基于stm32的智能搖頭避障車設(shè)計(jì)

王福順 郭恒吉

摘 要：此設(shè)計(jì)主要是圍繞智能小車的避障功能進(jìn)行的，利用了超聲波的瞬態(tài)測(cè)距原理和紅外避障模塊遇障礙物時(shí)輸出呈低電平的原理，通過超聲波來檢測(cè)小車與障礙物之間的距離，并將檢測(cè)的距離與程序中的預(yù)定值進(jìn)行比較，然后做出判斷，并由微控制器stm32控制著電機(jī)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，以此控制著小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，以及由舵機(jī)控制著超聲波測(cè)距模塊收發(fā)頭的朝向，從而在小車遇到障礙物時(shí)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

關(guān)鍵詞：智能小車；stm32；舵機(jī)；傳感器；避障

0 前言

如今社會(huì)發(fā)展迅速，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)智能技術(shù)愈加成熟，成為社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，而智能汽車作為其中一種，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展起著十分重要的支撐作用。因此，對(duì)智能車功能的研究有著重要的實(shí)際意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

以二驅(qū)動(dòng)小車車模為載體，以舵機(jī)、云臺(tái)和HC-SR04超聲波模塊三者共同組成輪式機(jī)器人頭部，采用兩節(jié)1.5 V干電池并搭配穩(wěn)壓管來作為簡單的直流穩(wěn)壓電源，選用直流減速電動(dòng)機(jī)，以L298N驅(qū)動(dòng)模塊作為驅(qū)動(dòng)部分，以STM32F103ZET6芯片為系統(tǒng)控制核心，采用其最小系統(tǒng)板的形式，另外以兩個(gè)紅外避障模塊來配合超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行避障，最后利用Keil的開發(fā)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行編寫調(diào)試。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波模塊

HC-SR04超聲波模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理如下：

（1）利用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給出至少10μs的高電平信號(hào)；

（2）由模塊本身自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

（3）若有信號(hào)返回，則通過IO口ECH0輸出一個(gè)高電平，而高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間；

（4）測(cè)量距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））/2.

注：聲速受到溫度等因素的影響，未必是340m/s，故測(cè)量距離存在一定誤差.

2.2 舵機(jī)

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于角度不斷變化并保持的控制系統(tǒng)，具有控制簡單、大扭力、成本低、易安裝調(diào)試等特點(diǎn)。其主要性能取決于最大力矩和工作速度，單位：秒/60度。例如，機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)的控制效果是影響系統(tǒng)整體性能的重要因素。另外，舵機(jī)易于控制和輸出，能夠作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得它易與MCU的接口相連。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，可通過改變占空比來改變舵機(jī)的位置。此舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角在0°～180°變化，其脈沖寬度在0.5ms～2.5ms變化。

2.3 紅外避障模塊

當(dāng)模塊檢測(cè)到障礙物時(shí)，OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào)（0），反之輸出為高電平（1）；其可直接與單片機(jī)相連，檢測(cè)角度為35°，最小檢測(cè)距離達(dá)2～3cm，可通過電位器調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，面向電位器，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器，則檢測(cè)距離增大，反之減小。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的驅(qū)動(dòng)模塊為L298N模塊，其使用L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且使用大容量電容以便續(xù)流保護(hù)二極管，提高可靠性，其驅(qū)動(dòng)電壓為5V～35V，工作邏輯電壓為5V，最大邏輯電流為36mA，采用H橋雙路驅(qū)動(dòng)工作模式。

2.5 系統(tǒng)微控制器

根據(jù)程序存儲(chǔ)容量，可將ST芯片分為LD（<64KB）、MD（<256KB）、HD（>256KB）三類。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選MCU為STM32F103ZET6，屬于HD類。它是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，屬于LQFP-144封裝，主頻72MHz，擁有512KB內(nèi)部flash、64KBSRAM、8個(gè)定時(shí)器，5路USART，多達(dá)80個(gè)GPIO且大多兼容5V邏輯，支持片外高速晶振（8MHz）和片外低速晶振（32MHz），支持JTAG/SWD調(diào)試，可與價(jià)格低廉的仿真器配合，實(shí)現(xiàn)高速、低成本開發(fā)，通過片內(nèi)BOOT區(qū)實(shí)現(xiàn)串口的在線程序燒寫（ISP），CPU工作電壓為2.0V～3.6V。由此可見STM32F103ZET6芯片片上資源十分豐富，可快速驗(yàn)證片上外設(shè)功能，方便移植到其它中、低容量的F1系列芯片上，使得設(shè)計(jì)開發(fā)更加方便快捷。

2.6 電源部分

電源部分主要采用干電池、升壓模塊和穩(wěn)壓管進(jìn)行供電的方式。利用兩節(jié)1.5V的干電池作為直流電源，通過DC-DC可調(diào)升壓穩(wěn)壓模塊將3V的電壓上調(diào)至接近12V，然后與L298N的VCC接口（12V）相連，以便提供足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；另將3V直流電源經(jīng)穩(wěn)壓管與MCU相連，以便為CPU提供所需電能。

3 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)main（）函數(shù)前定義一些子函數(shù)，包括啟動(dòng)超聲波、小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、超聲波測(cè)距、延時(shí)、定時(shí)器初始化、中斷服務(wù)程序等函數(shù)。而程序流程圖中僅以hongwai= =1作為標(biāo)志，統(tǒng)一代表遇到障礙時(shí)左右避障模塊中任何一個(gè)輸出為低電平的情況，并不是用“1”來直接表示低電平，“1”代表有障礙物。

4 結(jié)束語

對(duì)于移動(dòng)智能設(shè)備，避障是最基本且不可缺少的功能之一，一旦缺失，便可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和安全損失。該設(shè)計(jì)主要采用超聲波模塊進(jìn)行避障，避障效果存在一定局限性，但若將超聲波模塊改用快速捕捉移動(dòng)物體的高清攝像頭，以此采集小車或移動(dòng)機(jī)器人行駛過程中前方及周圍情況的障礙物信息，同時(shí)增加車載傳感器的數(shù)量并安裝在合適的方向和位置，則有望進(jìn)一步提高避障的及時(shí)性和小車的安全性，也有利于應(yīng)用在更廣的領(lǐng)域和范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程-入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.1.

[2]沈紅衛(wèi)等.STM32單片機(jī)應(yīng)用與全案例實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.6.

[3]張勇.ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)與實(shí)踐-基于STM32F103[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[4]繆璐婷.基于STM32的循跡避障智能車設(shè)計(jì)[J].技術(shù)交流，2017.

[5]李亞巨，李戰(zhàn)勝等.基于stm32f103zet6的智能小車的制作[J].智能應(yīng)用，2013.