基于STM32的小車跟隨行駛系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：跟隨行駛系統(tǒng)是一種連續(xù)性跟蹤并檢測運(yùn)動目標(biāo)軌跡參數(shù)的系統(tǒng)。小車的跟隨行駛系統(tǒng)可以提供跟隨目標(biāo)的空間定位運(yùn)動軌跡，不需要過多的人為控制，實現(xiàn)了自動化、智能化。該系統(tǒng)由跟隨小車和循跡小車兩部分組成，主要包括紅外傳感模塊、超聲波距離檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊。采用STM32F103單片機(jī)作為小車主要控制芯片，通過PWM技術(shù)對運(yùn)動速度以及舵機(jī)的方向進(jìn)行控制。超聲波測距模塊用于感應(yīng)跟隨物體的位置，控制跟隨小車與物體之間的距離，使小車可以在檢測到物體停下時停止運(yùn)動，防止發(fā)生碰撞。

關(guān)鍵詞：空間定位；循跡；超聲波測距

中圖分類號：TP368" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）10-0194-05

Design of STM32-based Trolley Following Driving System

XU Hao， HE Yuangang

（School of Information Engineering， Chongqing Electric Power College， Chongqing" 400053， China）

Abstract： The following driving system is a system that continuously tracks and detects the trajectory parameters of moving targets. The following driving system of the trolley can provide spatial positioning motion trajectory of the followed target， no need for excessive human control and achieving automation and intelligence. The system consists of two parts： a following trolley and a tracking car， mainly including an infrared sensing module， an ultrasonic distance detection module， a motor drive module， and a power module. The STM32F103 Single-Chip Microcomputer is used as the main control chip for the trolley， and PWM technology is used to control the motion speed and direction of the servo. The ultrasonic ranging module is used to sense the position of the followed object， control the distance between the following trolley and the object， so that the car can stop moving when an object is detected to stop， and prevent collisions.

Keywords： spatial positioning; tracking; ultrasonic ranging

0" 引" 言

隨著目前社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各式各樣的科學(xué)技術(shù)在各個行業(yè)展現(xiàn)他們特有的魅力，智能小車作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后發(fā)展的主要方向，智能小車可以在設(shè)定好的程序中根據(jù)指定的命令完成既定的要求，不需要過多的人力干擾，減輕人們的勞動強(qiáng)度，降低成本。在市場上的智能小車種類功能也呈現(xiàn)出多樣性[1]，不再僅僅用在科學(xué)勘探方面，也常常出現(xiàn)在我們的生活工作之中。智能小車跟隨系統(tǒng)的研發(fā)在很久之前就提出了概念，在國內(nèi)外市場上也有過這方面產(chǎn)品的售賣，但無一不是價格昂貴。在目前，大多數(shù)的智能小車也只是實現(xiàn)了按照設(shè)定位路線行駛和手動遙控操作的基本功能，很少出現(xiàn)具有跟隨功能的智能小車。小車跟隨行駛系統(tǒng)是指在自動跟隨智能小車在開啟跟隨模式時，能夠自動識別出被跟隨物體的所在方位，利用核心控制系統(tǒng)及跟隨控制系統(tǒng)對被跟隨物體進(jìn)行一定距離的自動跟隨的系統(tǒng)，是基于機(jī)械結(jié)構(gòu)、計算機(jī)技術(shù)及自動控制原理設(shè)計運(yùn)行控制的系統(tǒng)。

1" 系統(tǒng)方案

整個小車跟隨系統(tǒng)分為主控模塊、紅外傳感模塊、超聲波距離檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模組成。各模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2" 硬件模塊方案

2.1" 主控模塊

本次的系統(tǒng)模塊選用STM32F103C8T6作為小車跟隨行駛系統(tǒng)的主控芯片，STM32F103C8T6是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，跟隨小車需要進(jìn)行實時定位跟蹤、電機(jī)控制管理、處理信號等任務(wù)，需要較高性能的DSP處理器來實現(xiàn)功能，而STM32F103C8T6的優(yōu)點便是資源齊全、高性能、低成本、低功耗。程序儲存器容量是64 KB，具有72 MHz的主頻，可以提供高性能的計算和處理能力，支持各種高效算法。因此，該芯片是制作跟隨系統(tǒng)的最優(yōu)選擇，STM32F103C8T6原理圖如圖2所示。

2.2" 紅外傳感模塊

傳感器模組對外界光線具有較好的適應(yīng)性，在模組上有一對紅外發(fā)射和接收管，白的是發(fā)射管，黑的是接收管[2]。在電源啟動的時候，發(fā)射管發(fā)出一定頻率的紅外光，紅外光反射回的信號在探測距離內(nèi)碰到反射面時，就會被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理后，反射回的紅外光信號會在電路板上的綠色指示燈點亮電平，與此同時，信號的輸出口也會輸出一個低電平信號。在必要時，可轉(zhuǎn)動組件上的電位器，實現(xiàn)對探測范圍的調(diào)節(jié)[3]。正向調(diào)整，檢測距離增加；反向調(diào)整，檢測距離減少。有效探測距離為2～30 cm，調(diào)整范圍不能超出此范圍，探測角度35°，工作電壓3.3～5 V。其優(yōu)點是干擾小，組裝簡單，使用方便。由于感測器以紅外反射為主，所以在使用模組時，必須考慮到物體的反射性及外形。其中，黑色的探測范圍最小，而白色的探測范圍最大；小區(qū)域目標(biāo)小，大區(qū)域目標(biāo)大。比較器是采用的LM393，工作較為穩(wěn)定。通過測試表明，它可以采用3～5 V直流電源對其供電。傳感器模塊及內(nèi)部電路如圖3、圖4所示。

2.3" 超聲波距離檢測模塊

HC-SR04超聲波測距模塊，采用IO觸發(fā)測距，至少10 μs的高電平信號。其工作原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度來實現(xiàn)。當(dāng)一個高電平信號被觸發(fā)器接收后，模塊將產(chǎn)生8個40 kHz的超聲周期。當(dāng)超聲波作用在一個物體上時，它將被反射回來，并由“Echo”這個裝置的回音針來接收。HC-SR04原理圖如圖5所示。

超聲波測距[4]是通過不斷地探測被超聲波擊中的物體，然后在被超聲波擊中的物體上，不斷地探測回波，從而得出發(fā)射和接收的時間間隔，從而得出距離S。圖6為超聲波時序圖[5]，測量期間當(dāng)從反向傳輸管腳接收到HC-SR04輸出的高電平脈沖時，便可進(jìn)行下一次的測量，所以測量的時間取決于距離，反向傳輸?shù)拿}寬愈小，則測量的時間愈短；研究發(fā)現(xiàn)，隨著回波脈寬的增大，檢測所需的時間也隨之延長。該模塊工作標(biāo)準(zhǔn)電壓為5 V，工作電流為5.3 mA，工作溫度為-40～85 ℃，障礙物感應(yīng)角度小于15°，探測距離為2～600 cm，探測精度為0.1cm±1%。

2.4" 電機(jī)驅(qū)動模塊

該模塊選用L298N為驅(qū)動芯片，完成了對直流減速電機(jī)的控制。本次項目所設(shè)計的電路具有低發(fā)熱、高抗干擾、高驅(qū)動等特性，其主要特征為工作電壓高，最高可達(dá)到46 V；輸出電流大，瞬間峰值電流達(dá)到3 A，連續(xù)工作電流2 A；額定功率25 W。該模塊具有雙通道輸出，可對電機(jī)進(jìn)行多種控制與輸出[6]。

除此此外，L298N還可以采用PWM方式對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，利用脈沖調(diào)制的方式來控制電動機(jī)的電壓，實現(xiàn)電動機(jī)的速度。在這個系統(tǒng)的設(shè)計中，它是驅(qū)動的兩個直流電機(jī)，在驅(qū)動直流電機(jī)的時候，可以直接控制進(jìn)步電機(jī)，從而實現(xiàn)電機(jī)的正反向和調(diào)速。該模塊通過驅(qū)動電源部分，可以使用內(nèi)置的78M05來實現(xiàn)取電工作當(dāng)驅(qū)動電壓為7～12 V，即VCC電機(jī)驅(qū)動器端子接通驅(qū)動電源時，無須外接電源，只需按下按鈕即可使用78M05供應(yīng)芯片的電源。但是為了避免穩(wěn)壓芯片損壞，當(dāng)驅(qū)動電壓大于12 V的時候需要斷開板載使能跳線帽，在邏輯端子外接5 V電源供電。經(jīng)過實測表明，應(yīng)用該模塊方案先進(jìn)有效。模塊實物如圖7、圖8所示。

2.5" 電源模塊

本機(jī)電源模塊使用12 V直流電源，為一般之標(biāo)準(zhǔn)配置，具較強(qiáng)之普適性與兼容性。該方案具有較高的可靠性和安全性，較高的能量利用效率，且電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。電源原理圖如圖9所示。

3" 自動循跡小車

循跡小車整體結(jié)構(gòu)，電路主要包括線路檢測、電壓比較、驅(qū)動、執(zhí)行器等。LM393是一種以兩臺高精度的電壓比較器為主體的雙路電壓比較電路。輸出負(fù)荷電群可以連接到任意容許的有源電壓，而不會被VCC供電終端電壓所限制。它的作用是根據(jù)輸入電壓的高與低，對兩個輸入電壓作一個比較，使兩個輸入電壓發(fā)生變化。

輸出有兩種狀態(tài)，一種是接近開路，另一種是下拉接近低電平，LM393采用集電極開路，需要加拉電阻才能輸出高電平，而集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。而LM393則是通過對兩個感光元件的對比，來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。高亮度LED的光線照射在賽道上[7]，LED的光線照射在賽道邊緣的白區(qū)，光敏電阻器會接收到更強(qiáng)烈的反光，呈現(xiàn)更低的電阻器，如果照射在黑色的賽道上，則會產(chǎn)生更弱的反光，呈現(xiàn)更高的電阻器，這個循跡裝置就是基于這個原理來完成的[8]。循跡小車電路如圖10所示。

4" 軟件部分設(shè)計

對于小車跟隨行駛系統(tǒng)而言，軟件系統(tǒng)是較為重要的一部分，跟隨小車需要借助紅外傳感器的感應(yīng)范圍來確定跟隨目標(biāo)的位置信息，用STM32單片機(jī)控制L298N電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)行駛，是實現(xiàn)小車對移動目標(biāo)的自動跟隨。這個設(shè)計的過程是小車的紅外傳感器向目標(biāo)物體發(fā)送紅外線，遇到物體反射回來，紅外傳感將信號傳送給主控模塊，繼而控制電機(jī)。在這個過程中，超聲波模塊控制距離，在感應(yīng)到前方車距小于設(shè)定值時，小車停止運(yùn)動，車距大于設(shè)定值，小車跟隨行駛[9]。若感應(yīng)到物體的移動，紅外傳感器感應(yīng)到物體移動的方向，將信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行位置判斷，驅(qū)動電機(jī)向物體移動方向行駛，在行駛過程中不斷調(diào)整位置。系統(tǒng)流程圖如圖11所示。

5" 實物測試

要確保循跡小車的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，跑道的寬度一定要比兩邊探測器的間隔小，通過實物驗證發(fā)現(xiàn)15～

20 mm的距離為最好，在小車過彎的時候不能過于倉促，不然很容易出現(xiàn)脫軌。為了保證測量效果和提高計算準(zhǔn)確度，需要對左右兩邊傳感器的間距[10]進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其與跑道路徑相匹配，從而實現(xiàn)對道路的自動辨識和相應(yīng)參數(shù)的計算。循跡小車在循跡過程中，如若丟失路線目標(biāo)，會在原地轉(zhuǎn)圈。小車實物如圖12所示。

檢查電路有無錯誤，再將將程序燒錄到STM32單片機(jī)中，連接電源，按下復(fù)位按鈕回到初始狀態(tài)，再按下自動跟隨按鈕。為了方便，一開始只需要拿一個紙板代替循跡小車引導(dǎo)后面的跟隨小車，跟隨小車檢測到紙板的移動，超聲波傳感器回傳距離信號，超過給定距離后開始跟隨。此時，紅外傳感對應(yīng)方向指示燈亮，通過紅外傳感器感應(yīng)物體移動方向，再由單片機(jī)通過相關(guān)參數(shù)計算夾角控制轉(zhuǎn)向，讓跟隨小車具備左右轉(zhuǎn)向行駛能力。當(dāng)小車超聲波傳感器感應(yīng)到前方物體距離小于給定的值時再次停止運(yùn)動，感應(yīng)到距離大于給定的值時再次啟動，跟隨行駛，這樣就實現(xiàn)了小車的自動跟隨效果。

為了獲得穩(wěn)定的實驗效果，整個過程速度設(shè)置比較低，大約為0.3 m/s，后續(xù)的參數(shù)測量也是由這個速度條件下得到。為測算最佳跟隨、停止給定值，在程序中設(shè)置了不同的啟停距離（控制跟隨啟動和停止），并列表對啟停效果進(jìn)行對比，如表1所示。

從表1可以看出，在0.3 m/s的勻速直線條件下，給定停止間距為13 cm左右具有比較穩(wěn)定的效果，跟隨小車與目標(biāo)物的啟停誤差最小。分析原因，在目標(biāo)物較遠(yuǎn)時超聲波散射增加導(dǎo)致衰減變大，獲取值的誤差變大，從而導(dǎo)致制動效果欠佳。追求提高小車速度也會讓誤差顯著增大，特別在制動階段，由于速度導(dǎo)致制動距離變大帶來更大的誤差，這種誤差疊加測距誤差使得實物小車無法通過設(shè)置更大距離的方式解決，從而導(dǎo)致小車與目標(biāo)物的碰撞。

當(dāng)跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)向時，小車是否能按要求控制轉(zhuǎn)向角度的要求是小車跟隨的另一個重要參數(shù)。表2反映了實物測試中，目標(biāo)物中軸線與小車前進(jìn)方向成不同夾角的情況下，跟隨小車的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。經(jīng)試驗，在0.3 m/s的速度下，小車能夠在60以內(nèi)的夾角條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)向跟隨。

6" 結(jié)" 論

本文主要介紹了小車跟隨行駛系統(tǒng)的主要內(nèi)容，該系統(tǒng)主要分為兩個部分，領(lǐng)頭小車的循跡部分和跟隨小車的自動跟隨行駛系統(tǒng)。領(lǐng)頭小車的循跡主要是依靠驅(qū)動電路行駛，利用發(fā)光二極管根據(jù)反射光來識別軌跡路線進(jìn)行循跡。跟隨小車的自動跟隨行駛系統(tǒng)是以STM32為主控芯片，控制各模塊進(jìn)行配合工作。根據(jù)實際情況來進(jìn)行動作控制，實現(xiàn)完美跟隨。

小車跟隨行駛系統(tǒng)是一種智能化很高的裝置，他的核心原理便是基于傳感器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算。在本文中，一開始是利用紅外模塊進(jìn)行測距，但紅外傳感只能實現(xiàn)物體跟隨，在前方物體停止時，跟隨小車并不能通過判斷距離位置來停止運(yùn)動。因此，便在原有的基礎(chǔ)上添加了一個超聲波傳感器，用來控制小車與跟隨物體之間的距離，并控制小車在檢測前方物體停止時跟著停止運(yùn)動，以此來防止發(fā)生碰撞。

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作者簡介：徐昊（1980—），男，漢族，重慶人，副教授，碩士研究生，研究方向：嵌入式技術(shù)。