基于STM32的自動劃線小車設計

張偉 胡斌 王子文

摘 要：目前市面上的劃線設備仍需依賴人的視覺觀測、手動操縱，沿基準線噴涂標線。為了提高劃線效率，降低人工成本，提出一種基于STM32的自動劃線小車系統。該系統由遙控器及行進控制兩大部分構成。首先將擬劃線路徑按比例縮放，依據遙控器模塊上液晶屏分度值，通過遙控器按鍵將路徑輸入至液晶屏，也可直接調出標準路徑;然后將數據打包成數組形式，通過無線傳輸模塊NRF發送至小車控制器;最后啟動小車，小車按照預定軌跡實現劃線任務。多次實驗驗證表明，該系統可實現自動劃線任務，具有劃線穩定、作業高效等優點。

關鍵詞：自動劃線; STM32; 遠程遙控; 路徑設計; 模式識別

DOI：10. 11907/rjdk. 201121

中圖分類號：TP399文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0174-05

Abstract： The main marking equipment on the market still relies on human visual observation， manual manipulation， and spraying marking along the baseline. In order to improve the marking efficiency and reduce the cost， an automatic dash car system based on STM32 is proposed. The system is mainly composed of remote control module and travel control module. Firstly， the planning path is scaled， and it is entered into the LCD screen through the remote control button， according to the LCD division value of the remote control module， or the standard path is called directly. Then， the data is packaged into a group form， and is sent to the car controller through the wireless transmission module NRF. Finally， the dash car will achieve the marking task according to the predetermined trajectory. Based on the experiment studies， it is proved that the designed system can realize the dash task automatically， which has the advantages of consistent line stability and efficient operation.

Key Words： automatic scribing; STM32; remote control; path design; pattern recognition

0 引言

國務院關于全民健身計劃（2016—2020年）通知[1]要求提供更加完備的公共體育服務，為建設體育強國奠定堅實基礎。隨著標準化運動場館建設與維護頻率提高，場地劃線工作越來越多[2-3]，劃線技術受到學者關注[4-6]。

張明松等[6]對各種場地劃線技術優缺點進行分析，探討未來智能劃線車定位系統發展趨勢;Majd等[7]和李鑫等[8]對智能車路徑識別算法進行研究，為提高智能車尋跡精度提供算法支撐;文獻[9]通過樹莓派搭建一個視頻采集平臺，與移動小車相結合實現行人檢測;文獻[10]基于改進人工勢場法實現動態障礙物環境下的路徑規劃。以上文獻多側重于路徑識別算法與路徑規劃算法研究，未從實際使用角度進行設計。場地劃線車分為手推式和自行式兩種。手推式劃線車完全依賴施工者感覺與技術，不僅產生較大誤差，還會造成資源浪費;自行式劃線車[11-12]造價高，國產冷漆噴涂售價人民幣3萬元左右，以燃油為動力，不僅污染環境，而且噪音較大。自動式劃線車擺脫傳統劃線方式對人的過度依賴，同時降低系統能耗，實現遠程控制，達到高效節能、省時省力、方便快捷等目的;楊誠等[13]提出一種單片機控制的道路自動劃線系統，但不能進行劃線軌跡設計和更改，系統精度與靈活度還需提高。本文設計一種基于STM32的自動劃線小車系統，由遙控器與行進控制兩大部分構成，可實現遠程操控及預設路徑等功能，具有劃線穩定、作業高效等優點，相比現有劃線方式，在節能、精確度及效率等方面都有明顯優勢，具有廣闊的應用及發展前景。

1 系統總體設計

1.1 系統整體架構

系統總體架構如圖1所示。系統由遙控器系統與行進控制系統兩部分組成。遙控器系統由STM32F103ZET6（基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器）的最小系統、電源裝置、輸入（按鍵）模塊、顯示（TFT液晶屏）模塊、通信模塊及報警模塊5個部分組成。行進控制系統由STM32F103ZET6的最小系統、電源裝置、通信模塊、MPU6050運動處理組件、驅動模塊、舵機及帶編碼器的電機組成。

1.2 系統工作原理

系統工作流程：首先在遙控器上依據劃線圖形縮放比例及液晶屏分度值，將擬劃線路徑通過遙控器按鍵順序輸入至TFT液晶屏，通過遙控器對繪圖數據進行存儲，操作者也可直接調用存儲的標準路徑。繪制結束后按發送鍵，遙控器通過無線傳輸模塊NRF24L01將圖紙數據全部發送至小車控制器。小車控制器對數據進行處理計算得到指令，控制小車按照規劃路線劃線。劃線結束后，遙控小車返回，標線工作完畢。

2 系統硬件設計

系統硬件包括控制器模塊、遙控器模塊、通信模塊、運動處理模塊、驅動模塊及顯示模塊等。

2.1 控制器模塊結構與原理

控制器模塊包括控制器選用及最小控制系統設計。考慮成本與效率因素，遙控器選用意法半導體公司的32位ARM微控制器STM32F103ZET6。該芯片具有功耗低、內存大、頻率高等優點。STM32F103ZET6有144個引腳，可作為IO口使用的就有112個引腳，最高工作頻率可達72MHz。多達8個16位定時器，有2個高級定時、2個基本定時、4個通用定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道，1個16位帶死區控制和緊急剎車功能，用于電機控制的PWM高級控制定時器，以及其它豐富的外設資源。STM32F103ZET6高速處理性能與豐富的外設資源，可使系統不需要額外擴充外部RAM數據存儲器與FLASH程序存儲器。

STM32的最小系統電路設計包括復位電路設計、外部時鐘電路設計、BOOT啟動電路設計、串口下載電路設計等。

2.2 遙控器模塊

遙控器電路設計采用5×5的按鍵矩陣，將25個按鍵按照5行5列方式進行排列連接，每行與每列的一端連接單片機的IO口，每條水平線與垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵連接。每一個按鍵對應一個變量輸入，對小車行進路線與模式進行控制與設計。

2.3 通信模塊

NRF24L01是NORDIC公司生產的一款無線通信芯片，采用FSK調制，內部集成NORDIC的Enhanced Short Burst協議，可實現點對點或1對6的無線通信[14]，無線通信速度可達2M（bps）。本設計對NRF24L01采用5V供電，CS為芯片模式控制線，連接STM32的F8引腳，控制NRF24L01收發模式;CSN為芯片片選線，SCK為芯片控制時鐘線，連接STM32的SPI2_SCK（PB13引腳）;MOSI和MISO為芯片控制數據線，分別連接在STM32的SPI2_MOSI（PB14引腳）、SPI2_MISO（PB15引腳）控制數據傳輸;IRQ為中斷信號引腳，無線通信中STM32主要通過IRQ與NRF24L01進行通信。本設計將STM32引腳與直插式底座相連，方便NRF24L01直接與STM32連接。

2.4 運動處理模塊

本設計選用MPU6050六軸加速度陀螺儀對小車前進方向進行監測。MPU6050模塊體積小、功耗低、檢測精度高，能夠檢測X、Y、Z三個方向上的角速度與加速度。通過濾波融合算法[15-16]得到歐拉角，用歐拉角中的轉向角監測小車前進的方向角度。

2.5 驅動模塊

選用TB6612FNG電機驅動模塊用于驅動小車的兩個直流電機，使小車不斷處于新舊交替的平衡狀態 [17]。驅動主要通過控制器輸出的PWM波對劃線車的速度與轉向進行控制。電機選用帶編碼器的減速電機，為劃線車提供行進動力。電機模塊帶有AB相增量式霍爾磁編碼器[18]，可實時檢測小車當前的速度與行進距離，控制劃線準確度。支持高達100KHz的PWM信號頻率。

2.6 顯示模塊

顯示模塊選用3.5寸的TFT-LCD，在-20℃～50℃的溫度范圍正常使用，顯示設計的劃線路徑、當前模式和輸入坐標，以及當前劃線車位置等信息，監控當前輸入數據與小車狀態。

3 系統軟件設計

3.1 控制系統整體設計

整體設計分為遙控器和行進控制系統，通過NRF24L01進行數據通信，工作流程分別如圖2和圖3所示。

3.2 下位機軟件設計

3.2.1 矩陣按鍵工作原理

遙控器輸入鍵盤采用5×5的按鍵矩陣設計，每行與每列的一端與STM32的IO口連接。采用定時10ms掃描方式判斷是否有按鍵按下。

首先將每行IO口電平設置為高電平，每列IO口設置為低電平，對按鍵矩陣狀態進行掃描。當有按鍵按下時，對應行的電平被拉低，再設置每行IO口電平為低電平，每列電平為高電平，檢測按下按鍵時哪一列被拉低。在軟件中定義同樣的5×5二維數組，當檢測到對應i行j列的按鍵被按下時，就返回二維數組中對應的數值，通過行數與列數確定被按下的按鍵，并返回對應鍵值。每個按鍵對應不同的數值以判斷按下的按鍵，響應對應的事件。

3.2.2 模式控制軟件設計

系統有接收、發送、遙控、自動4種模式。

接收模式與發送模式通過軟件自動控制。遙控器初始化為發送模式，行進系統初始化為接收模式，之后按照數據的收發自動設置收發模式。

遙控模式與自動模式通過遙控器上的模式按鍵進行切換。每種模式都有對應的標志位，當某種模式被觸發時，對應標志位就會置1，該模式啟動，同時另一種模式標志位被清零。同時在發送的數據數組中存儲模式控制標識，這樣不會導致模式混亂。模式控制程序代碼設計如下：

/********模式控制**************/

if（key==‘Z）//按下自動鍵

{

key_automatic=1;

key_control=0;

send_buff[0][0]= ‘A;

}

if（key==‘K）//按下遙控鍵

{

key_control=1;

key_automatic=0;

NRF24L01_Init（）;

NRF24L01_TX_Mode（）;

buff[0]= ‘B;

}

3.2.3 路徑規劃軟件設計

劃線車路徑規劃依靠遙控器鍵盤進行坐標繪圖。坐標繪圖就是通過輸入規劃路線的重要坐標點，如路線的轉折點、起始點、終止點等，將對應坐標點按照順序連線以實現繪圖。

繪圖只能在自動模式下進行，按下鍵盤上的“自動”按鍵后，劃線小車進入自動模式，開始小車路徑規劃，屏幕上有對應的坐標系作為參考，進行圖形尺寸設計。按下“A”輸入的數值為坐標點X的坐標值，按下“B”輸入值為坐標點Y的坐標值。通過“直線”和“圓/弧”按鍵確定劃線類型。按下“直線”表明與上一個點的連線為直線，按下“圓/弧”表明與上一個點的連線為圓或者弧，再按下“C”輸入圓/弧半徑。一個坐標點輸入完成后按下“確定”按鍵，就會在屏幕對應坐標位置顯示繪制的坐標點，并與上一個坐標自動畫線連接。如果不按“直線”“圓/弧”按鍵，輸入坐標后直接按下確定鍵，則表示該段不劃線，在屏幕上不顯示連線。通過坐標點輸入就能完成規劃路徑的設計。

本文通過一個200×10的二維數組對所有劃線數據進行存儲。如果路線繪制錯誤，按下“退格”鍵就能對上一條連線進行刪除，同時也會刪除數組中對應的數據。當路線全部設計完成后按下“發送”鍵，就能將規劃路線的全部數據發送到劃線小車控制系統中。

3.3 驅動電路原理與軟件設計

3.3.1 B6612電機驅動軟件設計

通過STM32的兩個IO口控制一個電機，控制IO口電平輸出，控制電機的正反轉。通過調節PWM波的占空比調節電機轉速，PWM占空比越大，電機轉速越快。程序如下：

GPIO SetBits（GPIOF， GPIO_Pin_2）;

GPIO SetBits（GPIOF， GPIO_Pin_4）;

GPIO ResetBits（GPIOF， GPIO_Pin_1）;

GPIO ResetBits（GPIOF， GPIO_Pin_3）;

TIM_SetCompare1（TIM3， 500）;? ? ? //右輪

TIM_SetCompare2（TIM3， 500）;? ? ? //左輪

SYSTICK_Delay1ms（50）;

3.3.2 速度與路程記錄

設N為單位時間內行駛一定距離s所記錄的脈沖數，則小車速度為

通過速度對時間積分得到時間T內行駛路程為

實現代碼如下：

A1=Read_Encoder（2）;? //編碼器A的計數值

B1=Read_Encoder（4）;? //編碼器B的計數值

Encoder=（A1+B1）/2;

Speed = （（float）Encoder/1024）*7.5;? //速度

T=Speed*10;

S=S+T; ? ? ?//路程積分

3.3.3 方向控制算法

為保證小車在前進過程中保持方向穩定，不偏離規劃路線，需要對小車兩個電機轉速進行控制，控制使用增量式PID算法[19-20]。

通過計算與規劃路線的行駛偏差角進行PID控制，使小車兩輪轉速保持相等，達到前進方向與路線方向一致。

3.3.4 舵機電路軟件設計

舵機通過周期為20ms的PWM波控制轉角電機，STM32時鐘頻率為72MHz，通過對定時器分頻產生周期為20ms的周期波。

本文用舵機模擬劃線車的顏料控制閥，通過改變PWM的占空比改變舵機的轉動角度。當小車行駛在需要劃線路段時，舵機旋轉控制劃線筆放下，開始劃線。當行駛在不需要劃線路段時，舵機控制劃線筆抬起不劃線。通過接收到的規劃路線數據判斷是否劃線，當需要劃直線時，對應標志位為1，圓或者弧時對應標志位為2，不需要劃線對應標志位則為0。

4 系統模型展示及運行結果分析

4.1 系統模型展示

劃線小車軌跡顯示、遙控器及未封裝實物如圖4和圖5所示。

預設長方形軌跡自動劃線實驗結果如圖6所示。本實驗用舵機模擬劃線車的顏料控制閥，通過改變PWM占空比改變舵機的轉動角度。

4.2 運行結果與分析

通過按鍵輸入路徑規劃，小車順利按照規定路徑行駛。小車運行穩定、轉向平穩、噪音很小。在保證小車初始位置條件下，劃線操作不需要人為干涉，提高了劃線效率，降低了人工成本。動作結束，小車報警提示。在運動場等操作環境下，加裝外置天線，遙控小車可自行返回，方便快捷。

5 結語

基于STM32的智能劃線小車具有能耗低、噪音小、效率高、劃線穩定迅捷等特點，適用于各類運動場及部分交通劃線。小車測試展現了良好的系統性能。但在實際應用過程中，如何有效保障小車位姿準確性是一個難題。同時，該項目目前只適應于運動場停車位等標準劃線，對于復雜道路狀況劃線還需要拓展研究。

參考文獻：

[1] 國務院. 關于印發全民健身計劃（2016-2020年）的通知[Z]. 國發〔2016〕37號，2016.

[2] 范瑋琦，王慧利. 道路劃線車基準線檢測方法與檢測裝置的研究[J].? 儀表技術與傳感器， 2008，40（8）： 101-103.

[3] 岳文言.? 論公共體育場地投入與全民健身良性互動[J].? 體育文化導刊， 2017，16（2）： 127-129，144.

[4] PAYALAN， YASIN FIRAT， GUVENSAN M AMAC. Towards next-generation vehicles featuring the vehicle intelligence[J].? IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2020， 21（1）： 30-47.

[5] LOMBARD A， ABBAS-TURKI A， EL MOUDNI A. V2V-based memetic optimization for improving traffic efficiency on multi-lane roads[J].? IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine，2020，12（1）： 35-46.

[6] 張明松，王恩恒， 肖錦志， 等.? 國內道路定位劃線的研究進展探討[J]. 南方農機， 2020， 51（1）： 240-241.

[7] MAJD， KEYVAN RAZEGHI， AHROMI， et al. A stable analytical solution method for car-like robot trajectory tracking and optimization[J].? IEEE-CAA Journal of Automatica Sinica， 2020， 7（1）： 39-47.

[8] 李鑫， 范英， 楊金鑫， 等.? 智能車路徑識別算法研究[J].? 太原科技大學學報， 2020， 41（1）： 32-36，40.

[9] 劉鵬程.? 基于樹莓派的行人檢測小車設計[J].? 軟件導刊， 2018， 17（2）： 114-116.

[10] 唐小潔，丁一航，申勤，等.? 改進人工勢場法的移動小車動態避障路徑規劃[J].? 軟件導刊， 2019，18（10）： 152-156，225.

[11] 楊慶鳳， 劉德營， 陳坤杰.? 基于DSP的公路噴字劃線車控制系統的設計[J].? 機電工程技術， 2007，20（2）： 32-33，100.

[12] 夏進軍， 周濤.? 基于道路3D模型的自行路面劃線車設計[J].? 機械設計， 2016， 33（4）： 113-115.

[13] 楊誠， 郝潤生.? 道路自動劃線車單片機控制系統設計[J].? 自動化儀表， 2017， 38（11）： 43-45.

[14] 王秀清， 劉秀超， 楊世鳳.? 數據處理與無線傳輸系統的設計[J].? 微機算計處理， 2008，28（24）： 129-130.

[15] 趙帥， 肖金壯， 郭一.? 基于改進型卡爾曼濾波的電機速度數據處理方法[J].? 微特電機， 2018， 46 （9）： 80-82.

[16] 呂值敏.? 濾波融合算法的管道鋼珠運動檢測系統設計[J].? 單片機與嵌入式系統應用， 2018， 18（9）： 82-85.

[17] 占華林， 鄒麗彬， 歐陽燁.? 基于MPU6050l六軸傳感器平衡小車的設計[J].? 設計與研發， 2017，33（21）： 10-11.

[18] 叢培田， 白志強， 朱星橋，等.? 基于STM32F103的旋轉角度測量裝置設計[J].? 工具技術， 2017， 51（1）： 108-110.

[19] 吳強， 韓震宇， 李程.? 基于增量式PID算法的無刷直流電機PWM調速研究[J].? 機電工程技術， 2016，29（3）： 63-65.

[20] 楊曉嵐.? PID算法在智能車中的應用[J].? 實驗科學與技術， 2010， 8（4）： 187-189.

（責任編輯：杜能鋼）