。STM32單片機具有功耗低、性能高和處理速度快等優點。

2.2 驅動模塊

目前，常用的方法是通過脈沖寬度調制(PWM)來控制小車的車速。本文利用L298N芯片控制小車的2個直流電動機運行，也可以驅動1個步進電動機。由于PWM調速系統具有電流連續、運行平穩和可調范圍較寬的優點，適合通過占空比改變電壓[3]。其工作原理是通過調制器給電動機提供一個具有一定頻率的脈沖寬度可調的脈沖電，脈沖寬度越大即占空比越大，提供給電動機的平均電壓越大，轉速越快，小車的運行速度就越快；反之亦然。驅動模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 驅動模塊電路原理圖

2.3 智能小車避障、循跡模塊

小車的循跡和避障模塊都采用發射接收一體化的紅外傳感器。它具有體積小、靈敏度高和受其他光線影響小的優點。其紅外線發射的距離為1～60 mm，通過紅外發射管和接收管進行避障和自動循跡。若發射的紅外信號碰到障礙物將會返回信號，接收管接收到信號后給單片機提供穩定的TTL信號。

由于紅外傳感器發射的紅外波會被黑色吸收，碰到其他顏色則會反射回信號，因此將黑色膠帶作為線路，小車可沿此線路前進。

2.4 WiFi模塊

WiFi模塊是刷Openwrt系統的路由器，然后在系統上安裝攝像頭的驅動。它的功能是上位機向小車發送控制信號，同時將攝像頭采集到的視頻信號發送到上位機。路由器通過安裝Ser2net實現網絡轉換串口，設置好波特率、數據位和停止位等，然后路由器通過WiFi信號和上位機通信。由路由器引出3條線，即TTL串口，它是一種通信串口，一般用不同顏色代表不同的意義：TX(紅線)代表發送數據；RX(綠線)代表接收數據；GND(黑線)代表地線。

2.5 攝像頭模塊

攝像頭的主要工作原理是以一定分辨率通過隔行掃描的方式來采集圖像上的點。當掃描到點時，就把該點的灰度轉換成對應的電壓，再把該電壓從信號端口輸出，然后攝像頭中的DSP將對圖像信號進行優化和壓縮。攝像頭主要包括鏡頭、CCD圖像傳感器和A-D轉換器等[4]。本文采用USB攝像頭(天敏天輪UVC-S)。因其傳輸速度高，接口簡單，兼容性高，即插即用，幾乎所有的電子設備上都有USB接口，它已經成為了電子產品所必須的接口，是用戶的首要選擇。

2.6 電源模塊

單片機開發板自帶5 V轉3.3 V芯片(AMS1117—3.3)。智能小車需要5 V和3.3 V電壓，5 V電壓是路由器和紅外傳感器電壓，可以從驅動模塊處直接引出；3.3 V電壓是單片機的電壓，需通過AMS1117—3.3芯片將5 V電壓轉換成3.3 V電壓[5]。它是一個正弦低壓穩壓器，在1 A電流下電壓為1.2 V，并且內部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。如果片內過熱，切斷電路具有過載和過熱保護的功能，以防環境溫度造成過高的結溫，也避免因為過高的溫度燒壞模塊。

3 智能小車軟件設計

小車的控制系統軟件設計是基于Keil Vision4環境，并使用C語言進行程序編程。智能小車的上位機界面使用Labview進行編譯。在使用Labview進行編程時應注意，Labview只能調用本地攝像頭，不能調用網絡攝像頭，所以需要通過IP camera adapter軟件把網絡攝像頭的視頻地址改為本地攝像頭的視頻地址。上位機軟件設計流程如圖3所示。

圖3 上位機軟件設計流程圖

4 結語

基于STM32單片機的智能小車實現了無線控制、避障和視頻實時監控等功能。智能小車具有良好的穩定性、實用性和擴展性，且構造簡單，成本低，可以應用于對未知危險環境的探索。

[1] 田濤，鄧雙城，楊朝嵐，等. 工業機器人的研究現狀與發展趨勢[J]. 新技術新工藝， 2015(3)：92-94.

[2] 蘇云天. 俄羅斯機器人技術發展趨勢[J]. 全球科技經濟瞭望，1999(2)：10-11.

[3] 程志江，李劍波. 基于模糊控制的智能小車控制系統開發[J]. 計算機應用，2008， 28(z2)：350-353.

[4] 樊國棟，石紅瑞，張健. 嵌入式Linux下CMOS攝像頭驅動的設計與實現[J]. 工業儀表與自動化裝置，2010(3)：68-70.[5] 周立功.項目驅動—單片機應用設計基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011.空間大的優勢，因此有著廣闊的發展前景。

責任編輯 馬彤

高 力，王庭有，張 江，張 彬

(昆明理工大學，機電工程學院，云南 昆明 650500)

智能小車具有智能避障、實時監控和控制小車的功能。智能小車以STM32單片機作為處理器，通過路由器來接收控制信號和發送視頻信號；以履帶小車作為底盤，具有良好的越障性能和穩定性能，直流電動機和控制電路作為系統的驅動；將紅外傳感器作為小車的智能避障模塊。智能小車將計算機或者手機作為上位機，通過路由器可以在上位機中顯示視頻和發送控制信號控制小車運行。系統設計主要包括軟件設計和硬件設計，軟件設計包括上位機軟件的編寫和對單片機程序的編寫；硬件設計是指電路設計，包括電動機驅動和無線通信等。

履帶小車；WiFi；STM32單片機；上位機

Wireless Real-time Monitoring of Intelligent Track Car based on STM32

GAO Li，WANG Tingyou，ZHANG Jiang，ZHANG Bin

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The intelligent car has the function of the real-time monitoring and the intelligent obstacle avoidance. The intelligent car uses the STM32 microcontroller as the processor, receives the control signal and sends video signal with a router; the tracked car is used as a chassis, which has the better obstacle-surmounting performance and stable performance; a DC motor drive and control circuit mane a system; the infrared sensors become intelligent obstacle avoidance module of the car. Intelligent cars make a computer or mobile phone as a PC, display video in the upper machine and send the collected signals to control the running of the car with a router. The system mainly includes the software and hardware design. The software design refers to the writing of PC software and single-chip microcomputer program. And the hardware design refers to the circuit design including the motor drive, wireless communication and so on.

tracked vehicles, WiFi, STM32 microcontroller, upper machine

高力(1990-)，男，碩士研究生，主要從事光機電液機械集成與控制等方面的研究。

王庭友

2016-04-13

TN 948.6

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