基于STM32移動(dòng)智能小車室內(nèi)避障模塊設(shè)計(jì)

蔡靜怡　王才嶧

摘 要：智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是現(xiàn)如今重點(diǎn)的發(fā)展方向，為了符合發(fā)展趨勢(shì)，文章設(shè)計(jì)的智能小車采用STM32芯片作為檢測(cè)和控制的核心，分析了基于STM32F103ZET6微處理器的智能小車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。用紅外線傳感器感應(yīng)障礙物，調(diào)用中斷子程序?qū)崿F(xiàn)智能小車的智能避障。小車可應(yīng)用于科學(xué)勘探或?yàn)?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的救援用途。

關(guān)鍵詞：STM32；紅外線；智能小車；自動(dòng)避障

在進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展需要，機(jī)器人的智能化與集成度越來越高，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生活生產(chǎn)中。對(duì)于機(jī)器人的定義從來都沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在大多數(shù)專家學(xué)者看來，所謂機(jī)器人就是通過軟件編程控制硬件，使其能夠?qū)崿F(xiàn)它應(yīng)該完成的任務(wù)。但是在我國的學(xué)者眼中，機(jī)器人就是一種自動(dòng)化機(jī)器，它能夠具有高度的靈活性，并且具備一些和智能生物相似的智能能力的自動(dòng)化機(jī)器。伴隨著科技水平的提高，智能小車能夠使用的傳感器種類也越來越多，其中紅外線傳感器已經(jīng)成為智能小車智能避障的重要部件。此系統(tǒng)是基于紅外傳感器的系統(tǒng)及運(yùn)用紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的檢測(cè)。紅外傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄鼙苷舷到y(tǒng)。小車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，就必須能感知到障礙物，這相當(dāng)于給小車一個(gè)視覺功能。自動(dòng)避障小車可以作為困難環(huán)境檢測(cè)機(jī)器人和搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過障礙物，幫助人們完成相應(yīng)的任務(wù)。

在現(xiàn)實(shí)生活中，例如在一些火災(zāi)或者一些自然災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常需要人進(jìn)入一些危險(xiǎn)或不能直接到達(dá)的地方進(jìn)行觀察，采集數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要智能小車來完成。智能小車主要由人手動(dòng)操縱，但在一些特殊的環(huán)境中，比如火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，能見度非常的低，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，人的肉眼可能無法觀察到，但紅外線傳感器依舊能檢測(cè)到障礙物，所以自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少，也是最基本的功能[1]。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目的

在一些火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境極度的惡劣，地形復(fù)雜，氧氣稀薄。這時(shí)貿(mào)然地讓消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，風(fēng)險(xiǎn)很大，此時(shí)智能小車就起到了很大的作用。讓智能小車先進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè)，掌握一些現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)部情況，反饋給外面的消防員們，就可以給消防員們提供很多的便利，節(jié)約了尋找火源的時(shí)間，能讓他們更加快速地了解現(xiàn)場(chǎng)的火情，間接減少了消防員們的傷亡。但是單純依靠手動(dòng)操控智能小車，對(duì)操控者的技術(shù)要求很高，一旦環(huán)境發(fā)生變化，可能無法及時(shí)修正控制路線，所以需要在原先手動(dòng)遙控的基礎(chǔ)上增加一點(diǎn)輔助自動(dòng)避障能力，增加可操作性。

1.2 避障的概念

物體的運(yùn)動(dòng)方向隨著外界障礙的出現(xiàn)作出改變的過程稱為避障。在人類身體構(gòu)造系統(tǒng)中，眼睛可以使我們非常方便地采集到外界環(huán)境的信息，然后把信息及時(shí)傳輸?shù)酱竽X，并對(duì)外界環(huán)境信息的變化作出相應(yīng)的處理，而對(duì)智能小車來說，避障模塊之于小車就相當(dāng)于眼睛之于人類，避障模塊可以采集外部地形數(shù)據(jù)，然后把所采集的地形數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，中央處理模塊調(diào)用中斷子程序，實(shí)現(xiàn)智能小車的避障。另外值得一提的是，避障功能是在原先手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)避障功能。這種實(shí)現(xiàn)方式不影響主程序的編寫，是在原先主程序不變的情況下，插入中斷子程序，從而比較便捷地實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)避障[2]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32簡(jiǎn)介

STM32處理器的出現(xiàn)為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車車身系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)以及對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能提供了基礎(chǔ)。使編程的復(fù)雜性及其高性能、低功耗、低成本大大簡(jiǎn)化，并使它們?nèi)跒橐惑w。目前為止，STM32系列處理器暫時(shí)分為兩個(gè)系列，其中STM32F101系列是標(biāo)準(zhǔn)型系列，工作頻率設(shè)定在36 MHz。STM32F103系列是增強(qiáng)型系列，工作頻率設(shè)定在72 MHz，其帶有更多片內(nèi)RAM和更豐富的外設(shè)資源。這兩個(gè)系列的產(chǎn)品在軟件和引腳封裝方面具有兼容性，并且擁有相同的片內(nèi)flash資源，使軟件開發(fā)和升級(jí)更加方便。本次試驗(yàn)我們使用的是STM32F103處理器。

2.2 車的構(gòu)造

由4路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、兩個(gè)紅外接收傳感器、兩節(jié)5 V穩(wěn)壓直流電池（可充電）、STM32F103ZET6芯片和智能小車底座構(gòu)成。

2.3 避障模塊的設(shè)計(jì)

小車的避障模塊分為兩個(gè)部分，主程序?yàn)槭謩?dòng)的遙控小車的前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)向。當(dāng)智能小車傳感器檢測(cè)到前方出現(xiàn)障礙，但操縱者并未察覺到障礙物時(shí)，傳感器將信號(hào)傳輸給STM32芯片，調(diào)用中斷子程序，避開前方的障礙物，避開障礙物后繼續(xù)執(zhí)行操控者的指令，實(shí)現(xiàn)小車的智能避障。

2.4 介紹STM32的中斷原理

STM32單片機(jī)的硬件將外設(shè)的中斷源分為2個(gè)級(jí)別，這2個(gè)級(jí)別就是STM32F103系列單片機(jī)的搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。如果兩個(gè)中斷源的搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)都是一樣的話，則看哪個(gè)中斷先發(fā)生就先執(zhí)行。高優(yōu)先級(jí)的搶占優(yōu)先級(jí)是可以打斷正在進(jìn)行的低搶占優(yōu)先級(jí)中斷的。而搶占優(yōu)先級(jí)相同的中斷，高的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)不可以打斷正在執(zhí)行的低響應(yīng)優(yōu)先級(jí)的中斷。

STM32的每個(gè)I/O都可以作為外部中斷的中斷輸入口，這點(diǎn)也是STM32的強(qiáng)大之處。STM32F103的中斷控制器支持19個(gè)外部中斷/事件請(qǐng)求。每個(gè)中斷設(shè)有狀態(tài)位，每個(gè)中斷/事件都有獨(dú)立的觸發(fā)和屏蔽設(shè)置。

一般情況下，系統(tǒng)代碼執(zhí)行過程中，只設(shè)置一次中斷優(yōu)先級(jí)分組，比如分組2，設(shè)置好分組之后一般不會(huì)再改變分組。隨意改變分組會(huì)導(dǎo)致中斷管理混亂，程序出現(xiàn)意想不到的執(zhí)行結(jié)果[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

避障信號(hào)流圖如圖1所示。

當(dāng)前方未出現(xiàn)障礙物時(shí)，智能小車正常運(yùn)行；當(dāng)出現(xiàn)障礙物時(shí)，傳感器接收到信號(hào)，通過傳感器電路將信號(hào)發(fā)送給STM32主控制器，系統(tǒng)調(diào)用中斷子程序，最終電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整智能小車的運(yùn)行路徑。具體流程如下：當(dāng)左右傳感器任意一邊檢測(cè)到障礙物時(shí)，智能小車先后退500 ms，再右轉(zhuǎn)600 ms，然后繼續(xù)直行；當(dāng)左右傳感器都檢測(cè)到障礙物時(shí)，智能小車先后退300 ms，再右轉(zhuǎn)400 ms，然后繼續(xù)直行。主程序及中斷程序如圖2—3所示。

4 結(jié)語

本課題適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求，對(duì)智能避障小車系統(tǒng)進(jìn)行了學(xué)習(xí)和研究，提出了設(shè)計(jì)的思路與中斷避障子程序的流程，介紹了智能小車各個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)方案和對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)分析。這款智能小車的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）只需要較少的硬件成本。比如只需要兩個(gè)紅外傳感器便可實(shí)現(xiàn)基本的避障功能。（2）采用了STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)如使用了用途非常廣泛的ARM內(nèi)核、集成了非常豐富的接口，通信模塊以及其他功能模塊、可選擇的型號(hào)非常多，基本上都不需要外部的硬件擴(kuò)展、對(duì)各種流行的嵌入式操作系統(tǒng)支持比較好，各大嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)站基本上都會(huì)提供支持它的相應(yīng)的代碼。（3）可以方便地對(duì)已有的設(shè)備進(jìn)行改造。只需要加入編寫好的中斷程序，就可實(shí)現(xiàn)自主避障，且不影響原有的主程序。（4）紅外傳感器和STM32的成本相對(duì)不高，且插入的中斷程序的內(nèi)容也并不復(fù)雜，但它們對(duì)實(shí)現(xiàn)小車的避障功能起到了質(zhì)的提高。

在軟件設(shè)計(jì)方案中，我們只分析軟件流程設(shè)計(jì)，以確定對(duì)應(yīng)的程序編碼。最后我們對(duì)軟件、硬件進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于軟件進(jìn)行測(cè)試，我們使用Keil軟件程序仿真，而對(duì)于硬件測(cè)試我們進(jìn)行了人為設(shè)障[4]。

在本方案中，系統(tǒng)的缺陷在于面對(duì)不同工作設(shè)備及工作環(huán)境下避障策略存在局限性。比如：（1）小車傳感器數(shù)量太少且傳感器的種類比較單一，作為改進(jìn)，可以在設(shè)備上多方位安裝不同性能的傳感器，例如超聲波傳感器、軌跡傳感器等，甚至可以采用CCD攝像機(jī)、激光雷達(dá)等，以此來提高小車的自動(dòng)化程度和自動(dòng)化效率。（2）從移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)來講，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是選擇步進(jìn)電機(jī)還是直流電機(jī)，控制方法是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，還需要進(jìn)行深入的分析，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，開環(huán)控制和閉環(huán)控制各有利弊，關(guān)于他們的選擇，應(yīng)該綜合考慮工作效率、能源利用率、設(shè)計(jì)難易及控制復(fù)雜程度等多項(xiàng)因素，最終找到最優(yōu)的方案。（3）從多功能的角度出發(fā)，任何時(shí)候多功能服務(wù)機(jī)器人都比單一功能的服務(wù)機(jī)器人更受青睞。避障小車是一個(gè)可移動(dòng)的智能平臺(tái)，在避障功能之外，可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，比如進(jìn)行圖像的采集和傳輸、WiFi通訊、循跡等。（4）從自主避障策略和路徑規(guī)劃來說，小車應(yīng)具備自主選擇最優(yōu)路徑的能力?？偟膩碚f，設(shè)計(jì)方案是比較完善的，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的目標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉佳.芻議智能機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2012（1）：264-265.

[2]鐘科，陳向東.智能家居服務(wù)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J]通信技術(shù)，2012（8）：65-67.

[3]周柱，孟文，田環(huán)宇.基于stm32智能小車設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2011（6）：1-2.

[4]熊有倫，錢思.清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能避障問題的研究[J].機(jī)械與電子，2007（1）：61-65.