基于IoT的智能車系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：該文以STM32為核心控制單元，設計并實現(xiàn)了一種智能的避障小車。智能小車由感應模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊、調(diào)試模塊和通信模塊組成。智能小車采用紅外對管和超聲波探測黑線和障礙物，驅(qū)動板控制車速和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)自動跟蹤和避障功能。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能小車;自動循跡

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0179-02

隨著科技水平的不斷提高和工業(yè)自動化進程的推進，智能小車被廣泛應用于各種玩具等產(chǎn)品的設計中，極大地豐富了人們的生活。本智能小車正是順應了社會發(fā)展的潮流和人們的需求而產(chǎn)生的。本文設計的智能電動小車具有自動檢測、避障、自動調(diào)整車身、嗚叫提醒、增減行駛速度、顯示行駛速度等具體功能。

1 系統(tǒng)設計

本文設計的智能小車可以說是機器人的典型代表，它主要實現(xiàn)了兩種功能：跟蹤和避障。它可以分為四個部分：傳感器檢測部分，執(zhí)行部分，工作狀態(tài)顯示部分，CPU。為了實現(xiàn)自動避障的功能，機器人還可以擴展跟蹤功能，感知導線和障礙物。它可以自動識別行駛的路線，選擇正確的路線，并自動檢測障礙物加以躲避。基于上述要求，傳感器檢測部分采用價格低廉的超聲波距離傳感器作為傳感器。智能小車的執(zhí)行部分由直流電機執(zhí)行，主要控制小車的運動方向和速度。根據(jù)實際情況，設計了單片機驅(qū)動的直流電動機方案，通過軟件選擇模擬PWM輸出調(diào)制，這樣選擇單片機型號較為廣泛。

本小車選用的是大扭矩直流電機，它自帶電感，通過金屬和斜齒相結(jié)合，從而組合形成了大扭矩、低噪聲的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。小車整體動力性能較強，加之底盤穩(wěn)定性高，可以輕松實現(xiàn)就地轉(zhuǎn)向和按需轉(zhuǎn)向功能。小車的負載能力超過3公斤，能夠跨越一定維度的阻礙物，可以運用于一些使用要求較高的場景。小車以STM32單片機為控制核心，配合外圍電路完成路徑探測、信號采集、障礙物檢測、指令輸入、信號顯示、運行狀態(tài)控制等功能。

本設計采用脈沖調(diào)制的紅外反射收發(fā)機感知道路通行狀況，利用IR傳感器超聲波傳感器采集前進方向周圍的障礙物狀況。脈沖調(diào)制紅外收發(fā)器探測道路上的黑線信息，轉(zhuǎn)換成一個穩(wěn)定的水平信號發(fā)送給單片機，然后單片機處理信號。黑色軌道的光反射能力最弱，傳感器返回給單片機的信號是高電平1，而軌道兩側(cè)的全白色的光反射能力最強，傳感器返回給單片機的信號是低電平0，此狀況下.小車往前移動。在其他情況下，小車會根據(jù)傳感器采集信息進行運算，自動調(diào)整自己的運行方向，從而實現(xiàn)沿黑色軌道正確行走。

本小車的避障功能由車身前方的超聲波傳感器和車身兩側(cè)的IR傳感器構(gòu)成。因為超聲波傳感器對被測對象的坡度有一定要求，而IR傳感器對坡度則無要求，但其對光線卻有其他要求，所以將它們結(jié)合一起工作。超聲波傳感器可以通過距離測量來判斷障礙物，一旦距離小于某一固定值，小車即轉(zhuǎn)向，同時結(jié)合車身兩側(cè)IR傳感器實時信息，可以進一步實現(xiàn)準確避障功能。超聲波傳感器通過單片機的2號中斷控制小車前進，與此同時單片機對車身兩側(cè)IR傳感器返回的信號進行查詢，確定小車應采取的正確控制狀態(tài)。左前方右前方避障傳感器是一種脈沖調(diào)制反射紅外發(fā)射機接收機，但容易受到光的影響。超聲波模塊距離測量要求被測物體的傾斜度。兩者的結(jié)合不僅可以不受被測物體傾斜度的影響，還可以檢測不同高度的障礙物，提高了檢測的準確性和全面性，提高了避障的準確性。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 車身結(jié)構(gòu)的確定

可移動機器人行動機制通常有履帶式、車輪式、步行式以及混合型幾種。其中履帶式和車輪式機器人適用于道路狀況比較好的場景，而步行式機器人適用于道路狀況比較差的場景.混合型機器人則能夠靈活適應各種道路狀況。在各種實際應用的移動機器人中，車輪式機器人是最為常見的。此類機器人出現(xiàn)時間較長，機械設計方面的技術(shù)相對比較成熟。本智能小車的設計初衷就是工作在一個相對較好的道路環(huán)境當中，因此采用了車輪式轉(zhuǎn)動機制。機器人整車的基礎部件包含有車架、電池、直流電動機、車輪等。

2.2 控制系統(tǒng)方案

本文設計的智能小車控制系統(tǒng)具有CAN總線通信、障礙物探測、主動避險、無線通信等基本功能。根據(jù)功能需求規(guī)范，小車的整個控制系統(tǒng)主要由單片機模塊、障礙物探測模塊、馬達驅(qū)動模塊、通信擴展模塊、供電模塊等組成。在具體的實現(xiàn)過程中，各個功能模塊的軟硬件部分做到盡量相對獨立，從而為后期的維護和升級服務提供方便。

2.3 電力系統(tǒng)設計

本設計中智能小車的主要電力消耗是在電機驅(qū)動和控制電路中。主控制器電源是+3.3V，電機驅(qū)動芯片電源是+5v，電動機驅(qū)動電源是+12V，所以+12V可以選擇作為系統(tǒng)的主電源，并可通過添加電源轉(zhuǎn)換芯片電路獲得+5V和+3.3V。系統(tǒng)電源選用+ 12.6V系列鋰電池，從而+12V電壓可直接從電池組獲得。

2.4單片機的選型

本智能小車的中央控制器選用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32 F103VCT6芯片，它能夠完全勝任電機控制、傳感器信息采集、外部通信擴展等任務。其Thumb 2指令集更是帶來了超高的指令效率和性能。它通過耦合嵌套向量中斷控制器，可以更快地響應事件中斷信號。該處理器具有三種低功耗運行模式和更為靈活機動的時鐘控制機制，同時還可以根據(jù)系統(tǒng)的設計要求進行相應的合理優(yōu)化。

2.5 障礙探測模塊

障礙物探測功能是體現(xiàn)智能車輛導航能力高低的重要保障。在小車的日常工作過程當中，傳感器其實就是擔當了小車的“眼睛”，一旦其探測到了障礙物和相關距離信息，導航算法就能做出對應的線路規(guī)劃，從而實現(xiàn)主動避障。一般用于障礙物探測的傳感器主要有IR傳感器、超聲波傳感器和激光測距儀。激光測距儀是利用激光器作為光源進行測距，其原理和結(jié)構(gòu)相對簡單，可以日夜作業(yè)，但價格較高。超聲波測距是通過測量聲波從發(fā)射到接收過程的經(jīng)過時間長短來計算距離大小。超聲波檢測快速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度上能夠滿足工業(yè)實踐的要求，因此在移動機器人的發(fā)展過程中得到了廣泛的應用。但在實際應用過程當中，由于超聲波的發(fā)射波束角度較大，方向性就比較低，從而只能簡單地探測到障礙物的存在，無法獲取其準確的空間信息。IR傳感器則具備方向性強、探測角度不大的優(yōu)點，不過它卻不能準確地確定障礙物的距離遠近。所以本系統(tǒng)綜合使用超聲波傳感器和IR傳感器，通過數(shù)據(jù)融合來計算獲得障礙物的方向角度和距離遠近信息。

2.6 通信擴展模塊

本智能小車是由上述控制器、電機驅(qū)動電路和若干傳感器組成的半自主式的移動機器人系統(tǒng)。它能夠通過傳感器快速感知周圍環(huán)境，依靠自身的規(guī)劃算法做出相應的決策，并進行主動調(diào)整、路徑優(yōu)化、速度控制等。但是由于外部工作環(huán)境具有高度的不確定性和復雜性，小車的行為在特殊的情況下，還是需要一定程度的人工干預。因此小車還必須有一個與外界進行人機信息交換的通道，也就是需要設置一個通信接口。本系統(tǒng)的主控制器STM32 F103VCT6具有CAN、12C、SPI、USB等多種擴展通信外設接口。本設計的通信模塊同時具備有線通信和無線通信兩大部分。有線通信功能主要是由CAN總線通信提供，而無線通信功能則主要是由ZigBee和WiFi提供。

3 結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展和人類對公共交通的需求，以及人工智能水平的不斷提高，汽車工業(yè)也得到了空前迅速的發(fā)展，對汽車的研究也越來越受到人們的關注。全國電子競賽、省市電子競賽和全國高校每年舉辦的競賽也都有關于智能小車的主題。因此，各方對這一課題的研究都給予了極大的重視，這也體現(xiàn)了它的重要意義。本文以STM32芯片為核心的智能小車為研究對象。它由電源模塊、紅外傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、調(diào)試模塊和單片機模塊組成，主要通過超聲波和跟蹤板采集信息，實現(xiàn)智能跟蹤和避障。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2019-12-02

作者簡介：包子建（1975-），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)和信息服務方面的教學和研究。