基于STM32 的巡航無人車的設(shè)計(jì)

李 博，張曼玉，胡曉霞，吳 超

（西安工商學(xué)院，陜西西安 710200）

隨著中國(guó)科技的迅速發(fā)展，智能車也隨之進(jìn)入中國(guó)，并迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。甚至智能車的迅速發(fā)展淘汰了之前的舊式智能車，伴隨著科技的成熟，智能車的技術(shù)也發(fā)展較快[1-2]。智能無人巡航車不僅為交通出行帶來方便，也降低了許多交通事故[3-5]。無人駕駛智能汽車旨在將定位與導(dǎo)航、環(huán)境感知、智能決策、控制工程等多個(gè)學(xué)科的前沿技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)汽車上,從而提高車輛的智能化程度[6-10]。在無人駕駛汽車的多項(xiàng)單元技術(shù)中,車輛運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定可靠自主駕駛的基礎(chǔ),并且未知路況下的速度控制和軌跡跟蹤一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[11-12]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

選擇STM32 作為智能無人車的主控制器，驅(qū)動(dòng)DC 引擎從而使無人巡航車是運(yùn)動(dòng)行駛的狀態(tài)，并用小車傳感器開始收集智能車周圍的環(huán)境信息[13-14]。而智能車根據(jù)收到的命令進(jìn)行下一步運(yùn)動(dòng)，至此實(shí)現(xiàn)了智能巡航無人車的智能控制[5]。

硬件模塊包括電源模塊、傳感器模塊，增量式速度檢測(cè)模塊、電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤及無線調(diào)試模塊、MCU 最小系統(tǒng)模塊等，分別實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)輸入和輸出等功能。這些硬件部分構(gòu)成小車的實(shí)體。

文中的無人車需實(shí)現(xiàn)以下控制功能：

1）電動(dòng)機(jī)功能。包括無人車前進(jìn)、后退、向左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，以及速度控制等。

2）避障功能。避障功能可以有效避開所遇障礙物。硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32最小系統(tǒng)需要有電源、晶體振蕩器、JTAG、串行端口和復(fù)位電路等模塊[15-16]。電源模塊提供穩(wěn)定的電源電壓，以確保正確的操作和時(shí)序，該模塊是否運(yùn)作良好對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)的最終性能都非常重要。根據(jù)以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來說，該設(shè)計(jì)采用12 V 鋰電池供電，但是，系統(tǒng)是由多個(gè)模塊組成的，況且每一個(gè)模塊所需要的額定電壓值是不一樣的，所以，必須通過一系列降壓技術(shù)，將12 V 電壓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為可以供給每一個(gè)模塊的額定電壓值。電源模塊供電電路如圖2 所示。

圖2 電源模塊供電電路

晶振是完整電路體系設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參考，整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所有的性能、功能以及參數(shù)都在該電路上傳輸[17]。由于晶體振蕩器的特性，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)影響到其他工作電路，如有AD 轉(zhuǎn)換功能干擾的電路，最差的情況就是晶振體不起任何作用，并且全部電路體系都無法正常的工作。因此，該電路設(shè)計(jì)就需要將PD0、PD1、PC14 和PC15 用于訪問晶體振蕩器電路，并且將其布置在最靠近CPU 的區(qū)域中，以確保最短的布線和最安全的信號(hào)傳輸。晶振電路如圖3 所示。

圖3 晶振電路

2.2 超聲波模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距模塊是用來測(cè)量小車距礙物的距離，通過發(fā)射和接收超聲波，利用超聲波在空中的傳播的速度以及所用的時(shí)間差來計(jì)算，小車距障礙物的距離為速度乘以時(shí)間的一半[9-11]。超聲波電路如圖4 所示。

圖4 超聲波電路

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

由于普通直流電動(dòng)機(jī)的速度非?？烨肄D(zhuǎn)矩很小，因此不適合智能汽車應(yīng)用。變速箱應(yīng)安裝在普通直流電動(dòng)機(jī)上，以降低轉(zhuǎn)速并增加扭矩，在智能汽車的應(yīng)用中，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)芯片就是意法半導(dǎo)體L298N 和L293D。比較可知，L298N 有很大的工作電流和很強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)工作能力，所以采用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如圖5 所示。

圖5 L298N驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始工作時(shí)，先要初始化，隨后按下開關(guān)啟動(dòng)STM32 智能車，在開關(guān)處加入防抖動(dòng)的程序，防止按鍵抖動(dòng)，然后在小車啟動(dòng)中，電機(jī)控制的L298N、超聲波以及循跡被啟動(dòng)，并且需要循跡檢測(cè)是否有黑線，如果沒有檢測(cè)到黑線，小車則處于停止等待狀態(tài)，若檢測(cè)到黑線，小車就沿著黑線高速行駛。在該過程中若小車偏離軌跡，可停車等待或者等待重新檢測(cè)黑線的位置后，再繼續(xù)進(jìn)行循跡。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主程序流程圖

3.1 超聲波模塊軟件設(shè)計(jì)

超聲波方向性強(qiáng)、傳輸快，在基質(zhì)中的傳輸距離較大。在發(fā)射超聲波時(shí)，空氣中的超聲波在接觸到阻礙它前進(jìn)的物體時(shí)，超聲波接收器就會(huì)接收到的傳回的信息，反射波立即停止所有的計(jì)時(shí)。可以根據(jù)秒表記錄的時(shí)間t計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離s，即s=340t/2。這種方法被稱為時(shí)差測(cè)量法。通過超聲波確定距離的原理是根據(jù)兩次發(fā)射之間的時(shí)間差，通過測(cè)量聲波被反射的時(shí)間來計(jì)算發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的實(shí)際距離。超聲波軟件流程圖如圖7 所示。

圖7 超聲波采集流程圖

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM 的調(diào)節(jié)來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

PWM 控制原理：PWM 網(wǎng)絡(luò)寬度的調(diào)制特征在于通過改變脈沖寬度來控制輸出電壓，并通過改變周期性來控制輸出頻率?？梢酝ㄟ^改變脈沖調(diào)制周期來獲得輸出頻率的變化。這樣，兩個(gè)電壓和頻率調(diào)節(jié)功能是相干的，并且獨(dú)立于中間DC 連接，這樣可以加快調(diào)節(jié)速度并改善動(dòng)態(tài)特性。由于恒定功率脈沖只需要恒定的直流電源，因此可以用電抗線圈代替，大大增加了網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)。PWM 逆變器可以抑制或消除低電平諧波。由于自導(dǎo)式設(shè)備的組合使用，開關(guān)頻率將顯著增加，并且輸出波形會(huì)非常接近正弦波。電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件流程圖如8 所示。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 測(cè)試儀器與方法

測(cè)試儀器：秒表、數(shù)字萬用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、直流穩(wěn)壓電源等。

測(cè)試方法：數(shù)字萬用表主要是用來測(cè)試單獨(dú)元件之間的電阻、壓降、漏電流以及截止或?qū)顟B(tài)等參數(shù)，信號(hào)發(fā)生器與示波器用于測(cè)試PWM 波是否正常，從而判斷PWM，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；直流穩(wěn)壓電源在測(cè)試期間為各種待測(cè)系統(tǒng)提供電源；秒表用于小車超聲波的測(cè)試中，測(cè)量信號(hào)從發(fā)射到小車作出反應(yīng)的時(shí)間。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

從小車的測(cè)試結(jié)來看，小車系統(tǒng)測(cè)試的距離與人工測(cè)試的距離（s=340t/2）誤差在允許的范圍內(nèi)是基本相等的。從整體結(jié)果看來，各模塊正常運(yùn)行，且小車運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)束語

對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行多次測(cè)量、校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，通常超聲波測(cè)距最大距離為10 m，小車規(guī)定在距離前方障礙物20 cm 以內(nèi)作出正確的轉(zhuǎn)向判斷，測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)誤差在4 cm 時(shí)才作出反應(yīng)，經(jīng)過多次測(cè)量最終發(fā)現(xiàn)，測(cè)量盲區(qū)小于0.1 m。而且測(cè)量時(shí)超聲波測(cè)距儀有角度問題，使得測(cè)量有誤差，周圍沒有其他可反射超聲波的物體，且由于發(fā)射功率有限，測(cè)距儀無法測(cè)量1 m外的物體。

根據(jù)上述結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)的智能巡航無人車可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的循跡與避開障礙物的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，所以日常生活中這種智能車可以有效地增加汽車的安全行駛，使汽車智能化。