基于STM32的智能小車防追尾系統(tǒng)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院　張重陽　劉新月　趙　歡　趙　雪

1.引言

現(xiàn)如今人民的生活質(zhì)量大幅度提高，大量的汽車涌現(xiàn)，它已經(jīng)成為尋常百姓家的代步工具，給百姓生活帶來前所未有的交通方便，但是任何的科技都是一把雙刃劍，有利即有弊，汽車帶給我們的好處非常的多，但它的不足之處也逐漸的暴露出來：道路擁堵、安全隱患增多，停車位少，車輛多，造成供不應(yīng)求等。從各個方面來說，這種狀況都是我們不愿意見到的。根據(jù)現(xiàn)如今的交通狀況進而分析數(shù)據(jù)得到一點：安全行車距離是最大的交通安全事故因素，進而引出智能小車安全控制系統(tǒng)的課題。智能小車是一種通過內(nèi)部和外部的傳感器感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境信息，在存在障礙物的相對比較復(fù)雜的環(huán)境中完成面向目標的自發(fā)性運動，從而完成任務(wù)職能的機器人系統(tǒng)。在我國對于移動的機器人的研究技術(shù)已經(jīng)相對熟練,可能是因為開始比較晚,研究中的突破性的進步相對較少。在國外, 從上世紀機器人系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進行研究，有關(guān)于機器人移動的有關(guān)技術(shù)的科研成就已經(jīng)相對成熟。清華大學(xué)最先致力于智能交通和智能汽車的研究,他們研究的主要方向全部集中到了車載微機、行駛安全、自主避障、汽車導(dǎo)航等幾個方面。之后經(jīng)過相關(guān)的鑒定，此項研究所涉及的幾方面的關(guān)鍵技術(shù)如下：信息融合技術(shù)研究、智能移動機器人的設(shè)計和實現(xiàn)、路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究、傳感技術(shù)、基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究。當前各種以STM32為核心的智能控制技術(shù)、各種傳感器技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展為解決現(xiàn)在的問題提供了切實可行的解決方案。

2.系統(tǒng)控制原理

智能小車采用差速驅(qū)動式的四輪輪式機構(gòu)作為小車的機械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)模塊除了基本的電源模塊、電機驅(qū)動模塊，微控制器模塊、障礙物檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、速度檢測模塊，外加了藍牙通信模塊、舵機驅(qū)動模塊等。其控制系統(tǒng)具備了檢測障礙物、實時監(jiān)控定位、自主避障、藍牙通訊等功能。

3.智能小車控制硬件設(shè)計

（1）電源系統(tǒng)設(shè)計（見圖1）

本文設(shè)計的智能小車，控制電路和電機驅(qū)動電路是主要消耗能量的兩部分。其中主控制電路部分使用+5V直流供電，驅(qū)動電機部分使用+12V直流供電。所以我們選用2節(jié)1.2V，2200mAh的鋰電池串聯(lián)作為系統(tǒng)的供電電源，電池組可以直接提供+12V的電壓，而控制電路部分所需的+5V電壓通過兩個三端穩(wěn)壓塊3090轉(zhuǎn)換得到。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

（2）微控制器模塊設(shè)計

本文采用的是STM32F103主控芯片，它的特點主要是：1）功耗控制優(yōu)良：增強型系列時鐘頻率達到72MHZ，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。在使用電池供電時，提供2.0-3.6V的低電壓工作能力。當時鐘頻率為72MHZ時，STM32功耗了36W,是32位市場上功能最低的產(chǎn)品。2）先進的內(nèi)核結(jié)構(gòu)：STM32具有高性能，低功能、低成本的特點。3）高度的整合集成。STM32處理器能夠最大程度上實現(xiàn)集成，對外部器件的要求極少。（它可以用來做系統(tǒng)的主時鐘源，并且還有專門針對RTC的低頻率RC電路）。4）具有功能創(chuàng)新的片上外設(shè)且性能出眾。5）開發(fā)容易：STM32系列容易開發(fā)，可以使研發(fā)的產(chǎn)品迅速的進入市場。

STM32的最小系統(tǒng)電路主要由系統(tǒng)時鐘電路、實時時鐘電路、JTAG 調(diào)試接口電路，復(fù)位電路和啟動模式選擇電路組成。作為控制系統(tǒng)的核心，進行信息采集，處理數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中其他模塊。最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

主要電路原理圖的設(shè)計及功能如下所示：

1）系統(tǒng)時鐘電路

系統(tǒng)時鐘電路主要作用是提供節(jié)拍，就相當于人類的心臟跳動，隨著心臟的跳動，血液就會到達全身部位，所以系統(tǒng)時鐘的重要性就不言而喻啦。具體來說，時鐘電路就是一個比較穩(wěn)定的振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的是正弦波，把該正弦波進行分頻，處理，形成時鐘脈沖，然后分配到需要的地方，讓系統(tǒng)各部分工作時使用。本系統(tǒng)時鐘電路由8MHZ的晶體振蕩器構(gòu)成。

圖2　最小系統(tǒng)電路圖

2）復(fù)位電路

本系統(tǒng)采用低電平復(fù)位。當按鍵懸空時RST 輸入為高電平，當按鍵按下時，RST 腳輸入為低電平，從而電路復(fù)位。

（3）障礙物檢測模塊設(shè)計

模塊使用超聲波傳感器對小車運動過程中的障礙物信息進行檢測?？紤]實際情況，我們選用超聲波傳感器采用HC- SR04超聲波測距模塊，結(jié)構(gòu)比較簡單，，此測距模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度高達3mm，測距較遠，配合舵機可進行180度的旋轉(zhuǎn)探測，即使車輛在惡劣的環(huán)境中對障礙物仍然有高度的識別。其工作原理主控制器給其與外界相連的端口TRIG提供一個15μs左右的脈沖觸發(fā)信號。輸入方波后，模塊會自動發(fā)射8個40KHZ的聲波并檢驗回波，一旦檢測有回波信號，其與外界相連的另一個端口ECHO端則輸出回響信號，在主控制器端產(chǎn)生中斷。發(fā)出觸發(fā)信號到收到回響信號的時間間隔通過主控制器內(nèi)部通用的定時器可以計算，根據(jù)聲音在空氣中的速度為344米/秒，從而可確定障礙物的距離。

（4）電機驅(qū)動模塊設(shè)計

智能小車的驅(qū)動輪分別由兩個直流電機單獨驅(qū)動，驅(qū)動機的轉(zhuǎn)速由主控制器內(nèi)部的通用定時器輸出來控制。調(diào)脈寬的方式有3種，在這里我們采用定頻調(diào)寬的方式。定頻就是指開關(guān)元件的開，關(guān)頻率固定不變，也就是開，關(guān)周期T固定不變，調(diào)寬是指通過改變斬波電路的開關(guān)元件導(dǎo)通的時間T來改變導(dǎo)通比值，從而改變輸出電壓的平均值。因為小車轉(zhuǎn)動方向需要調(diào)整電壓的極性而且直流電機工作所需的電壓、電流較大，所以我們應(yīng)該使用專門的電機驅(qū)動電路來進行控制。這里我們使用L298N專用電機驅(qū)動芯片作為小車左、右驅(qū)動輪的直流電機的核心功率模塊。L298N為四重推挽驅(qū)動電路，可控制2個直流減速電機。主控制器通用計時器輸出二路PWM信號給EN端（電機使能端）。假使高電平為1，低電平為0，當電機使能端輸入為1的時候，電機處于使能狀態(tài)，當電機使能端輸入為0時，電機就停止。另外使用四個I/O引腳與L298N的4個輸入引腳相連，用于改變電機的轉(zhuǎn)速和方向。再將其2個輸出端口分別與兩個電機的輸入端相連來帶動電機轉(zhuǎn)動。

（5）速度檢測模塊設(shè)計

小車速度檢測通過速度傳感器來實現(xiàn)，即電機的轉(zhuǎn)速通過檢測單位時間的脈沖數(shù)來判斷，這里我們采用了增量光電編碼器，（即增量式編碼器，將位移轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嫈?shù)脈沖。）分辨率為200歐姆。隨著被測軸一起轉(zhuǎn)動，一個周期內(nèi)編碼器會在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。速度檢測采用f/T法。在車速控制上，引入PID控制，PID控制想要實現(xiàn)對路徑的識別和控制，一定要保持系統(tǒng)電量，PID其實就是測量，智能小車行駛中通過紅外線獲得道路信息，從而進行數(shù)據(jù)比較，找到誤差并進行調(diào)整，得到道路運行參數(shù)。通信擴展模塊設(shè)計主控制器STM32F103C有USART、CAN、SPI和USB這些通信外圍接口用來擴展。系統(tǒng)的有線通信模塊使用CAN總線，CAN總線控制器嵌在主控制器STM32F103內(nèi)， 以此為小車之間提供可靠的有線通信；而無線通信模塊主要是通過串行接口（PLC）擴展的無線射頻模塊DATA-6106。

4.智能小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計中小車有兩種控制方式，一種是自主行進，另一種則是通過藍牙遠程指令控制，如果傳感器在小車運動的時候檢測到信號，則依照左邊、正前方、右邊來辨別和障礙物的距離，進而獲得相應(yīng)的定位信息，接下來通過改變輸入信號大小，轉(zhuǎn)動速率和運動方向，進而改變小車的速度，免于小車和障礙物碰撞，繼續(xù)行進。圖3就是智能小車控制系統(tǒng)的主程序流程框圖。

我們現(xiàn)在使用的主要是模糊控制器，位置式PID控制器以及增量式PID控制器和最優(yōu)化控制器。傳統(tǒng)的控制器有增量式PID控制器和PID控制器，多數(shù)的控制對象和應(yīng)用都能用一個數(shù)學(xué)模型來精確的描述，因為循跡避障小車不僅受到電機性能，機械的特性這樣的機身影響而且路面粗糙等外在影響也會存在，總而言之，小車的整個系統(tǒng)都是存在未知性的。在這種情況下我們選用了模糊控制，測量結(jié)果顯示，如果采用以往的方式，小車的靈敏程度會有所降低。

模糊控制器不需要被控制對象擁有精確的數(shù)學(xué)模型，而且其控制算法靈活性強并且在系統(tǒng)中能夠呈現(xiàn)滯后性，非線性等復(fù)雜的可控制系統(tǒng)中的優(yōu)勢是很明顯的。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3　系統(tǒng)主程序流程圖

圖4　模糊控制器的結(jié)構(gòu)

本小車的模糊控制器采用了雙輸入單輸出的基本模糊控制結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5　模糊控制器的結(jié)構(gòu)

5.結(jié)論

智能小車技術(shù)是一項具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù),不僅在我們的日常生活中，在工業(yè)上還是在軍事上，智能小車也發(fā)揮著重要的作用。本文在充分考慮智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于單片機STM32F103的智能小車運動控制硬件電路。在電源模塊、微處理器模塊（STM32）、障礙物檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、速度檢測模塊等各個模塊的協(xié)同作用下，智能小車在正常前進，轉(zhuǎn)彎的基本功能之下，還可以在一定程度上自主變速，防止駕駛者在倒車或者在大霧天氣中因為沒有及時變速引發(fā)的碰撞，舵機180度的旋轉(zhuǎn)探測也進一步避免車輛與各個方向的障礙物相撞。

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