基于STM32的智能小車設(shè)計

楊 陽，劉慶華

(南京機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211306)

0 引言

日常生活中，智能化設(shè)備不斷普及，不管是智能手機、智能家居還是智能汽車，產(chǎn)品一經(jīng)面世就受到大家的熱捧。不久之前，百度的智能汽車開始了自己的第一段里程，這也標志著智能汽車將進入人們?nèi)粘Ｉ?。自動泊車、自動召喚、哨兵模式、自動巡航、自動駕駛等，都已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車制造中可實現(xiàn)的功能，這些功能也進一步使得人們在駕駛時感到輕松有趣，也讓駕駛生活變得更加便利[1-2]。

圖1 基于STM32的智能小車系統(tǒng)架構(gòu)

本款智能小車很好地模仿了現(xiàn)代自動智能汽車的設(shè)計，同時以STM32單片機作為小車的核心控制芯片，將單片機技術(shù)融入小車的各個功能模塊，能夠推動單片機技術(shù)的蓬勃發(fā)展[3-4]。

1 智能車系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計的智能車由循跡單元、避障單元、STM32控制單元、電機驅(qū)動單元和云臺攝像頭單元組成。循跡單元是智能車實現(xiàn)自動行駛的基本功能單元，采用光電傳感器獲取循跡數(shù)據(jù)。避障單元可以保障智能車自動行駛的安全，同時也可以對目標物進行舉例測量。STM32控制單元是整個系統(tǒng)的核心，負責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及控制。電機驅(qū)動單元提供智能車的動力輸出，同時帶有測速碼盤，實時獲取速度信息供處理器控制。云臺攝像頭單元用于實時傳輸智能車畫面，提供畫面監(jiān)控。各單元間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)交互，通信速率最高可達到1Mb/s，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 循跡功能單元設(shè)計

循跡功能單元電路由紅外傳感器和微處理器兩部分組成。紅外傳感器采用TCRT5000型光電對管，TCRT5000是一種由紅外輻射源和光電接收二極管組成的光電傳感器，它具有反應(yīng)速度快、功耗低等特點。采用該傳感器能夠較為簡單地設(shè)計循跡電路，探測有效距離可達5～25 mm。利用紅外光在參照物上的漫反射原理，光電接收管能夠?qū)⒔邮盏降牟煌叶戎狄阅M量傳遞給微處理器處理，從而能夠準確地識別黑、白循跡線，調(diào)整運行軌跡，使嵌入式智能車能夠安全平穩(wěn)的運行。循跡功能單元架構(gòu)如圖2所示。

圖2 循跡功能單元架構(gòu)

循跡功能電路單元由9組紅外對管組成，采用前5后4交叉排列，大大提高了循跡精準度，循跡單元分別排列于智能車前后兩端，電路設(shè)計如圖3所示。前5路循跡燈實現(xiàn)對前進方向的道路預(yù)判，增強智能車循跡的穩(wěn)定性，該功能單元處理器采用型號為STM32F103C8T6微控制器，硬件資源多達10個ADC通道，電路中ADC1-ADC9與微控制器ADC引腳相連，接收紅外傳感器的模擬信號，無需附加驅(qū)動電路。利用微控制器自身ADC功能可以方便地設(shè)定閾值，達到更準確地循跡效果。該處理器支持CAN接口，從而實現(xiàn)對循跡數(shù)據(jù)的實時采集、處理、傳輸[5]。

2.2 避障功能單元設(shè)計

避障功能采用超聲波測距的方法實現(xiàn)，由發(fā)射探頭、接收探頭、蜂鳴器組成。該功能單元保障智能車在執(zhí)行自動控制如循跡時，確保前方道路通暢、周圍環(huán)境安全。超聲波發(fā)送和接收電路設(shè)計原理圖如圖4所示，當(dāng)智能車在規(guī)定運行軌跡上進行到某一位置處，利用STM32微控制器控制超聲波發(fā)射電路發(fā)送超聲波信號，并通過GPIO口獲取超聲波接收電路的信號，通過時間差計算出超聲波傳感器與前方障礙物的距離。該電路由555定時器、74HC08(與門)、74HC14(非門)、CD4069反相器和CY1超聲波發(fā)射裝置組成。通過調(diào)節(jié)電位器RW1可以調(diào)節(jié)555定時器的輸出頻率，而超聲波實際的輸出頻率，需要根據(jù)超聲波傳感器的測量誤差來進行調(diào)節(jié)。當(dāng)555定時器輸出頻率為40 kHz，控制引腳INC為低電平時，超聲波信號即可發(fā)送出去[6]。蜂鳴器可作為安全距離報警作用由程序控制。

圖3 循跡紅外對管電路

2.3 核心控制單元電路設(shè)計

核心控制單元的開發(fā)板采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407IGT6為主控芯片，最高時鐘頻率可達168 MHz，開發(fā)板單元電路接口包括：功能電路單元接口、USART通信接口、CAN總線通信接口、USB方形接口、I/O擴展接口、DAC接口、SD卡槽、SWD程序下載接口等，其開發(fā)板單元組成如圖5所示。

控制單元電路通過多個CAN總線通信接口實現(xiàn)和其他各電路單元進行通信，循跡功能電路通過CAN總線將循跡數(shù)據(jù)發(fā)送給開發(fā)板，開發(fā)板與電機驅(qū)動單元通信獲取速度信息并控制小車前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。功能任務(wù)板通過CAN總線接口實現(xiàn)圖像傳輸和超聲波測距算法。

2.4 電機驅(qū)動單元電路設(shè)計

電機驅(qū)動單元電路配備獨立的微控制器STM32F103RCT6和兩組DRV8848電機驅(qū)動模塊，用于驅(qū)動四組帶測速碼盤的直流電機。獨立的電機驅(qū)動單元可使核心控制器通過更短、更快的程序指令進行控制。直流減速電機能夠提供更加準確的控制。電機驅(qū)動芯片DRV8848驅(qū)動電路如圖6所示，DRV8848是TI公司的一款雙路H橋電機驅(qū)動器芯片，支持單通道/雙通道刷式直流電機，單個H橋最大可提供2A工作電流，并且能夠支持4V～18V較寬的工作電壓，滿足智能車電機驅(qū)動的設(shè)計需求。

圖4 超聲波接收和發(fā)送電路

圖5 開發(fā)板單元電路組成

圖6 電機驅(qū)動芯片DRV8848電路

智能小車中4個電機由4組PWM進行控制，從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)以及速度的調(diào)節(jié)，PWM信號由微控制器STM32F103RCT6提供，使用20柵格測速碼盤能夠更加準確地得到電機的轉(zhuǎn)速，從而獲得速度信息，準確控制小車的行走路線。

2.5 云臺攝像頭

云臺攝像頭采用100萬像素(720P),該攝像頭最大支持1 280×720分辨率,遠程控制可以實現(xiàn)云臺在水平355度，垂直120度范圍內(nèi)的角度調(diào)整，可以直接通過網(wǎng)線與A72處理終端連接，同時在無線WiFi覆蓋范圍內(nèi)也支持與客戶端無線連接，能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭圖像采集傳輸，提供實時監(jiān)控信息。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計

該系統(tǒng)上電后，主程序首先進行初始化操作，再依次完成系統(tǒng)函數(shù)、功能模塊函數(shù)的初始化，包括系統(tǒng)變量定義和系統(tǒng)變量賦初始值等，最后進行功能模塊檢測，實現(xiàn)與循跡模塊、避障模塊、電機驅(qū)動模塊、攝像頭模塊之間的通信。

系統(tǒng)初始化并檢測完畢后進入等待運行狀態(tài)，通過智能車板載啟動按鍵啟動運行。程序判斷啟動按鍵是否按下，如果按鍵被按下則進入主循環(huán)，反之則繼續(xù)判斷按鍵狀態(tài)。主程序會調(diào)用各傳感器模塊函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)動作。系統(tǒng)整體流程如圖7所示。

3.2 循跡模塊程序設(shè)計

循跡模塊能獲取當(dāng)前智能車所在路線的位置狀態(tài)，實現(xiàn)智能車路徑的自動識別，并且采用CAN總線讀取電機驅(qū)動板上的碼盤數(shù)據(jù)并控制直流電機。循跡模塊單元具有獨立的微控制器，能夠直接處理傳感器的數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前狀態(tài)以固定數(shù)據(jù)格式發(fā)送給核心控制單元，循跡模塊程序設(shè)計流程如圖8所示[5]。

3.3 避障程序設(shè)計

避障模塊采用超聲波測距的方法實現(xiàn)對目標物距離計算，由程序控制智能車行駛狀態(tài)，確保車體安全行駛。超聲波測距是借助超聲脈沖發(fā)射與接收時間差進行計算的，假設(shè)超聲波脈沖從發(fā)出到接收之間的時間為T,即超聲波經(jīng)歷兩段被測距離的時間，超聲波在空氣中的傳播速度為M,可以得到超聲波探頭距離被測物體的距離S=(T×M)/2。避障模塊程序設(shè)計流程如圖9所示。

圖7 系統(tǒng)整體流程

圖8 循跡模塊程序設(shè)計流程

圖9 避障模塊程序設(shè)計流程

3.4 電機驅(qū)動程序設(shè)計

智能小車通過循跡模塊獲取行駛路線，經(jīng)過核心處理器處理后控制電機驅(qū)動模塊，該模塊通過測速碼盤獲取左右輪的速度信息，從而準確地控制左右電機，電機驅(qū)動模塊架構(gòu)如圖10所示。

電機驅(qū)動模塊采集測速碼盤信息并驅(qū)動控制電機，測速碼盤是一種集光、電一體的傳感器，不同規(guī)格的測試碼盤內(nèi)部具有不同規(guī)格的光柵，可以精確地計算電機運動的狀態(tài)。使用傳統(tǒng)的M法進行測量[7]，通過計算在固定的采樣時間內(nèi)測速碼盤光電信號輸出的脈沖次數(shù),即可得到電機實際的每分鐘轉(zhuǎn)速信息。電機驅(qū)動信號的PWM由電機驅(qū)動模塊上的微控制器提供，其占空比的調(diào)節(jié)根據(jù)實際測得速度信息進行控制，確保兩側(cè)實際速度與控制速度一致。電機驅(qū)動模塊程序流程如圖11所示。

3.5 云臺攝像頭程序設(shè)計

智能小車上電后，云臺攝像頭自動開機執(zhí)行自檢，自檢過程中攝像頭水平旋轉(zhuǎn)一周，垂直旋轉(zhuǎn)120度，以確保云臺功能正常，自檢過程約為1分鐘，核心板主程序在自檢后嘗試與攝像頭進行通信。

4 結(jié)語

經(jīng)過對STM32智能小車的硬軟件分析和測試，該智能車可實現(xiàn)自動循跡、避障測距、圖像傳輸?shù)纫幌盗兄悄芑墓δ?，本項目可作為移動機器人的載體，在相關(guān)技術(shù)成熟以后，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防軍事等領(lǐng)域，具有廣闊的市場潛力和應(yīng)用前景。

圖10 電機驅(qū)動模塊架構(gòu)

圖11 電機驅(qū)動模塊程序流程