基于STM32的雙模式智能避障小車系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 鈺，朱 琳，蘇世雄，馬新華

（1.西安航空學(xué)院 計算機學(xué)院，西安710077；2.中國兵器裝備集團 摩托車檢測技術(shù)研究所，西安710032）

隨著人工智能時代的到來，智能機器人的應(yīng)用越來越廣泛，智能小車作為一種輪式的移動機器人是智能機器人的一種典型應(yīng)用。它是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、智能控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)[1-2]。同時，伴隨著科技的進(jìn)步，各種高科技及前沿技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能小車領(lǐng)域，使得智能小車越來越多樣化[3]，其中，無人控制的智能小車自動行駛成為人們關(guān)注的熱點[4]。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了基于Arduino 的智能避障小車，采用RB-URF02 超聲測距傳感器作為避障檢測模塊，使得小車具有了一定的避障功能，但是只考慮了正前方一個方向的障礙物檢測，并且當(dāng)遇到障礙物時，默認(rèn)的轉(zhuǎn)彎方向也只是同一個方向。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種基于AT89S52 的Android 手機藍(lán)牙控制智能小車，使得小車能夠根據(jù)人為控制進(jìn)行避障，但是該小車無法自主避障。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了基于89C52 的智能避障小車，采用NREF24L01 作為無線接收模塊，以紅外光電傳感器作為避障模塊，設(shè)計了一款智能控制小車。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種基于機器視覺的循跡避障小車系統(tǒng)，該小車以攝像頭作為信息采集模塊，得到障礙物的距離，從而避開障礙物。

雖然學(xué)術(shù)界對智能小車的研究取得了一定的進(jìn)展，但是，都是基于某一種模式進(jìn)行研究的，其小車的智能性和多樣性不足。因此，為了進(jìn)一步提高小車的智能性和多樣性，本文設(shè)計的智能小車有2 種控制模式，即自動模式和手動模式，采用5路超聲波傳感器，分別置于小車的前后左右，對小車周圍環(huán)境進(jìn)行全方位的障礙物檢測。當(dāng)處于自動模式時，小車根據(jù)5 路超聲波傳感器獲取路障信息，進(jìn)行算法融合之后，決策出所要執(zhí)行的動作，從而實現(xiàn)自主避障；當(dāng)處于手動模式時，小車根據(jù)上位機APP 人工控制進(jìn)行避障，從而達(dá)到避障功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了保證智能避障小車的平穩(wěn)性，小車采用四輪穩(wěn)定，其中前兩輪為驅(qū)動輪，后兩輪為萬向輪，通過控制前輪的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)小車的驅(qū)動及方向的轉(zhuǎn)向控制。主控MCU 采用STM32F407，該芯片的配置豐富且功能強大。整個系統(tǒng)包括：控制器模塊、5 路超聲波模塊、語音播報模塊、藍(lán)牙模塊、Android APP 上位機控制模塊、顯示器模塊、直流電機驅(qū)動模塊和電源模塊。系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖Fig.1 System function diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了提高檢測信息的全面性，本文設(shè)計的智能小車有5 路US-100 超聲波傳感器，分別置于小車周圍，由于前方為主要檢測區(qū)域，因此，前方左右各設(shè)置1 路，其余3 路分別置于左、右、后。

2.1 控制器模塊

本系統(tǒng)主控芯片選擇STM32F407 單片機，該芯片負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、信息處理和電機控制。本智能小車設(shè)計2 種避障模式，分別為自主（主動）避障和手動（被動）避障。在自主避障模式下，小車根據(jù)5 路超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)融合計算后，控制電機的運轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向；在手動模式下，小車根據(jù)用戶操作上位機（Android APP）發(fā)送的指令，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和啟停，以此來控制小車的速度和方向。整個主控芯片的電路如圖2所示。

圖2 STM32 主控芯片電路圖Fig.2 STM32 controller

2.2 電機驅(qū)動模塊

本文選擇的電機是12 V 直流電機，選擇的電機驅(qū)動芯片是雙H 橋L298N 模塊。該模塊可以直接驅(qū)動兩路5～30 V 直流電機，其輸入端口IN1、IN2、IN3、IN4 分別與單片機控制端IO 口的PA11、PG11、PG10、PA15 連接，輸出端口OUT1、OUT2（OUT3、OUT4）分別與左（右）電機的正、負(fù)極相連。L298N 的邏輯功能可參見其芯片手冊，電機驅(qū)動模塊電路如圖3所示。

2.3 超聲波模塊

本系統(tǒng)采用US-100 超聲波作為檢測障礙物的距離，該超聲波可測量的范圍為2 cm～4.5 m，擁有2.4～5.5 V 的寬電壓輸入范圍，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，同時具有GPIO、串口等多種工作方式，其工作穩(wěn)定性可靠。采用電平觸發(fā)方式測距，其測距計算方法： 距離=（高電平時間* 聲速）/2，其中，高電平時間可采用單片機的定時器獲取，聲速取值為340 m/s，從而便可計算出障礙物距離。

圖3 電機驅(qū)動電路Fig.3 Motor-driven circuit

2.4 語音播報模塊

語音播報功能使得電子產(chǎn)品更加人性化、便捷化，在許多應(yīng)用領(lǐng)域都有著不可替代的作用[9]。本系統(tǒng)設(shè)計的語音播報功能可用于小車運行的各種狀態(tài)中。例如，小車上電后播報“初始化成功，請選擇模式”，左轉(zhuǎn)時播報“當(dāng)前正在左轉(zhuǎn)”等。本系統(tǒng)所采用的語音芯片為XFS5152CE，該芯片可支持中文、英文語音合成，集成了語音編碼、解碼功能，同時支持錄音和播放功能，支持UART、I2C、SPI 三種通訊方式，本文采用UART 通訊方式。語音播報電路如圖4所示。

圖4 語音播報電路Fig.4 Voice broadcasting circuit

2.5 顯示器模塊

為了清晰顯示小車周圍檢測到的障礙物距離，本文未采用常用的LCD1602 或LCD12864 顯示器，而是采用當(dāng)前較為流行的專門針對工業(yè)自動化應(yīng)用而設(shè)計的迪文屏顯示，該屏集成了大量的工業(yè)自動化處理相關(guān)軟件，使用起來較為方便、簡單。

2.6 藍(lán)牙模塊

本文采用HC-06 作為從藍(lán)牙模塊，用來接收上位機（手機APP）發(fā)送來的各種指令。但是，在小車與藍(lán)牙連接之前需要對藍(lán)牙進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，例如，測試通訊是否正常，修改波特率、名稱、密碼等。該部分可參見HC-06 藍(lán)牙芯片手冊進(jìn)行設(shè)置即可。

2.7 電源模塊

電源模塊是整個系統(tǒng)的能量中心，穩(wěn)定良好的電源是保證小車順利完成的基礎(chǔ)。本文采用的電源是12 V 可充電鋰電池，電源管理模塊將電壓調(diào)節(jié)后重新分配給各不同電源標(biāo)準(zhǔn)的模塊，以保證各器件正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件開發(fā)主要有STM32 控制器、手機APP 兩個方面。針對STM32 控制器采用Keil uVision5 集成開發(fā)環(huán)境，該軟件是基于Windows 的平臺開發(fā)，簡單易上手，非常適合于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。針對手機APP 采用常用的Android 平臺進(jìn)行開發(fā)，并且該平臺支持藍(lán)牙開發(fā)。因此，整個系統(tǒng)的流程如圖5所示，藍(lán)牙模式和自主避障模式流程分別如圖6、圖7所示。

圖5 系統(tǒng)流程Fig.5 System flow chart

圖6 藍(lán)牙模式流程Fig.6 Bluetooth mode flow chart

圖7 自主避障模式流程Fig.7 Autonomous obstacle avoidance mode flow chart

4 實驗測試

將小車置于含有障礙物的路段中，結(jié)果表明，小車運行平穩(wěn)，各項設(shè)計符合要求。圖8 為自主避障模式，圖9 為藍(lán)牙模式，2 個碼盤中間顯示小車速度檔位，碼盤顯示小車左右電機的PWM 值。藍(lán)牙模式下小車采用PID 來控制速度，通過手機APP 控制小車直行、停止、后退、轉(zhuǎn)角等。通過點擊加速、減速控制小車速度單位，這里將小車速度劃分為10 個檔位，默認(rèn)是1 檔，10 檔最大。圖10 為開發(fā)的上位機APP 軟件。

圖8 自主避障模式測試Fig.8 Test autonomous obstacle avoidance mode

圖9 藍(lán)牙避障模式測試Fig.9 Test Bluetooth obstacle avoidance mode

圖10 APP 控制軟件Fig.10 APP control software

5 結(jié)語

實踐證明，本文設(shè)計并實現(xiàn)的智能小車能夠根據(jù)超聲波傳感器采集的信息進(jìn)行主動避障和人工控制APP 軟件實現(xiàn)手動避障兩種避障模式，實現(xiàn)了小車的準(zhǔn)確避障，并且在手動模式時可以控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止以及調(diào)速等功能。小車整體運行平穩(wěn)，操作方便、簡單、易上手，下一步將針對小車循跡展開研究，使得小車的功能更加完善，智能性更高。