基于stm32的智能搖頭避障車設計

王福順 郭恒吉

摘 要：此設計主要是圍繞智能小車的避障功能進行的，利用了超聲波的瞬態測距原理和紅外避障模塊遇障礙物時輸出呈低電平的原理，通過超聲波來檢測小車與障礙物之間的距離，并將檢測的距離與程序中的預定值進行比較，然后做出判斷，并由微控制器stm32控制著電機和舵機的轉向，以此控制著小車的前進、后退、左轉、右轉，以及由舵機控制著超聲波測距模塊收發頭的朝向，從而在小車遇到障礙物時能實現自動避障。

關鍵詞：智能小車；stm32；舵機；傳感器；避障

0 前言

如今社會發展迅速，互聯網、大數據、人工智能等先進智能技術愈加成熟，成為社會發展趨勢，而智能汽車作為其中一種，對社會生產發展起著十分重要的支撐作用。因此，對智能車功能的研究有著重要的實際意義。

1 總體設計方案

以二驅動小車車模為載體，以舵機、云臺和HC-SR04超聲波模塊三者共同組成輪式機器人頭部，采用兩節1.5 V干電池并搭配穩壓管來作為簡單的直流穩壓電源，選用直流減速電動機，以L298N驅動模塊作為驅動部分，以STM32F103ZET6芯片為系統控制核心，采用其最小系統板的形式，另外以兩個紅外避障模塊來配合超聲波測距模塊進行避障，最后利用Keil的開發環境對系統程序進行編寫調試。

2 硬件設計

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功能，測距精度可達3mm，模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。其基本工作原理如下：

（1）利用IO口TRIG觸發測距，給出至少10μs的高電平信號；

（2）由模塊本身自動發送8個40KHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）若有信號返回，則通過IO口ECH0輸出一個高電平，而高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間；

（4）測量距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2.

注：聲速受到溫度等因素的影響，未必是340m/s，故測量距離存在一定誤差.

2.2 舵機

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

2.3 紅外避障模塊

當模塊檢測到障礙物時，OUT端口持續輸出低電平信號（0），反之輸出為高電平（1）；其可直接與單片機相連，檢測角度為35°，最小檢測距離達2～3cm，可通過電位器調節檢測距離，面向電位器，順時針旋轉電位器，則檢測距離增大，反之減小。

2.4 驅動模塊

此系統設計所使用的驅動模塊為L298N模塊，其使用L298N作為主驅動芯片，具有驅動能力強，發熱量低，抗干擾能力強的特點，且使用大容量電容以便續流保護二極管，提高可靠性，其驅動電壓為5V～35V，工作邏輯電壓為5V，最大邏輯電流為36mA，采用H橋雙路驅動工作模式。

2.5 系統微控制器

根據程序存儲容量，可將ST芯片分為LD（<64KB）、MD（<256KB）、HD（>256KB）三類。此系統設計所選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內部flash、64KBSRAM、8個定時器，5路USART，多達80個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調試，可與價格低廉的仿真器配合，實現高速、低成本開發，通過片內BOOT區實現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，可快速驗證片上外設功能，方便移植到其它中、低容量的F1系列芯片上，使得設計開發更加方便快捷。

2.6 電源部分

電源部分主要采用干電池、升壓模塊和穩壓管進行供電的方式。利用兩節1.5V的干電池作為直流電源，通過DC-DC可調升壓穩壓模塊將3V的電壓上調至接近12V，然后與L298N的VCC接口（12V）相連，以便提供足夠的動力驅動電動機；另將3V直流電源經穩壓管與MCU相連，以便為CPU提供所需電能。

3 軟件設計

在系統main（）函數前定義一些子函數，包括啟動超聲波、小車前進、后退、左轉、右轉、停止、超聲波測距、延時、定時器初始化、中斷服務程序等函數。而程序流程圖中僅以hongwai= =1作為標志，統一代表遇到障礙時左右避障模塊中任何一個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 結束語

對于移動智能設備，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濟和安全損失。該設計主要采用超聲波模塊進行避障，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物體的高清攝像頭，以此采集小車或移動機器人行駛過程中前方及周圍情況的障礙物信息，同時增加車載傳感器的數量并安裝在合適的方向和位置，則有望進一步提高避障的及時性和小車的安全性，也有利于應用在更廣的領域和范圍。

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