基于STM32的循跡機(jī)器車設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)2023年（第八屆）四川省大學(xué)生機(jī)器人大賽機(jī)器車循跡賽項(xiàng)要求，使用STM32主控芯片、4路紅外傳感器、線性CCD傳感器等模塊設(shè)計(jì)自主循跡與競(jìng)速的循跡機(jī)器車。該設(shè)計(jì)主要從小車循跡和競(jìng)速兩部分著手，利用紅外傳感器的紅外輻射熱效應(yīng)原理，輸出二值邏輯并控制傳感器狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小車自主循跡；結(jié)合線性CCD傳感器的線性掃描特點(diǎn)，對(duì)賽道邊緣進(jìn)行圖像掃描，動(dòng)態(tài)輸出模擬信號(hào)，控制主控芯片，從而驅(qū)動(dòng)小車自主避障競(jìng)速。該小車運(yùn)行可靠性良好，抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)不同的賽道也有很好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：STM32；循跡機(jī)器車；自主循跡；競(jìng)速；紅外傳感器；線性CCD傳感器

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

2023年（第八屆）四川省大學(xué)生機(jī)器人大賽是四川省教育廳主辦、西南石油大學(xué)承辦的省級(jí)大學(xué)生高規(guī)格賽事，涉及項(xiàng)目多達(dá)14項(xiàng)，本次競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)成員仔細(xì)研讀了文件并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，參加了機(jī)器車循跡賽事。該賽項(xiàng)由小車循跡和小車競(jìng)速兩部分組成，競(jìng)賽要求參賽成員自主研制一臺(tái)無(wú)人干涉，能夠自主完成循跡和競(jìng)賽要求的循跡機(jī)器車，并且該機(jī)器車需具備選擇不同模式的切換開(kāi)關(guān)[1]。因此，基于競(jìng)賽要求，團(tuán)隊(duì)成員考慮從總體設(shè)計(jì)方案、硬件電路、軟件流程、測(cè)試結(jié)果等環(huán)節(jié)出發(fā)，設(shè)計(jì)一種基于STM32的自主循跡機(jī)器車。

1 總體設(shè)計(jì)方案

循跡機(jī)器車主要由控制模塊、執(zhí)行模塊、信號(hào)采集模塊組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制模塊采用STM32F103C8T6主控芯片[2]，執(zhí)行模塊采用減速比為1∶48的有刷直流減速電機(jī)[3]，信號(hào)采集模塊采用4路紅外傳感器和128路像素的線性CCD攝像頭采集賽道信息，實(shí)現(xiàn)賽道元素的識(shí)別[4]。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6單片機(jī)作為循跡機(jī)器車的主控模塊，該模塊程序存儲(chǔ)器容量為64 KB，最高工作頻率可以達(dá)到72 MHz，具有高性能、低成本和低功耗等特點(diǎn)[5]。主控模塊配合編程軟件Keil μVision5對(duì)紅外循跡模塊、競(jìng)速避障模塊、按鍵切換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等進(jìn)行程序的編譯與操控[6]。系統(tǒng)主控模塊及其引腳如圖2所示。

設(shè)計(jì)中，通過(guò)PB12、PC13～PC15讀取4路紅外傳感器模塊采樣值，通過(guò)PB13～PB15讀取線性CCD模塊采樣值，模式轉(zhuǎn)換可通過(guò)PB0、PB1控制切換按鍵開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，PB6、PB7輸出PWM值，PB4、PB5控制循跡機(jī)器車右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，PB8、PB9控制循跡機(jī)器車左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用TB6612FNG驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)芯片的AIN1、AIN2、BIN1、BIN2、PWMA、PWMB電平高低來(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。

采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制，當(dāng)10 kHz的PWM波輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)根據(jù)PWM占空比的不同，在每個(gè)PWM信號(hào)周期內(nèi)，控制電機(jī)輸出不同的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。

2.3 競(jìng)速避障模塊

競(jìng)速避障模塊選用TSL1401CL線性CCD對(duì)賽道邊緣進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循跡機(jī)器車在規(guī)定賽道內(nèi)獨(dú)自競(jìng)速。該模塊包含128個(gè)線性排列的光電二極管，當(dāng)拍攝一段圖像畫(huà)面后，圖像僅有一個(gè)像素寬的長(zhǎng)條，從左到右分成128個(gè)AD數(shù)據(jù)，每個(gè)AD數(shù)據(jù)表示像素灰度值，采集到的灰度值將在AO線上以模擬信號(hào)的形式輸出[8]。

本次設(shè)計(jì)中，利用STM32主控芯片的PB14、PB15引腳對(duì)SI和CLK引腳發(fā)出方波信號(hào)，TSL1401CL的AO口則會(huì)依次輸出128個(gè)像素點(diǎn)的模擬信號(hào)至STM32主控芯片。

2.4 循跡模塊

循跡模塊采用4路紅外傳感器，用于檢測(cè)白色賽道中的黑色線路，并按照黑色線路進(jìn)行循跡。該傳感器是一種集發(fā)射和接收于一體的光電傳感器，檢測(cè)距離為1 mm～10 cm，可通過(guò)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出接口為6 pin接口，輸出TTL電平，可直接與STM32主控芯片的I/O口連接[9]。

3 軟件流程分析

3.1 循跡軟件流程

本次循跡場(chǎng)地采用4路紅外傳感器實(shí)現(xiàn)循跡機(jī)器車循跡，其基本原理為利用物體對(duì)光的反射性質(zhì)，尋找賽道中的黑線，當(dāng)紅外線發(fā)射到黑線上時(shí)會(huì)被黑線吸收，發(fā)射到其他顏色的材料上時(shí)會(huì)部分被反射到紅外線的接收管上[10]，最后轉(zhuǎn)換成二值邏輯“0”和“1”。再結(jié)合循跡賽道，對(duì)傳感器狀態(tài)進(jìn)行分析，定義中間兩路巡線一直在黑線上時(shí)，低電平有效，小車直行，當(dāng)任意一個(gè)紅外傳感器偏離賽道，小車會(huì)自動(dòng)糾正，如果最外面的傳感器檢測(cè)到黑線，則小車將以更大速度行駛到正確的賽道上。依據(jù)賽道和紅外傳感器的狀態(tài)，得出循跡算法軟件流程，如圖3所示。

3.2 競(jìng)速軟件流程

根據(jù)比賽規(guī)定，競(jìng)速場(chǎng)地的弧度尺寸不做具體規(guī)定，由組委會(huì)根據(jù)具體情況確定。因此，為增加循跡機(jī)器車的適應(yīng)性，采用線性CCD傳感器檢測(cè)賽道邊界線。當(dāng)線性CCD傳感器掃到白線AD值時(shí)，返回一個(gè)較高的電壓值；掃到黑線AD值時(shí)，返回一個(gè)較低的電壓值，并進(jìn)行二值化處理，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成“0”和“1”[11]。

在識(shí)別直道的過(guò)程中，賽道引導(dǎo)線處于賽道兩邊，但CCD在左右邊沿采集的數(shù)據(jù)存在一定的誤差，所以左右各略去5個(gè)點(diǎn)，使用118個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此時(shí)59即為期望的中心值。在進(jìn)行邊緣檢測(cè)時(shí)，通過(guò)從中心向兩邊掃描的方式進(jìn)行掃描，利用動(dòng)態(tài)閾值法獲取中心值，并與期望中心值59比較，最終判斷小車的轉(zhuǎn)向。

依據(jù)賽道和CCD傳感器的掃描數(shù)據(jù)，得出競(jìng)速算法軟件流程，如圖4所示。

4 測(cè)試結(jié)果

團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室布置1∶1比賽場(chǎng)地，搭建測(cè)試環(huán)境，通過(guò)Keil μVision5軟件調(diào)整程序參數(shù)，對(duì)循跡機(jī)器車的運(yùn)行軌跡不斷修正，使軌跡基本趨于穩(wěn)定，即循跡賽項(xiàng)一輪平均用時(shí)1 473 s，失誤率在10%以內(nèi)，競(jìng)速賽項(xiàng)一輪平均用時(shí)468 s，失誤率在5%以內(nèi)。循跡和競(jìng)速功能穩(wěn)定與時(shí)長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以STM32主控芯片為核心，設(shè)計(jì)了紅外循跡電路、競(jìng)速避障電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵切換電路等，輔以Keil μVision5軟件，編寫(xiě)主程序、驅(qū)動(dòng)程序、信號(hào)采集程序等，經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試與參數(shù)調(diào)整，循跡機(jī)器車運(yùn)行效果基本趨于穩(wěn)定，可以很好地滿足本次比賽要求。

通過(guò)2023年（第八屆）四川省大學(xué)生機(jī)器人大賽機(jī)器車循跡賽項(xiàng)驗(yàn)證，該小車運(yùn)行可靠性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，但是在完成時(shí)間和成功率方面還有待提高。依托該循跡機(jī)器車，團(tuán)隊(duì)榮獲機(jī)器車循跡賽項(xiàng)省級(jí)三等獎(jiǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：胡江瑜（1992—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

李光琴（1990—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)榭刂婆c檢測(cè)技術(shù)。

王 瑩（1994—），女，講師，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化技術(shù)。

收稿日期：2024-01-24 修回日期：2024-03-06