基于STM32的智能小車斜坡定點(diǎn)停車再起步及過雙邊橋設(shè)計(jì)

朱偉枝，楊亞萍，蔡杰明

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶 526100）

0 引言

近年來，車輛變得越來越普及，交通狀況卻愈加惡劣，交通安全事故常有發(fā)生，很大程度上由于駕駛員疲勞駕駛、不正當(dāng)駕駛、惡劣的駕駛環(huán)境等因素導(dǎo)致的，伴隨著高新技術(shù)的發(fā)展，智能的自動駕駛技術(shù)可以有效避免該類問題的出現(xiàn)。自動駕駛技術(shù)不僅可以減少駕駛員駕駛時間，還可以通過信息化技術(shù)規(guī)劃路徑，減少交通擁堵，減少安全事故的發(fā)生[1-2]。智能小車作為自動化行駛研究的基礎(chǔ)，對智能小車的研究也有利于自動化車輛的發(fā)展[3]。20世紀(jì)50年代，美國巴雷特電子公司研發(fā)出自動導(dǎo)車系統(tǒng)，其后微軟、谷歌以及IBM也連續(xù)推出自己公司設(shè)計(jì)出的新型智能小車。而國內(nèi)對這方面的研究是從20世紀(jì)80年代開始的，國內(nèi)各大高校和科研領(lǐng)域的各大機(jī)構(gòu)都引起了重視，在檢測與識別的技術(shù)研究中取得了很多新的突破[4]。

智能小車的設(shè)計(jì)研究要綜合到多領(lǐng)域知識的融合，并且隨著研究程度逐漸加深，其拓展利用到的技術(shù)也會更多。本文采用目前主流的STM32[5-6]系列單片機(jī)作為智能小車的控制器，通過循跡[7]和避障[8]模塊的輔助，提供了一套能夠?qū)崿F(xiàn)斜坡定點(diǎn)停車后再次起步以及平直過雙邊橋這兩項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)方案，對自動駕駛技術(shù)的研究和發(fā)展具有積極的意義。

1 智能小車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文將STM32主控芯片選為智能小車的核心處理器，在此基礎(chǔ)上在外部加載硬件模塊和連接線路。主控制器連接UNO轉(zhuǎn)接板以及電機(jī)驅(qū)動模塊，通過UNO轉(zhuǎn)接板作為媒介，連接紅外避障與紅外循跡傳感器，實(shí)現(xiàn)小車避障以及循跡功能。計(jì)算機(jī)編程控制程序通過錄入轉(zhuǎn)接板后傳輸?shù)街靼?，?shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃以及電機(jī)PWM值的調(diào)控進(jìn)而調(diào)節(jié)車速和實(shí)現(xiàn)差速功能。電源模塊主要為整個硬件模塊電路提供足夠的電源，保證電路能在正常電壓工作[9]。

1.1 主控模塊

主板使用STM32F103RCT6處理器芯片，以Cortex-M3作為內(nèi)核，最高工作頻率為72 MHz，內(nèi)置48 kb的靜態(tài)隨機(jī)存儲器，其內(nèi)部板載相關(guān)的應(yīng)用主要有直接內(nèi)存存取、STM32定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制總線和UART等外圍設(shè)備。

1.2 循跡模塊

循跡功能的原理是通過利用光線在白色與黑色區(qū)域反射系數(shù)的不同，小車可以由此分辨出黑色循跡線的相對位置。當(dāng)循跡線筆直位于兩循跡傳感器之間時，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光線不會被黑色線吸收，可以順利地經(jīng)過地面反射，此時接收管便可以接收到折射回來的紅外線，輸出低電平信號，此時智能小車保持直行。當(dāng)一側(cè)循跡傳感器檢測到黑色循跡線，紅外發(fā)射器發(fā)出的紅外光線大部分將會被黑色線吸收，此時輸出端輸出高電平信號，這樣便能檢測到黑色循跡線的相對位置，使車身沿著黑線行駛。

1.3 避障模塊

避障模塊組成原理是通過傳感器內(nèi)部的發(fā)射二極管發(fā)射出紅外光線，當(dāng)紅外線遇到障礙物時，光線反射，此時接收二極管便能接收到反射回來的紅外線，這時輸出低電平信號，光信號轉(zhuǎn)化為電信號并且反饋給芯片模塊，主控芯片通過設(shè)定的避障程序，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)從而使得智能小車能進(jìn)行避障動作。

1.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

實(shí)現(xiàn)驅(qū)動各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心是L298N芯片，可以對4個電機(jī)進(jìn)行基本調(diào)控，左后輪與右后輪電機(jī)的正反接決定車輪轉(zhuǎn)向，而前左輪和前右輪不僅能控制其正反接，還可以通過調(diào)節(jié)電容改變其電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)差速功能。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 循跡程序

循跡程序主要分為兩個部分，一是紅外傳感器的檢測狀態(tài)，二是基本運(yùn)動速率的控制。當(dāng)左、右傳感器都檢測到白色區(qū)域的時候，智能小車執(zhí)行前進(jìn)run()函數(shù)；當(dāng)左邊傳感器檢測到白色區(qū)域，右邊傳感器檢測到黑色區(qū)域時，意味著智能小車當(dāng)前往左偏，需要執(zhí)行右轉(zhuǎn)turnringht()函數(shù)；當(dāng)左邊傳感器檢測到黑色區(qū)域，右邊傳感器檢測到白色區(qū)域時，意味著智能小車當(dāng)前往右偏，需要執(zhí)行左轉(zhuǎn)turnleft()函數(shù)；當(dāng)左右傳感器都檢測到黑色區(qū)域時，意味著智能小車經(jīng)過十字交叉路口，需要直接通過，因此執(zhí)行前進(jìn)run()函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)接收到執(zhí)行停止信號時，智能小車執(zhí)行停止stop()函數(shù)，否則繼續(xù)執(zhí)行循跡程序。圖1所示為循跡程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖1 循跡程序流程

2.2 功能實(shí)現(xiàn)程序

本文主要是通過左、右避障傳感器的檢測狀態(tài)來控制智能小車執(zhí)行功能程序。當(dāng)左、右2個傳感器均沒有檢測到前方有信標(biāo)物時，智能小車執(zhí)行循跡程序；當(dāng)只有右傳感器檢測到前方有信標(biāo)物時，智能小車執(zhí)行斜坡定點(diǎn)停車再起步程序，先在當(dāng)前位置停止4 s，然后再起步執(zhí)行循跡命令；當(dāng)只有左傳感器檢測到前方有信標(biāo)物時，智能小車開始執(zhí)行過雙邊橋程序，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的路徑規(guī)劃，先停下2 s，然后直走到雙邊橋路口，再左轉(zhuǎn)把車身調(diào)整為直線，保持車身筆直一直通過雙邊橋。當(dāng)左右傳感器均檢測前方到障礙物，或者系統(tǒng)接收到執(zhí)行停止信號時，智能小車執(zhí)行停止stop()函數(shù)，否則繼續(xù)執(zhí)行避障檢測程序。圖2所示為實(shí)現(xiàn)這兩個功能的程序流程圖。

圖2 功能實(shí)現(xiàn)程序流程

3 功能測試

3.1 斜坡定點(diǎn)停車再起步

本文在實(shí)際驗(yàn)證時主要是通過使用C語言來編寫程序。第一個功能是執(zhí)行斜坡定點(diǎn)停車再起步，前半段路程主要是通過循跡功能實(shí)現(xiàn)從平地行駛至設(shè)定場地的斜坡中，在半坡的指定停車點(diǎn)中放置信標(biāo)物，智能小車?yán)帽苷夏K傳感器檢測信標(biāo)物，核心控制器接收到反饋信號，并向電機(jī)驅(qū)動芯片發(fā)出指令，從而控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，由于車輪與坡道面的摩擦，智能小車能夠停在半坡上。要實(shí)現(xiàn)半坡停下再次起步，主要是通過運(yùn)行避障程序，使其在停下3～4 s后再次起步，如圖3所示。

圖3 斜坡定點(diǎn)停車再起步

圖4 過雙邊橋

3.2 過雙邊橋

完成斜坡定點(diǎn)停車再起步后，智能小車?yán)^續(xù)沿著循跡軌道走，開始執(zhí)行第二個功能。過雙邊橋主要是通過規(guī)劃要走的路徑來實(shí)現(xiàn)，在橋的起點(diǎn)處放置信標(biāo)物，由紅外傳感器檢測到信號，控制芯片實(shí)現(xiàn)編定好的路徑規(guī)劃程序，控制各電機(jī)驅(qū)動完成任務(wù)，如圖4所示。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的以STM32為控制器的智能小車，通過循跡和避障模塊的輔助，完成了實(shí)現(xiàn)使智能小車行駛到斜坡上的指定位置定點(diǎn)停車并再次起動，并接著通過狹窄的雙邊橋這兩項(xiàng)功能的任務(wù)。在自動駕駛技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的需求改變傳感器的組合以及路徑規(guī)劃的算法，可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛的自動化計(jì)劃。智能小車涉及到的知識和學(xué)科領(lǐng)域廣泛，對其研究不僅使得科學(xué)技術(shù)得到進(jìn)步，還能使得人們生活更豐富更便利，對在軍事、物流等領(lǐng)域都起著重要作用。