基于STM32的智能小車循跡避障測距的設(shè)計(jì)

洪一民，錢慶豐，章志飛

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

智能機(jī)器人的應(yīng)用在世界上越來越廣泛，逐步在各個領(lǐng)域都有所涉及。移動機(jī)器人屬于智能機(jī)器人學(xué)的一個很重要的分支，目前世界各國都開始注重對移動機(jī)器人的研究。在軍事偵察、地質(zhì)勘測、掃雷排雷等人類作業(yè)難度較大的領(lǐng)域以及對惡劣環(huán)境的監(jiān)測工作中都有廣泛的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的基于STM32的循跡避障測距的智能小車就屬于智能移動機(jī)器人的范疇，能夠通過傳感器探索周圍障礙物，并實(shí)現(xiàn)避障、循跡等功能。

1 總體設(shè)計(jì)

基于STM32設(shè)計(jì)的智能小車系統(tǒng)主要的組成部分為：主控制器模塊、紅外循跡和避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、超聲波測距模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 工作原理

由單片機(jī)主控制器芯片接收紅外傳感器發(fā)出的信號，然后判斷其信號，分析出小車需要做出的動作，再將此動作命令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動模塊，最后控制小車來執(zhí)行相應(yīng)的命令完成對應(yīng)的動作，以此達(dá)到讓小車避障的目的。若傳感器感應(yīng)到小車的左側(cè)有障礙物時，主芯片則通過控制模塊讓右輪電機(jī)工作停止，左輪電機(jī)轉(zhuǎn)動起來，這時小車就會向右側(cè)轉(zhuǎn)動；反之，若障礙物被右側(cè)傳感器檢測到時，左輪電機(jī)就會停止轉(zhuǎn)動，這時小車就會向左側(cè)轉(zhuǎn)動。同時，當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)到障礙物時，單片機(jī)再根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的信號計(jì)算其距離，以此達(dá)到測距目的。模擬圖如圖2所示。

圖2 模擬圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制電路

智能小車的控制核心模塊，選用的是STM32F407單片機(jī)，配合編程軟件Keil μVision，對供電燒寫模塊、時鐘模塊、電源電路、復(fù)位電路、紅外接收模塊以及電機(jī)驅(qū)動模塊等進(jìn)行程序的操控。

3.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊的主要特點(diǎn)是：工作時的電壓比較高，最高可達(dá)46 V；電流也非常大，瞬時峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流也可達(dá)到2 A；額定功率是25 W。驅(qū)動模塊中用來驅(qū)動直流和步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載的是H橋型全橋式驅(qū)動器；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；兩個勢能控制端，在輸入信號不受影響的情況下，允許或禁止器件工作會使其內(nèi)部的邏輯電路在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，并且反饋?zhàn)兓拷o控制電路。原理如圖3所示。

圖3 原理圖

3.3 紅外避障模塊

紅外避障模塊所用的芯片是LM393芯片。該傳感器能夠適應(yīng)強(qiáng)光線，它的工作原理是發(fā)射管會發(fā)射出高頻率的紅外線，遇到障礙物則會反射回來，并通過接收管對它進(jìn)行接收，然后比較處理。這時綠色指示燈則會亮起，同時信號輸出接口會輸出一個低電平的數(shù)字信號，可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，其工作電壓為3.3～3.5 V。

3.4 紅外循跡模塊

紅外循跡模塊采用的傳感器是單光束的紅外傳感器，它是一種集發(fā)射和接收于一體的光電傳感器。檢測反射距離在1～25 mm范圍內(nèi)都適用；傳感器特設(shè)M3固定安裝孔，調(diào)節(jié)方向和固定都比較方便；比較電路使用的是寬電壓LM393比較器，具有信號干凈、波形好、驅(qū)動能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，超過15 mA。此模塊主要的作用是能夠檢測出白底中的黑線，或者是檢測黑底中的白線。

3.5 超聲波模塊

超聲波測距模塊采用URF04作為芯片；測距方式是通過I/O口輸出至少10 μs以上的高電平信號，同時模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，檢測信號是否返回，若信號返回，則需要通過Echo口輸出高電平，計(jì)算出超聲波從發(fā)射一直到返回所用的時間，作為輸出高電平的持續(xù)時間。測試距離=（輸出高電平時間×聲速）/2，聲速=340 m/s。通過此公式計(jì)算出測試距離，并進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的測試，就可以達(dá)到移動測量值。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 循跡和避障程序設(shè)計(jì)

通過初始化各模塊來實(shí)現(xiàn)智能小車的軟件設(shè)計(jì)。將各類傳感器采集信息通過數(shù)字信號的形式傳輸?shù)捷斎胍_。單片機(jī)再對此信號進(jìn)行判斷和處理之后控制智能車正常運(yùn)行。這些情況都需要通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。本次控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于Keil μVision4編譯環(huán)境。因?yàn)镃語言相對于其他匯編軟件編程比較簡單，所以使用C語言完成程序編寫。避障和循跡流程如圖4、圖5所示

圖4 循跡流程

圖5 避障流程

4.2 PID算法控制小車速度的程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：通過PID算法控制小車的速度來提高小車的穩(wěn)定性。

通過閉環(huán)控制系統(tǒng)控制小車的速度，再測量小車行駛過程中的脈沖數(shù)，并且根據(jù)小車行駛路徑和時間計(jì)算出小車的速度；然后將計(jì)算的速度與上一次測量的速度進(jìn)行比較，采用PID算法控制單片機(jī)輸出PWM脈沖到電機(jī)驅(qū)動模塊PWM端，以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的智能小車以避障為主要功能，系統(tǒng)中采用的紅外傳感器具有靈敏度高、體積小的特點(diǎn)，也更易于安裝。STM32單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動芯片相結(jié)合，不僅減少了智能小車的制造成本，同時也保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與編程易實(shí)現(xiàn)。