基于STM32的重力遙控智能車的控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：文章介紹了一種利用重力感應(yīng)技術(shù)來控制動作的智能遙控小車，并賦予了小車一定的對不同路況進(jìn)行智能感知并采取簡單應(yīng)對措施的能力。本設(shè)計主要利用ADXL345傳感器實現(xiàn)智能感知，通過脈寬調(diào)制（PWM）方式對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對小車的動作控制。我們通過改變遙控器的姿態(tài)，即可實現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：重力感應(yīng)；ADXL345傳感器；智能感知

引言

重力感應(yīng)技術(shù)在我們的日常生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，例如，工業(yè)機(jī)器人、定點設(shè)備、醫(yī)療器械、智能電動車、手機(jī)和平板電腦都用到了該技術(shù)。其獨有的三維姿態(tài)變化控制方式，能夠帶給操作者更加直觀的感受。文章所介紹的智能車不僅能通過手中的遙控器控制小車，還能讓小車在一定程度上對不同平整度地形進(jìn)行感知，實現(xiàn)自身對轉(zhuǎn)速的控制。

1 總體硬件

硬件系統(tǒng)確定包括：

（1）手持遙控設(shè)備。手持遙控設(shè)備由ADXL345三軸加速度傳感器、STM32單片機(jī)、無線模塊、LCD屏組成。ADXL345傳感器為重力感應(yīng)單元，STM32作為控制單元，NRF24L01作為通信單元用于遙控器和小車之間的數(shù)據(jù)傳遞，TFTLCD實時顯示遙控器姿態(tài)變化相對應(yīng)的加速度、角度等參數(shù)。

（2）被控對象。被控對象由小車底盤、直流電機(jī)、L298N驅(qū)動模塊、STM32最小系統(tǒng)、NRF24L01無線模塊以及ADXL345三軸加速度模塊組成。小車采用8節(jié)5號可充電鎳氫電池（共9.6V電源）供電，STM32最小系統(tǒng)板接入L298N驅(qū)動板上的5V電源和GND接口，與9.6V供電電路共地。在小車車架左側(cè)的水平位置處固定好ADXL345三軸加速度傳感器模塊。

圖1 智能小車控制系統(tǒng)示意圖

由圖1可知，手持遙控器的姿態(tài)變化可以通過固定在遙控器上面的ADXL345三軸加速度傳感器檢測出來。單片機(jī)通過IIC模擬接口讀取姿態(tài)參數(shù)（轉(zhuǎn)角），在LCD屏上實時顯示出來，并把相關(guān)指令傳遞到NRF24L01無線模塊，由該無線模塊發(fā)送給小車接收端，以實現(xiàn)對小車的動作控制。固定在小車上的另一個ADXL345加速度傳感器也可以在小車行駛過程中感知z向加速度的變化，用于對不同地形、不同路面的平整度進(jìn)行感知與檢測，以實現(xiàn)對小車行駛速度的控制。

2 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是利用MDK5開發(fā)軟件進(jìn)行STM32單片機(jī)的程序編寫。手持遙控器部分的相關(guān)程序包括：姿態(tài)檢測子程序、姿態(tài)參數(shù)處理子程序、NRF24L01無線模塊通信子程序。被控小車部分的相關(guān)程序包括：路面檢測子程序、小車運動方式控制子程序。

2.1 姿態(tài)檢測子程序

手持遙控設(shè)備的傾斜方向由ADXL345傳感器來檢測，手控器向不同方向的傾斜角度可通過重力加速度在檢測坐標(biāo)軸上的三個分量求得。

2.2 姿態(tài)參數(shù)處理子程序

STM32單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并解析，轉(zhuǎn)換為角度變化，對各軸所對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)不同的角度范圍，通過無線模塊向小車發(fā)送不同的控制指令，與此同時將角度值實時顯示在LCD屏上，如表1所示。

2.3 路面檢測子程序

小車上的ADXL345傳感器能夠在運動過程中靈敏檢測各軸方向上的加速度變化。由于小車在不同平整度的路面上行駛z軸方向上的加速度變化最明顯。通過對z軸加速度變化情況的獲取，即可判斷出加速度的變化。試驗中，我們分別選擇了平滑水泥路面、普通磚塊路面、鵝卵石路面作不同平整度的比較，實時檢測z軸加速度的變化情況。在實驗中發(fā)現(xiàn)，平整路面上，z軸加速度維持在440mg左右；在磚塊路面上，約在430-510mg的范圍內(nèi)波動；在鵝卵石路面上，加速度變化范圍更大，最大已超過了600mg，最小達(dá)到320mg。

2.4 小車動作控制子程序

STM32單片機(jī)定時器2和定時器3的四個通道可輸出8路PWM波，通過調(diào)節(jié)輸出的占空比，來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速，進(jìn)而實現(xiàn)遙控器對小車的運動控制：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等。單片機(jī)根據(jù)小車對不同地形的智能感知，在平整路面（Az在440mg左右）上輸出占空比為80%的PWM波，430-510mg的范圍內(nèi)輸出60%的PWM波，600mg及以上輸出占空比為40%的PWM波。

3 功能實現(xiàn)

我們對本次設(shè)計進(jìn)行了相關(guān)試驗，基本功能都能夠得以實現(xiàn)。遙控器前傾，小車前進(jìn)，而且將前傾角度分為三個區(qū)間，對應(yīng)小車的三種前進(jìn)速度。隨角度增大，小車加速；隨傾角減小，小車減速。遙控器左傾，小車左轉(zhuǎn)，同樣將左傾角度分為三個區(qū)間，三個區(qū)間對應(yīng)小車的三種轉(zhuǎn)彎半徑：50cm，20cm，原地轉(zhuǎn)彎，如表2所示?？筛鶕?jù)所在環(huán)境的空間大小自行選擇不同的轉(zhuǎn)彎方式。并且在惡劣路況下可實現(xiàn)適當(dāng)?shù)臏p速，可提高小車環(huán)境能力。

參考文獻(xiàn)

[1]唐海玲，趙春雨，宋家友.基于MMA7361加速度傳感器的重力感應(yīng)遙控小車的設(shè)計[J].研究動態(tài)，2013.

[2]李曉，劉公致，張鈺.基于重力感應(yīng)的無線智能小車[J].技術(shù)與應(yīng)用，2015.

[3]程斌杰，魏逢原，金孟加.基于加速度傳感器的智能小車路況自動測量系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2012，29（10）：1163-1166.