智能循跡避障小車的設計與實現

徐靜 李欣欣

摘要：智能循跡避障小車以STM32為核心控制器，可以在行駛過程中調節小車的速度和方向。小車前方安裝的兩個灰度傳感器用于檢測路面上的黑色軌跡，超聲波模塊用來實時檢測行駛道路前方障礙物，從而實現小車的循跡和避障功能。經過實際測試，各組成部分協同工作可以實現小車的避障和循跡的功能，且小車運行安全穩定。

關鍵詞：循跡避障;STM32;傳感器;超聲波

中圖分類號：TP302? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0191-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and Implementation of Intelligent Tracking Obstacle Avoidance Vehicle

XU Jing， LI Xin-xin

（College of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： The intelligent tracking and obstacle avoidance trolley is controlled by the STM32， which can adjust the speed and direction of the trolley during driving. Two grayscale sensors installed in front of the trolley are used to detect the black trajectory on the road surface， and the ultrasonic module is used to detect obstacles in front of the road in real time， thereby realizing the tracking and obstacle avoidance functions of the trolley. After the actual test， the components work together to realize the obstacle avoidance and tracking function of the trolley， and the trolley runs safely and stably.

Keywords： The sensor; Ultrasound; Single chip microcomputer; Automatic control

1 緒論

1.1 研究的背景及意義

近年來，科學技術的快速發展，極大地提高了中國社會的經濟發展水平。為了大力發展中國制造產業，中國發布了《中國制造2025》重大政策戰略。在此基礎上，中國汽車工業協會發布了汽車工業發展“十三五”規劃，它強調了大力發展智能汽車產業的重要性[1]。智能小車，是一種以汽車電子為研究背景的多種學科相互滲透的科技創意性設計。本設計主要由檢測部分、動力輸出部分以及核心控制部分三部分組成，小車通過傳感器可以實時檢測黑線軌跡和前方障礙物，以此實現小車的智能循跡和避障的功能[2]。

1.2 發展趨勢

隨著當前科學技術的快速發展，智能車輛已經迎來一個新的發展時代。近年來有以下發展趨勢：

（1）智能車輛的性價比逐步提高。在速度、精準性、可靠性、操作性和可維護性等方面也在不斷提高，價格卻不斷降低。

（2）越來越依賴傳感器。除了傳統的加速度傳感器、位置傳感器、速度傳感器以外，各種高級傳感器，如視覺、聲音、壓力和觸摸，已被用于環境建模和決策控制。

（3）系統控制權限不再完全交付機器，更加注重人機交互控制，即通過人工干預加上本地控制構成一個完整的控制系統。

2智能循跡避障小車的設計方案

2.1 系統的總體設計

本設計控制核心為STM32，通過I/O口可以直接控制電機驅動模塊，進一步控制電機，通過調節I/O口占空比改變直流電機的轉速實現小車平臺的轉向和移動。為了實現小車的避障功能，在小車車頭安裝超聲波模塊用來實時檢測小車行駛道路前方障礙物。為了實現小車循跡功能，在小車車頭安裝兩個灰度傳感器，用來檢測小車行駛路線。在本設計中藍牙模塊用于小車和手機端實時通訊，追蹤數據，方便調試。電源模塊的作用是為芯片提供穩定工作的電壓。總體框圖如圖1所示。

2.2 設計方案選擇及硬件設計

針對現有智能小車存在的不足，結合實際工作環境中的需求，本設計在智能小車道路識別方面做了一些改進，提高了識別準確度。本設計主要由以下模塊構成，包括灰度識別模塊、超聲波模塊、主控芯片、電源模塊等。

2.2.1 單片機的選用

本設計單片機的選型從以下幾個方面考慮：一是要有定時器功能，因為控制小車輪子轉速需要PWM（脈沖寬度調制），用于實現避障功能超聲波模塊的驅動也需要用到定時器。二是要有A/D轉換功能，因為灰度傳感器輸出的事模擬信號，需要通過A/D轉換變成數字信號才能被單片機所使用。

綜上所述，結合本次設計的實際情況選擇STM32，自帶A/D轉換器且定時器功能比較強大，外設接口豐富，性價比非常高。

2.2.2 超聲波模塊的選用及設計

為了降低開發成本，本設計使用超聲波模塊來測量距離。市面上超聲波測距模塊類型很多，其中HC-SR04超聲波模塊測量范圍相對較廣，測量精度相對較高，屬于非接觸式測量傳感器[3]。該模塊各項性能指標滿足本設計的需求且價格合理。因此本設計采用HC-SR04作為測距模塊。該模塊使用也比較簡單，通過trig引腳觸發來啟動測距，若有信號返回，則echo引腳輸出一定時間高電平，通過測量高電平持續時間可以計算出小車和障礙物之間的距離[4]。

2.2.3 循跡模塊的選用及設計

本設計采用的灰度傳感器為亞博智能灰度傳感器，用來實時檢測路線。該模塊輸出信號為模擬信號，使道路識別功能更加靈敏、精確。本設計采用灰度傳感器為循跡功能提供一種新的思路。由于光在不同顏色的物體表面反射程度不同，所以傳感器接收到的光強度也有所不同，灰度傳感器上面的光敏電阻阻值不斷變化，輸出電壓也就有所變化。當環境光干擾不嚴重時，非常適合用于區分黑色和白色。該傳感器正常工作電壓較廣，適應性強，對電源要求較低。它輸出的信號是模擬信號，因此需要ADC模塊來做模數轉換變成數字信號后供單片機使用進行不同顏色的判別。

2.2.4 藍牙模塊的選用及設計

本設計采用HC-05主從一體藍牙模塊，實現小車和手機端通信。因其價格比較合理，使用方便，在近距離無線通信方案中有較多的應用，通過簡單的配置就可以使用[5]。通過藍牙模塊的無線傳輸功能把數據發送到手機端，可以實現數據實時監測，方便調試。后期也可以用它實現無線遙控，進行數據的監測。

3 數據處理

3.1 傳感器數據處理

在本設計中用于道路識別的是灰度傳感器，輸出的信號為模擬信號，需要經過A/D轉換，轉換為數字信號為單片機所用[6]。本設計所采用單片機為STM32，自帶12位分辨率ADC，通過CubeMX軟件配置ADC模塊為連續轉換掃描模式，ADC轉換通道數量為8個，ADC時鐘周期為12MHz，采樣周期為71.5個時鐘周期，通過公式（1），STM32的采樣時間轉換公式：

其中t為采樣時間，T為ADC采樣頻率，為ADC時鐘周期，通過公式（1）計算得出轉換時間為6μs。兩個灰度傳感器各用4個通道，最后對4個通道輸出值取平均值，這樣配置可連續輸出數據并且輸出數據穩定，抗干擾性強，并且轉換速度完全滿足本設計要求。

經過上述配置就可以分別獲取到兩個灰度傳感器的值，但是這樣并不能通過傳感器的值獲取當前小車相對于道路的左右偏離情況。所以，在本設計中對傳感器值做以下處理，該灰度傳感器從純白到純黑輸出的值大概是1到2的連續數值，將該數值放大50倍，得到50到100范圍內連續的信號。由于兩個傳感器在相同位置輸出值存在偏差，且處理數據時放大倍數較高，實際右邊傳感器測量到的輸出值比左邊傳感器測量到的輸出值小10，所以最終單片機使用到的傳感器的值如公式（2）所示：

其中，為最終處理結果，為左邊灰度傳感器輸出值，為右邊灰度傳感器輸出值。數值經過公式（1）的處理相當于在道路上構建了一個范圍大概是-40到40的一維坐標系。

3.2 PID算法在本設計中的應用

在本設計中執行機構是電機，用于控制小車運動，測量元件是灰度傳感器，用于實時檢測小車位置偏差，因此在本設計中可以運用PID控制器來對小車進行控制。

通過增量式PID運算可以得到一個輸出值用來糾正小車偏移方向，但是小車的輪子分為左右兩邊。通過藍牙模塊和手機通信可以在手機端實時追蹤小車數據，通過分析發現，當小車向左偏離時增量式PID計算結果全部為正數，當小車向右偏離時增量式PID計算結果全部為負數。給小車一個初始速度讓小車向前行駛，當小車行駛方向向左偏離時它應該向右轉，所以增大左邊車輪速度，減小右邊車輪速度，反之亦然。通過如下處理可以滿足左轉和右轉兩種情況，首先獲取增量PID計算結果，限制計算結果上下限，然后將結果作用到車輪轉速控制。

4 軟件設計

4.1避障功能設計

小車在行駛的過程中需要實時獲取道路前方障礙物信息，并做出相應的決策。小車每隔1ms發送一次Trig信號，用于啟動超聲波模塊測距，檢測小車前方障礙物。如果小車和障礙物之間的距離小于20厘米，則小車暫停等待，否則小車繼續向前行駛。智能小車避障流程圖如圖5所示。

4.2 循跡功能設計

循跡功能為本設計核心功能， STM32讀取并處理灰度傳感器輸出值，獲取當前小車相對于道路的位置信息，每隔10μs通過PID控制器調節小車左右車輪轉速，調節小車到期望的位置。智能小車循跡流程圖如圖6所示。

5 結論

本設計是以STM32為控制核心的智能循跡避障小車，小車在行駛的過程中不斷調節自身行駛速度方向，使小車按照規定的路線正常行駛，并且在行駛同時檢測小車前方是否有障礙物，當小車發現前方有障礙物時就停止避免發生碰撞。智能汽車的研究在當前非常受重視，并且各個國家這方面的投入也越來越多。智能車輛將伴隨著人工智能技術、計算機技術、自動控制技術的不斷進步進入一個快速發展的新時期。

參考文獻：

[1] 周生遠，王浩，于匯鑫. 基于單片機的智能小車避障循跡系統設計[J]. 科技傳播，2017（07）.

[2] 南春巖. 基于單片機的機械小車自動技術實訓[J]. 科技資訊，2017（27）.

[3] 胡志.基于PID控制的兩輪自平衡小車設計[J].電子質量，2017（12）.

[4] 李偉中.模糊PID控制算法在智能小車中的研究與應用[J].工業設計，2016（03）.

[5] 楊前明，張君，阮益. AGV軌跡規劃及其糾偏控制機理研究[D]. 浙江大學. 2018（11）.

[6] 沈維佳. 多傳感器小車的控制系統設計與研究[D].南京理工大學，2015.

【通聯編輯：梁書】