基于STM32的智能小車(chē)設(shè)計(jì)

楊 陽(yáng)，劉慶華

(南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211306)

0 引言

日常生活中，智能化設(shè)備不斷普及，不管是智能手機(jī)、智能家居還是智能汽車(chē)，產(chǎn)品一經(jīng)面世就受到大家的熱捧。不久之前，百度的智能汽車(chē)開(kāi)始了自己的第一段里程，這也標(biāo)志著智能汽車(chē)將進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ睢Ｗ詣?dòng)泊車(chē)、自動(dòng)召喚、哨兵模式、自動(dòng)巡航、自動(dòng)駕駛等，都已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車(chē)制造中可實(shí)現(xiàn)的功能，這些功能也進(jìn)一步使得人們?cè)隈{駛時(shí)感到輕松有趣，也讓駕駛生活變得更加便利[1-2]。

圖1 基于STM32的智能小車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)

本款智能小車(chē)很好地模仿了現(xiàn)代自動(dòng)智能汽車(chē)的設(shè)計(jì)，同時(shí)以STM32單片機(jī)作為小車(chē)的核心控制芯片，將單片機(jī)技術(shù)融入小車(chē)的各個(gè)功能模塊，能夠推動(dòng)單片機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展[3-4]。

1 智能車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能車(chē)由循跡單元、避障單元、STM32控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和云臺(tái)攝像頭單元組成。循跡單元是智能車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛的基本功能單元，采用光電傳感器獲取循跡數(shù)據(jù)。避障單元可以保障智能車(chē)自動(dòng)行駛的安全，同時(shí)也可以對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行舉例測(cè)量。STM32控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元提供智能車(chē)的動(dòng)力輸出，同時(shí)帶有測(cè)速碼盤(pán)，實(shí)時(shí)獲取速度信息供處理器控制。云臺(tái)攝像頭單元用于實(shí)時(shí)傳輸智能車(chē)畫(huà)面，提供畫(huà)面監(jiān)控。各單元間通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通信速率最高可達(dá)到1Mb/s，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 循跡功能單元設(shè)計(jì)

循跡功能單元電路由紅外傳感器和微處理器兩部分組成。紅外傳感器采用TCRT5000型光電對(duì)管，TCRT5000是一種由紅外輻射源和光電接收二極管組成的光電傳感器，它具有反應(yīng)速度快、功耗低等特點(diǎn)。采用該傳感器能夠較為簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)循跡電路，探測(cè)有效距離可達(dá)5～25 mm。利用紅外光在參照物上的漫反射原理，光電接收管能夠?qū)⒔邮盏降牟煌叶戎狄阅M量傳遞給微處理器處理，從而能夠準(zhǔn)確地識(shí)別黑、白循跡線，調(diào)整運(yùn)行軌跡，使嵌入式智能車(chē)能夠安全平穩(wěn)的運(yùn)行。循跡功能單元架構(gòu)如圖2所示。

圖2 循跡功能單元架構(gòu)

循跡功能電路單元由9組紅外對(duì)管組成，采用前5后4交叉排列，大大提高了循跡精準(zhǔn)度，循跡單元分別排列于智能車(chē)前后兩端，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。前5路循跡燈實(shí)現(xiàn)對(duì)前進(jìn)方向的道路預(yù)判，增強(qiáng)智能車(chē)循跡的穩(wěn)定性，該功能單元處理器采用型號(hào)為STM32F103C8T6微控制器，硬件資源多達(dá)10個(gè)ADC通道，電路中ADC1-ADC9與微控制器ADC引腳相連，接收紅外傳感器的模擬信號(hào)，無(wú)需附加驅(qū)動(dòng)電路。利用微控制器自身ADC功能可以方便地設(shè)定閾值，達(dá)到更準(zhǔn)確地循跡效果。該處理器支持CAN接口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)循跡數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸[5]。

2.2 避障功能單元設(shè)計(jì)

避障功能采用超聲波測(cè)距的方法實(shí)現(xiàn)，由發(fā)射探頭、接收探頭、蜂鳴器組成。該功能單元保障智能車(chē)在執(zhí)行自動(dòng)控制如循跡時(shí)，確保前方道路通暢、周?chē)h(huán)境安全。超聲波發(fā)送和接收電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，當(dāng)智能車(chē)在規(guī)定運(yùn)行軌跡上進(jìn)行到某一位置處，利用STM32微控制器控制超聲波發(fā)射電路發(fā)送超聲波信號(hào)，并通過(guò)GPIO口獲取超聲波接收電路的信號(hào)，通過(guò)時(shí)間差計(jì)算出超聲波傳感器與前方障礙物的距離。該電路由555定時(shí)器、74HC08(與門(mén))、74HC14(非門(mén))、CD4069反相器和CY1超聲波發(fā)射裝置組成。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RW1可以調(diào)節(jié)555定時(shí)器的輸出頻率，而超聲波實(shí)際的輸出頻率，需要根據(jù)超聲波傳感器的測(cè)量誤差來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)555定時(shí)器輸出頻率為40 kHz，控制引腳INC為低電平時(shí)，超聲波信號(hào)即可發(fā)送出去[6]。蜂鳴器可作為安全距離報(bào)警作用由程序控制。

圖3 循跡紅外對(duì)管電路

2.3 核心控制單元電路設(shè)計(jì)

核心控制單元的開(kāi)發(fā)板采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407IGT6為主控芯片，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)168 MHz，開(kāi)發(fā)板單元電路接口包括：功能電路單元接口、USART通信接口、CAN總線通信接口、USB方形接口、I/O擴(kuò)展接口、DAC接口、SD卡槽、SWD程序下載接口等，其開(kāi)發(fā)板單元組成如圖5所示。

控制單元電路通過(guò)多個(gè)CAN總線通信接口實(shí)現(xiàn)和其他各電路單元進(jìn)行通信，循跡功能電路通過(guò)CAN總線將循跡數(shù)據(jù)發(fā)送給開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元通信獲取速度信息并控制小車(chē)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。功能任務(wù)板通過(guò)CAN總線接口實(shí)現(xiàn)圖像傳輸和超聲波測(cè)距算法。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元電路配備獨(dú)立的微控制器STM32F103RCT6和兩組DRV8848電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)四組帶測(cè)速碼盤(pán)的直流電機(jī)。獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元可使核心控制器通過(guò)更短、更快的程序指令進(jìn)行控制。直流減速電機(jī)能夠提供更加準(zhǔn)確的控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8848驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，DRV8848是TI公司的一款雙路H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片，支持單通道/雙通道刷式直流電機(jī)，單個(gè)H橋最大可提供2A工作電流，并且能夠支持4V～18V較寬的工作電壓，滿足智能車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)需求。

圖4 超聲波接收和發(fā)送電路

圖5 開(kāi)發(fā)板單元電路組成

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8848電路

智能小車(chē)中4個(gè)電機(jī)由4組PWM進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及速度的調(diào)節(jié)，PWM信號(hào)由微控制器STM32F103RCT6提供，使用20柵格測(cè)速碼盤(pán)能夠更加準(zhǔn)確地得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而獲得速度信息，準(zhǔn)確控制小車(chē)的行走路線。

2.5 云臺(tái)攝像頭

云臺(tái)攝像頭采用100萬(wàn)像素(720P),該攝像頭最大支持1 280×720分辨率,遠(yuǎn)程控制可以實(shí)現(xiàn)云臺(tái)在水平355度，垂直120度范圍內(nèi)的角度調(diào)整，可以直接通過(guò)網(wǎng)線與A72處理終端連接，同時(shí)在無(wú)線WiFi覆蓋范圍內(nèi)也支持與客戶端無(wú)線連接，能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭圖像采集傳輸，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)上電后，主程序首先進(jìn)行初始化操作，再依次完成系統(tǒng)函數(shù)、功能模塊函數(shù)的初始化，包括系統(tǒng)變量定義和系統(tǒng)變量賦初始值等，最后進(jìn)行功能模塊檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)與循跡模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊之間的通信。

系統(tǒng)初始化并檢測(cè)完畢后進(jìn)入等待運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)智能車(chē)板載啟動(dòng)按鍵啟動(dòng)運(yùn)行。程序判斷啟動(dòng)按鍵是否按下，如果按鍵被按下則進(jìn)入主循環(huán)，反之則繼續(xù)判斷按鍵狀態(tài)。主程序會(huì)調(diào)用各傳感器模塊函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。系統(tǒng)整體流程如圖7所示。

3.2 循跡模塊程序設(shè)計(jì)

循跡模塊能獲取當(dāng)前智能車(chē)所在路線的位置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)路徑的自動(dòng)識(shí)別，并且采用CAN總線讀取電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的碼盤(pán)數(shù)據(jù)并控制直流電機(jī)。循跡模塊單元具有獨(dú)立的微控制器，能夠直接處理傳感器的數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前狀態(tài)以固定數(shù)據(jù)格式發(fā)送給核心控制單元，循跡模塊程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示[5]。

3.3 避障程序設(shè)計(jì)

避障模塊采用超聲波測(cè)距的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物距離計(jì)算，由程序控制智能車(chē)行駛狀態(tài)，確保車(chē)體安全行駛。超聲波測(cè)距是借助超聲脈沖發(fā)射與接收時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算的，假設(shè)超聲波脈沖從發(fā)出到接收之間的時(shí)間為T(mén),即超聲波經(jīng)歷兩段被測(cè)距離的時(shí)間，超聲波在空氣中的傳播速度為M,可以得到超聲波探頭距離被測(cè)物體的距離S=(T×M)/2。避障模塊程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖7 系統(tǒng)整體流程

圖8 循跡模塊程序設(shè)計(jì)流程

圖9 避障模塊程序設(shè)計(jì)流程

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

智能小車(chē)通過(guò)循跡模塊獲取行駛路線，經(jīng)過(guò)核心處理器處理后控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊通過(guò)測(cè)速碼盤(pán)獲取左右輪的速度信息，從而準(zhǔn)確地控制左右電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊架構(gòu)如圖10所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采集測(cè)速碼盤(pán)信息并驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)，測(cè)速碼盤(pán)是一種集光、電一體的傳感器，不同規(guī)格的測(cè)試碼盤(pán)內(nèi)部具有不同規(guī)格的光柵，可以精確地計(jì)算電機(jī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。使用傳統(tǒng)的M法進(jìn)行測(cè)量[7]，通過(guò)計(jì)算在固定的采樣時(shí)間內(nèi)測(cè)速碼盤(pán)光電信號(hào)輸出的脈沖次數(shù),即可得到電機(jī)實(shí)際的每分鐘轉(zhuǎn)速信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWM由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的微控制器提供，其占空比的調(diào)節(jié)根據(jù)實(shí)際測(cè)得速度信息進(jìn)行控制，確保兩側(cè)實(shí)際速度與控制速度一致。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序流程如圖11所示。

3.5 云臺(tái)攝像頭程序設(shè)計(jì)

智能小車(chē)上電后，云臺(tái)攝像頭自動(dòng)開(kāi)機(jī)執(zhí)行自檢，自檢過(guò)程中攝像頭水平旋轉(zhuǎn)一周，垂直旋轉(zhuǎn)120度，以確保云臺(tái)功能正常，自檢過(guò)程約為1分鐘，核心板主程序在自檢后嘗試與攝像頭進(jìn)行通信。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)STM32智能小車(chē)的硬軟件分析和測(cè)試，該智能車(chē)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡、避障測(cè)距、圖像傳輸?shù)纫幌盗兄悄芑墓δ埽卷?xiàng)目可作為移動(dòng)機(jī)器人的載體，在相關(guān)技術(shù)成熟以后，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防軍事等領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。

圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊架構(gòu)

圖11 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序流程