基于STM32的自動劃線小車設(shè)計

張偉 胡斌 王子文

摘 要：目前市面上的劃線設(shè)備仍需依賴人的視覺觀測、手動操縱，沿基準(zhǔn)線噴涂標(biāo)線。為了提高劃線效率，降低人工成本，提出一種基于STM32的自動劃線小車系統(tǒng)。該系統(tǒng)由遙控器及行進(jìn)控制兩大部分構(gòu)成。首先將擬劃線路徑按比例縮放，依據(jù)遙控器模塊上液晶屏分度值，通過遙控器按鍵將路徑輸入至液晶屏，也可直接調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)路徑;然后將數(shù)據(jù)打包成數(shù)組形式，通過無線傳輸模塊NRF發(fā)送至小車控制器;最后啟動小車，小車按照預(yù)定軌跡實(shí)現(xiàn)劃線任務(wù)。多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動劃線任務(wù)，具有劃線穩(wěn)定、作業(yè)高效等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自動劃線; STM32; 遠(yuǎn)程遙控; 路徑設(shè)計; 模式識別

DOI：10. 11907/rjdk. 201121

中圖分類號：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0174-05

Abstract： The main marking equipment on the market still relies on human visual observation， manual manipulation， and spraying marking along the baseline. In order to improve the marking efficiency and reduce the cost， an automatic dash car system based on STM32 is proposed. The system is mainly composed of remote control module and travel control module. Firstly， the planning path is scaled， and it is entered into the LCD screen through the remote control button， according to the LCD division value of the remote control module， or the standard path is called directly. Then， the data is packaged into a group form， and is sent to the car controller through the wireless transmission module NRF. Finally， the dash car will achieve the marking task according to the predetermined trajectory. Based on the experiment studies， it is proved that the designed system can realize the dash task automatically， which has the advantages of consistent line stability and efficient operation.

Key Words： automatic scribing; STM32; remote control; path design; pattern recognition

0 引言

國務(wù)院關(guān)于全民健身計劃（2016—2020年）通知[1]要求提供更加完備的公共體育服務(wù)，為建設(shè)體育強(qiáng)國奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。隨著標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動場館建設(shè)與維護(hù)頻率提高，場地劃線工作越來越多[2-3]，劃線技術(shù)受到學(xué)者關(guān)注[4-6]。

張明松等[6]對各種場地劃線技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，探討未來智能劃線車定位系統(tǒng)發(fā)展趨勢;Majd等[7]和李鑫等[8]對智能車路徑識別算法進(jìn)行研究，為提高智能車尋跡精度提供算法支撐;文獻(xiàn)[9]通過樹莓派搭建一個視頻采集平臺，與移動小車相結(jié)合實(shí)現(xiàn)行人檢測;文獻(xiàn)[10]基于改進(jìn)人工勢場法實(shí)現(xiàn)動態(tài)障礙物環(huán)境下的路徑規(guī)劃。以上文獻(xiàn)多側(cè)重于路徑識別算法與路徑規(guī)劃算法研究，未從實(shí)際使用角度進(jìn)行設(shè)計。場地劃線車分為手推式和自行式兩種。手推式劃線車完全依賴施工者感覺與技術(shù)，不僅產(chǎn)生較大誤差，還會造成資源浪費(fèi);自行式劃線車[11-12]造價高，國產(chǎn)冷漆噴涂售價人民幣3萬元左右，以燃油為動力，不僅污染環(huán)境，而且噪音較大。自動式劃線車擺脫傳統(tǒng)劃線方式對人的過度依賴，同時降低系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，達(dá)到高效節(jié)能、省時省力、方便快捷等目的;楊誠等[13]提出一種單片機(jī)控制的道路自動劃線系統(tǒng)，但不能進(jìn)行劃線軌跡設(shè)計和更改，系統(tǒng)精度與靈活度還需提高。本文設(shè)計一種基于STM32的自動劃線小車系統(tǒng)，由遙控器與行進(jìn)控制兩大部分構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及預(yù)設(shè)路徑等功能，具有劃線穩(wěn)定、作業(yè)高效等優(yōu)點(diǎn)，相比現(xiàn)有劃線方式，在節(jié)能、精確度及效率等方面都有明顯優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用及發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由遙控器系統(tǒng)與行進(jìn)控制系統(tǒng)兩部分組成。遙控器系統(tǒng)由STM32F103ZET6（基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器）的最小系統(tǒng)、電源裝置、輸入（按鍵）模塊、顯示（TFT液晶屏）模塊、通信模塊及報警模塊5個部分組成。行進(jìn)控制系統(tǒng)由STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)、電源裝置、通信模塊、MPU6050運(yùn)動處理組件、驅(qū)動模塊、舵機(jī)及帶編碼器的電機(jī)組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作流程：首先在遙控器上依據(jù)劃線圖形縮放比例及液晶屏分度值，將擬劃線路徑通過遙控器按鍵順序輸入至TFT液晶屏，通過遙控器對繪圖數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，操作者也可直接調(diào)用存儲的標(biāo)準(zhǔn)路徑。繪制結(jié)束后按發(fā)送鍵，遙控器通過無線傳輸模塊NRF24L01將圖紙數(shù)據(jù)全部發(fā)送至小車控制器。小車控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算得到指令，控制小車按照規(guī)劃路線劃線。劃線結(jié)束后，遙控小車返回，標(biāo)線工作完畢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括控制器模塊、遙控器模塊、通信模塊、運(yùn)動處理模塊、驅(qū)動模塊及顯示模塊等。

2.1 控制器模塊結(jié)構(gòu)與原理

控制器模塊包括控制器選用及最小控制系統(tǒng)設(shè)計?？紤]成本與效率因素，遙控器選用意法半導(dǎo)體公司的32位ARM微控制器STM32F103ZET6。該芯片具有功耗低、內(nèi)存大、頻率高等優(yōu)點(diǎn)。STM32F103ZET6有144個引腳，可作為IO口使用的就有112個引腳，最高工作頻率可達(dá)72MHz。多達(dá)8個16位定時器，有2個高級定時、2個基本定時、4個通用定時器，每個定時器有多達(dá)4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道，1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車功能，用于電機(jī)控制的PWM高級控制定時器，以及其它豐富的外設(shè)資源。STM32F103ZET6高速處理性能與豐富的外設(shè)資源，可使系統(tǒng)不需要額外擴(kuò)充外部RAM數(shù)據(jù)存儲器與FLASH程序存儲器。

STM32的最小系統(tǒng)電路設(shè)計包括復(fù)位電路設(shè)計、外部時鐘電路設(shè)計、BOOT啟動電路設(shè)計、串口下載電路設(shè)計等。

2.2 遙控器模塊

遙控器電路設(shè)計采用5×5的按鍵矩陣，將25個按鍵按照5行5列方式進(jìn)行排列連接，每行與每列的一端連接單片機(jī)的IO口，每條水平線與垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵連接。每一個按鍵對應(yīng)一個變量輸入，對小車行進(jìn)路線與模式進(jìn)行控制與設(shè)計。

2.3 通信模塊

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信芯片，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC的Enhanced Short Burst協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或1對6的無線通信[14]，無線通信速度可達(dá)2M（bps）。本設(shè)計對NRF24L01采用5V供電，CS為芯片模式控制線，連接STM32的F8引腳，控制NRF24L01收發(fā)模式;CSN為芯片片選線，SCK為芯片控制時鐘線，連接STM32的SPI2_SCK（PB13引腳）;MOSI和MISO為芯片控制數(shù)據(jù)線，分別連接在STM32的SPI2_MOSI（PB14引腳）、SPI2_MISO（PB15引腳）控制數(shù)據(jù)傳輸;IRQ為中斷信號引腳，無線通信中STM32主要通過IRQ與NRF24L01進(jìn)行通信。本設(shè)計將STM32引腳與直插式底座相連，方便NRF24L01直接與STM32連接。

2.4 運(yùn)動處理模塊

本設(shè)計選用MPU6050六軸加速度陀螺儀對小車前進(jìn)方向進(jìn)行監(jiān)測。MPU6050模塊體積小、功耗低、檢測精度高，能夠檢測X、Y、Z三個方向上的角速度與加速度。通過濾波融合算法[15-16]得到歐拉角，用歐拉角中的轉(zhuǎn)向角監(jiān)測小車前進(jìn)的方向角度。

2.5 驅(qū)動模塊

選用TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動模塊用于驅(qū)動小車的兩個直流電機(jī)，使小車不斷處于新舊交替的平衡狀態(tài) [17]。驅(qū)動主要通過控制器輸出的PWM波對劃線車的速度與轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。電機(jī)選用帶編碼器的減速電機(jī)，為劃線車提供行進(jìn)動力。電機(jī)模塊帶有AB相增量式霍爾磁編碼器[18]，可實(shí)時檢測小車當(dāng)前的速度與行進(jìn)距離，控制劃線準(zhǔn)確度。支持高達(dá)100KHz的PWM信號頻率。

2.6 顯示模塊

顯示模塊選用3.5寸的TFT-LCD，在-20℃～50℃的溫度范圍正常使用，顯示設(shè)計的劃線路徑、當(dāng)前模式和輸入坐標(biāo)，以及當(dāng)前劃線車位置等信息，監(jiān)控當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)與小車狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

整體設(shè)計分為遙控器和行進(jìn)控制系統(tǒng)，通過NRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，工作流程分別如圖2和圖3所示。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計

3.2.1 矩陣按鍵工作原理

遙控器輸入鍵盤采用5×5的按鍵矩陣設(shè)計，每行與每列的一端與STM32的IO口連接。采用定時10ms掃描方式判斷是否有按鍵按下。

首先將每行IO口電平設(shè)置為高電平，每列IO口設(shè)置為低電平，對按鍵矩陣狀態(tài)進(jìn)行掃描。當(dāng)有按鍵按下時，對應(yīng)行的電平被拉低，再設(shè)置每行IO口電平為低電平，每列電平為高電平，檢測按下按鍵時哪一列被拉低。在軟件中定義同樣的5×5二維數(shù)組，當(dāng)檢測到對應(yīng)i行j列的按鍵被按下時，就返回二維數(shù)組中對應(yīng)的數(shù)值，通過行數(shù)與列數(shù)確定被按下的按鍵，并返回對應(yīng)鍵值。每個按鍵對應(yīng)不同的數(shù)值以判斷按下的按鍵，響應(yīng)對應(yīng)的事件。

3.2.2 模式控制軟件設(shè)計

系統(tǒng)有接收、發(fā)送、遙控、自動4種模式。

接收模式與發(fā)送模式通過軟件自動控制。遙控器初始化為發(fā)送模式，行進(jìn)系統(tǒng)初始化為接收模式，之后按照數(shù)據(jù)的收發(fā)自動設(shè)置收發(fā)模式。

遙控模式與自動模式通過遙控器上的模式按鍵進(jìn)行切換。每種模式都有對應(yīng)的標(biāo)志位，當(dāng)某種模式被觸發(fā)時，對應(yīng)標(biāo)志位就會置1，該模式啟動，同時另一種模式標(biāo)志位被清零。同時在發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)組中存儲模式控制標(biāo)識，這樣不會導(dǎo)致模式混亂。模式控制程序代碼設(shè)計如下：

/********模式控制**************/

if（key==‘Z）//按下自動鍵

{

key_automatic=1;

key_control=0;

send_buff[0][0]= ‘A;

}

if（key==‘K）//按下遙控鍵

{

key_control=1;

key_automatic=0;

NRF24L01_Init（）;

NRF24L01_TX_Mode（）;

buff[0]= ‘B;

}

3.2.3 路徑規(guī)劃軟件設(shè)計

劃線車路徑規(guī)劃依靠遙控器鍵盤進(jìn)行坐標(biāo)繪圖。坐標(biāo)繪圖就是通過輸入規(guī)劃路線的重要坐標(biāo)點(diǎn)，如路線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)、起始點(diǎn)、終止點(diǎn)等，將對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)按照順序連線以實(shí)現(xiàn)繪圖。

繪圖只能在自動模式下進(jìn)行，按下鍵盤上的“自動”按鍵后，劃線小車進(jìn)入自動模式，開始小車路徑規(guī)劃，屏幕上有對應(yīng)的坐標(biāo)系作為參考，進(jìn)行圖形尺寸設(shè)計。按下“A”輸入的數(shù)值為坐標(biāo)點(diǎn)X的坐標(biāo)值，按下“B”輸入值為坐標(biāo)點(diǎn)Y的坐標(biāo)值。通過“直線”和“圓/弧”按鍵確定劃線類型。按下“直線”表明與上一個點(diǎn)的連線為直線，按下“圓/弧”表明與上一個點(diǎn)的連線為圓或者弧，再按下“C”輸入圓/弧半徑。一個坐標(biāo)點(diǎn)輸入完成后按下“確定”按鍵，就會在屏幕對應(yīng)坐標(biāo)位置顯示繪制的坐標(biāo)點(diǎn)，并與上一個坐標(biāo)自動畫線連接。如果不按“直線”“圓/弧”按鍵，輸入坐標(biāo)后直接按下確定鍵，則表示該段不劃線，在屏幕上不顯示連線。通過坐標(biāo)點(diǎn)輸入就能完成規(guī)劃路徑的設(shè)計。

本文通過一個200×10的二維數(shù)組對所有劃線數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。如果路線繪制錯誤，按下“退格”鍵就能對上一條連線進(jìn)行刪除，同時也會刪除數(shù)組中對應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)路線全部設(shè)計完成后按下“發(fā)送”鍵，就能將規(guī)劃路線的全部數(shù)據(jù)發(fā)送到劃線小車控制系統(tǒng)中。

3.3 驅(qū)動電路原理與軟件設(shè)計

3.3.1 B6612電機(jī)驅(qū)動軟件設(shè)計

通過STM32的兩個IO口控制一個電機(jī)，控制IO口電平輸出，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，PWM占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。程序如下：

GPIO SetBits（GPIOF， GPIO_Pin_2）;

GPIO SetBits（GPIOF， GPIO_Pin_4）;

GPIO ResetBits（GPIOF， GPIO_Pin_1）;

GPIO ResetBits（GPIOF， GPIO_Pin_3）;

TIM_SetCompare1（TIM3， 500）;? ? ? //右輪

TIM_SetCompare2（TIM3， 500）;? ? ? //左輪

SYSTICK_Delay1ms（50）;

3.3.2 速度與路程記錄

設(shè)N為單位時間內(nèi)行駛一定距離s所記錄的脈沖數(shù)，則小車速度為

通過速度對時間積分得到時間T內(nèi)行駛路程為

實(shí)現(xiàn)代碼如下：

A1=Read_Encoder（2）;? //編碼器A的計數(shù)值

B1=Read_Encoder（4）;? //編碼器B的計數(shù)值

Encoder=（A1+B1）/2;

Speed = （（float）Encoder/1024）*7.5;? //速度

T=Speed*10;

S=S+T; ? ? ?//路程積分

3.3.3 方向控制算法

為保證小車在前進(jìn)過程中保持方向穩(wěn)定，不偏離規(guī)劃路線，需要對小車兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，控制使用增量式PID算法[19-20]。

通過計算與規(guī)劃路線的行駛偏差角進(jìn)行PID控制，使小車兩輪轉(zhuǎn)速保持相等，達(dá)到前進(jìn)方向與路線方向一致。

3.3.4 舵機(jī)電路軟件設(shè)計

舵機(jī)通過周期為20ms的PWM波控制轉(zhuǎn)角電機(jī)，STM32時鐘頻率為72MHz，通過對定時器分頻產(chǎn)生周期為20ms的周期波。

本文用舵機(jī)模擬劃線車的顏料控制閥，通過改變PWM的占空比改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。當(dāng)小車行駛在需要劃線路段時，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)控制劃線筆放下，開始劃線。當(dāng)行駛在不需要劃線路段時，舵機(jī)控制劃線筆抬起不劃線。通過接收到的規(guī)劃路線數(shù)據(jù)判斷是否劃線，當(dāng)需要劃直線時，對應(yīng)標(biāo)志位為1，圓或者弧時對應(yīng)標(biāo)志位為2，不需要劃線對應(yīng)標(biāo)志位則為0。

4 系統(tǒng)模型展示及運(yùn)行結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)模型展示

劃線小車軌跡顯示、遙控器及未封裝實(shí)物如圖4和圖5所示。

預(yù)設(shè)長方形軌跡自動劃線實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。本實(shí)驗(yàn)用舵機(jī)模擬劃線車的顏料控制閥，通過改變PWM占空比改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。

4.2 運(yùn)行結(jié)果與分析

通過按鍵輸入路徑規(guī)劃，小車順利按照規(guī)定路徑行駛。小車運(yùn)行穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向平穩(wěn)、噪音很小。在保證小車初始位置條件下，劃線操作不需要人為干涉，提高了劃線效率，降低了人工成本。動作結(jié)束，小車報警提示。在運(yùn)動場等操作環(huán)境下，加裝外置天線，遙控小車可自行返回，方便快捷。

5 結(jié)語

基于STM32的智能劃線小車具有能耗低、噪音小、效率高、劃線穩(wěn)定迅捷等特點(diǎn)，適用于各類運(yùn)動場及部分交通劃線。小車測試展現(xiàn)了良好的系統(tǒng)性能。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，如何有效保障小車位姿準(zhǔn)確性是一個難題。同時，該項(xiàng)目目前只適應(yīng)于運(yùn)動場停車位等標(biāo)準(zhǔn)劃線，對于復(fù)雜道路狀況劃線還需要拓展研究。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）