基于STM32的智能小车设计

技术与市场第１８卷第６期２０１１年技术研发基于ＳＴＭ３２的智能小车设计周枉，孟文。田环宇（西南交通大学智能机电技术研究所，四川成都６１００３１）摘要：介绍了基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ０８芯片的智能小车硬件和软件系统设计。智能小车应用超声波传感器和红外光电传感器采集外部障碍信息；使用左、右两侧电动机的差速驱动实现转向；采用光电编码器测量实时转速；避障控制采用模糊控制算法；外部通信拓展了无线和有线两种方式。软件使用模块化设计．方便进行后续更新和升级。该智能小车可以作为对智能车辆进一步研究的平台。关键词：ＳＴｌＶｌ３２；智能小车；模糊控制；外部通讯ｄｏｉ：１０．３９６９，ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１１．０６．００１０引言块电路设计主要为主控制器添加电源电路、晶振电路、复位电路智能小车是能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的复杂环境中面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。它的系统设计是以汽车电子为背景，涵盖机械、电子技术、传感器技术、控制等多学科的创意设计。本设计采用意法半导体公司的ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ０８芯片作为主控制芯片，该芯片具有先进的内核结构、优秀的功耗控制、性能出众而且功能创新的片上外设、高度的集成整合、易于开发等特点，适宜作为小车的主控制芯片。１以及ＪｒＩ’ＡＧ电路。其最小系统电路图如图２所示，图３为ｍＧ电路：智能小车控制系统设计智能小车采用差速驱动式的四轮轮式机构作为小车的机械结构，驱动电机选用额定电压１２Ｖ，额定功率５ｗ的直流电机。智能小车控制系统具备了障碍物检测、自主定位、自主避障、外部通讯扩展等功能。相应的控制系统模块主要包括：电源模块、微控制器模块、障碍物检测模块、电机驱动模块、速度检测模块、ＣＡＮ总线通信模块，无线通信模块等部分。系统总体框图如图１所示。网１．．．．．．．．．．．．＿Ｊ图２主控制器最小系统电路五辩谯玎扣Ｔ，Ｔ：茸Ｐ．Ｕ，Ｊ１℃ＸＩ，，’●ＵＨ２●●－■ｎＭｊ’Ｉ：，力ＭＰ蚰Ｐ．Ｕ●用前舶一ｃＰＵ■玎廿仃■■稿，图１１．１电源系统设计系统总体框图图３ＪＴＡＧ电路１．３障碍物检测模块设计模块使用超声波传感器和红外光电传感器对前方障碍物信息进行检测。超声波传感器采用ＨＣ—ＳＲ０４超声波测距模块，此测距模块可提供２～４００ｅｍ的非接触式距离感测功能。其测距精度可达到３ｃｍ。它与外界相连接的四个端口分别为Ｖｅｅ，ＧＮＤ，ＴＲＩＧ，ＥＣＨＯ。其工作原理为主控制器提供一个１０“８以上脉冲触发信号到ＴＲＩＧ端，该模块内部将发出８个周期为４０ｋＨｚ电平并检验回波，一旦检测有回波信号ＥＣＨＯ端则输出回响信号，在主控制器端产生中断。通过主控制器内部通用定时器计算发出触发信号到收到回响信号的时间间隔，从而可确定本文设计的智能小车，其能耗主要为控制电路和电机驱动电路两部分。其中控制电路部分使用＋３．３Ｖ和＋５Ｖ直流供电，驱动电机部分使用＋１２Ｖ直流供电。因此设计选用１０节１．２４５００ｍＡｈ的锂电池串联作为系统的供电电源，＋１２Ｖ，Ｖ的电压可以直接由电池组得到，控制电路部分所需的＋５Ｖ电压通过三端稳压块７８０５转换得到。而主控制器所需的＋３．３Ｖ，需通过低压差电压调节芯片ＬＭＩ１１７转换＋５Ｖ电压得到。１．２微控制器模块设计系统采用ｓＴＭ３２Ｆ１０３ｃ０８作为控制系统的主控制器。它的模万方数据技术研发ＴＥＣＩ玎ｑｏＬｏＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ＂Ｃ０１．１８，Ｎｏ．６，２０１１障碍物的距离。红外光电传感器选用的是Ａｒｄｕｉｎｏ数字型红外开关。使用时设定其探测距离为７０ｃｍ，传感器正常状态下输出高电平，检测到障碍物目标输出低电平。１．４电机驱动模块设计智能小车的驱动轮分别使用两个直流电机单独驱动，由主控制器内部的通用定对器产生两路ＰＷＭ信号输出控制两个驱动电机的转速。因直流电机工作所需的电压、电流较大，且转动方向的改变需要通过调整所加电压极性来实现。因此，必须通过专门的电机驱动电路来进行控制。系统使用意法半导体公司的Ｌ２９３Ｄ专用电机驱动芯片作为小车左、右驱动轮的直流电机的核心功率模块。Ｌ２９３Ｄ为四重推挽驱动电路，可驱动２个直流电机。ＥＮ为电机使能端。使用主控制器通用计时器输出二路ＰＷＭ信号给ＥＮ端。当ＥＮ端输入为高电平的时候，电机处于使能状态，当ＥＮ端输入为低电平时，电机就停止。另外使用四个Ｉ，０引脚与Ｌ２９３Ｄ的ＩＮＰＵＴＩ，２，３，４引脚相连，用于改变电机的转速和方向。ＯＵＴｌ和ＯＵＴ２分别与两个电机的输入端相连，可带动电机转动。１．５速度检测模块设计智能小车的两个驱动轮上加装增量光电编码器，随被测轴一起转动，在轴旋转一周中编码器在固定位置上产生一个脉图４系统主程序流程图冲，通过检测单位时间的脉冲数，即可确认电机的转速。速度检测采用ｈ饥铡速法，也称为频率倜期法，即同时测量时间以及在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数得到转速。１．６通信扩展模块设计主控制器ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ有各种通信外围接口可供扩展，包圈５模糊控制器的结构括ＵＳＡＲＴ、ＣＡＮ、１２Ｃ、ＳＰＩ和ＵＳＢ。本文设计的通信扩展主要分为有线和无线两部分。有线通信模块使用ＣＡＮ总线，主控制器右三个方向上的障碍物距离信息，再加上通过自主定位时得到ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８内嵌ＣＡＮ总线控制器。可通过ＣＡＮ总线接收芯片的目标点与小车当前行进方向夹角Ａ。设置模糊推理控制器的ＴＪＡｌ０５０与ＣＡＮ总线连接，ＣＡＮ总线可为机器人间提供可靠的输入为ｄ，、ｄ２、ｄ，和Ａ，输出为小车的转动角度Ｂ。其中：ｄｌ、ｄ：和南有线通信；而无线通信模块主要是通过串行接口（ｕｓＡＲＴ）扩分别表示智能小车右方、前方和左方距离障碍物的距离；Ａ表展的无线射频模块ＰＴＲ２０００。示智能小车运动方向与目标中心连线的目标定位。当目标在智２智能小车控制系统的软件设计能小车右方时，目标定位Ａ为正，否则Ａ为负。输出变量Ｂ表示智小车的控制方式分两种，一种是远程无线指令控制，另一能小车的转动角。当智能小车转向为右方向时，转向角Ｂ定义种是自主行进，即在小车向前行进的时候通过传感器检测到信为正；当转向为左方向时，Ｂ定义为负。号后，根据左侧、正前、右侧判断障碍物距离，同时使用里程统定义模糊推理控制器的输入变量ｄ。、ｄ：和ｄ，的模糊语言变计的方式进行自主定位，从而得到与目标点的定位信息，然后量为｛Ｎｅａｒ，Ｆａｒ｝＝Ｉ‘‘近”，“远”ｌ；目标定位变量Ａ的模糊语言分为通过改变电机驱动模块的输入信号，调节电机的转速和方向，｛ＬＢ，岱，ｚ，ＢＳ，ＲＢ】＝ｌ‘‘左大”，“左小”，“零”，“右小”，“右大”ｌ。使左右驱动轮产生速度差，从而使小车避开障碍物，继续行进。输出变量Ｂ的模糊语言描述分成｛ＴＥｎ，ＴＬＳ，ＴＺ，ＴＲＳ，ＴＲＢ｝－－－｛“左图４为智能小车控制系统的主程序流程图。大”，“左小”，“零”，“右小”，“右大”ｌ。当探测到障碍物接近智能小车时，智能小车应改变运动轨３智能小车避障的模糊控制迹，以避免碰撞。智能小车转动的基本规则是，当探测到智能小３．１模糊控制原理模糊控制是一种基于模糊数学理论的新型控制方法。模糊推车左（右）和前方出现障碍物时，智能小车应及时转向右（左）方理控制方式借助模糊数学这一工具通过推理来实现控制。经典数向。设计的模糊控制器规则库共有四十条规则，以传感器在左学以精确方法来描述事物。模糊数学与之不同，它以隶属函数恰侧和前侧均探测到障碍物接近智能小车为例，规则如下ｄ２ｉｓＮＥＡＲａｎｄｄ３ｉｓＮＥＡＲａｎｄＡｉｓＬＢ当的描述事物的模糊性，并且把具有模糊现象和模糊概念的事物ｒ２１：ｉｆｄｌｉｓＦＡＲａｎｄ处理成精确的东西。模糊控制器的结构如图５所示。它是由模糊输ｔｈｅｎＢｉｓＴＲＳ；入接口、模糊推理模块以及模糊输出接口三个部分组成的。ｒ２２：ｉｆｄｌｉｓＦＡＲａｎｄｄ２ｉｓＮＥＡＲａｎｄｄ３ｉｓＮＥＡＲａｎｄＡｉｓｂ３．２模糊控制器的设计ｔｈｅｎＢｉｓＴＲＳ；避障路径规划模糊控制器的输入量包括小车前方左、中、（下转第４页）２万方数据技术日发ＴＥＣＨＮＯＩ，ＯＧＹＡＮＤＶｏｌｌ８Ｎｏｍ，２０１１ＭＡＲＫＥＴ１４Ｈ●自№益潞单位在监测散据达到设定的各监剩项日和各测点的拄制指标时．在未使用系统时是Ⅸ口头和书面形式向有关部门拳？弩！●●＝——————＿报告的，速种人Ｔ的报告片式存在｝报自反馈信息渠道＊惭．造成耐撤、晚报舯可能。系统的瑗报警功能．则有教地蘑免了此类事情的发生。系统会依据预先设定的各监铡项目和各测点的控撬指标，结合监测基准，束判断当前监测项目和备测点舯安全状态，并以不同的荫色在地图ｔ动卷发布出来．使用户可“非常方便地看到报警的测点生问位置和监测项日的空间分布信息“丑报警蛆。１５ｔｗ＾＃》＊女ｌ自ｎ目１壤目ｔ道监■■缝的月户界Ⅲ系统对于监蠢数据进行分析，预测敷据豹变化趋势．用来指导实际的施Ｉ。系统可“利用一些以往的施ｊ寨钎．对于监不Ｅ据供Ｔ重要途径。为了能厦时耐铁路雒道绒下Ｉ程稳定程度和变形进行分析，并能长期安全地保存监酣睛息．“实现信息涮项目或各测点的时卷变化数据、变化建率进行科学的分析。对于关键Ｅ域，关键时划培出重点监蔼建议．有利于保怔铁路化舡，有必要建ｉ—套隧道地下Ｉ程监测系统。它不仪用于分徽的、备自独口的盹Ｔ现场的监刊数据的臂目，迁可“对所有监罐道施Ｔ的安全．降低蓝ｔ带来的风险。ｌ６铡散据进行集中统一管理和长期保存．让用户及时、准确地查询ｉ＃ｆ＃ｆⅡ∞ｍ信息、莸取监斟雇息．为施Ｉ决策、植Ｉ安全牌低施Ｉ戚奉提供科学依据，也为今后类似的］。程提供良好的管理经验。（罔Ｉ为系统用户界面展示１系统可Ｈ把所有监测项目中ＵＷｏｒｄ、Ｅｘｃｄ、ＪＰｃ、ＰＤＦ、Ｄｗｃ等懒式存在的设计文档资辩．设计罔纸资科、监踌方案资科．关硅的巡税图片贷辩等信息一起上传服务器．以便用户查漪访问。ｌ基于Ｗ，ｂＧ，ＩＳ的铁路罐道监测系统的建市．借助了地理信息系统平台，直观有效地腮Ⅲ了地铁施Ｊ．中各监甍对聋和监测点的空间分布状态和监测敬据。其迅捷的监测数据和属性信息壹询功能．动瘩舯疆报警功能，使地铁施ｔＩ程管理能够从全教地埘防地恢施ｍ中可能出现的事故的作用，从而保证地饮施Ｔ和＾民生｛｝财产的安全。●｝女■：ｆＩ】＊ｌ§十ｏ∞ｃｋｉ目ｔ＊｛自＊４Ｉ齐ＷｏｂＣⅡ目±￡＃｝Ｒ∞＊ｔ｝Ⅲ＾＃自自ｔ４＾｝．２００３７目Ｐ＃ｍｔＩ自ｎ系统依据税有的管理蚱系和用户要求．把现有用户接区域进行捌分。系统设≈一个总管４员来管理各医域管理员，各Ｂ域管理员把自ｄ匿畹觏＊户分为监刊登鄙用户、监臂公司用局把握．也使第ｉ方监测盘正茜到指导札．及时发现问题，有户、设计单位用户监理单位用户等不同用户角色．井对不同角色赋予不同的用户权跟。各用户分配一定角色，赋予不同权限职责后，登陆瓢系统进行操作，遣可Ｕ有技地保证鼓据访问的安全，同时保证等各Ｉ点或监测对蒙出现异常状态时，可以丑时№西知刊相燕负责人。２＃束＊１２】＃｝Ⅱ＆＃建ｔ■日ｆ＆＃皂§Ｒ僻ＣＰＭＩ卸日＊∞ｓ幸明＊４建ａ，２００６，（５）１０２—１０５镕ｔ简升：镇域咏有的设计馘、棺捌和监捌技术产生了深远的髟响。信息幕统的自动化、网络化、Ⅸ及数据库技术为解央现存监喇１作的ｆｊ甚＊２ｉ１ｒ２３：ｉｆｄｌｉｓＦＡＲｗｅｂｃｌｓ技术“数字化信息为核心的信息系撬对土术工《目一（＇∞１一）．募．■建Ⅱ＃＾Ⅱ＾．目■女ａ★学雨±研Ｒ±。±；ｍＲ方自：≈口ｔ囊ｉ鲢、ＷｅｂＧＩＳ。外设接口资酥，井结台ＣＡＮ总线“及王线通汛接口为智能小车ａｎｄｍｅｎＢｉＢｌ砒ｍ…Ｂｒ２４ｉｆｄ…ＦＡＲｄｚ∞ＮＥＡＲ“ｄｊｂＮＥＡＲａｌｌｄ＾ｉｓＺ提供了一千功能强大井Ｈ有一定扩展性的碰件平台．在软件设计中使用模块化设计．方便进行软件型新和升缀。本小车可作为对帮能车辆进一步研究的平台。●≈ｉｔｒｇ…ｉｔ＇ｄＴＲＢ；ＦＡＲ“ｄ㈣ＮＥＡＲｄｄ２¨ＮＥＡＲ∞ｄｄ，ｉｓＮＥＡＲａｎｄＡｉｓＲＳｄｄＩｂＮＥＡＲ¨ｄＡｉｓＲＢ【１Ｉ＃自＊．ｆ＊＊，№ｈ未ｈ＃％十口自＃￡＾｝抗＆■｛＊５｝４Ⅱ】＃“Ⅱ☆自＆月２００９＋（１）【≈丰十ｔｆｆ＇ＭＤＫｅＳＴＭ３２地理；｝￡＆月【Ｍ】ｎｔ麓￡拭ｍ∞ＢＨＴＲＢ最后使用重心法将输出模糊量清晰化．日Ⅱ将每十轱出变量的隶属度值秉ｍ辖出隶属度集告的最大单值，从而得剁一个与ｉ女｝女＾＃２嘲【３】Ｂ＾＃Ｈ目＃＃目ｔＭＡ＊＃《自＃“十”＆月【叽｝＊十目＊＃女擘女＊＃０００１镕者＊舟周柱（１９８０－）．ｇ．∞北｝ｔ＾．ｉ±ｎＲ±．ｔ４ｆｉ■女ａ＾学．＊究方自：“电ｔ一体＊｝统＆■Ⅱ＊＾。隶属度集合等价的辖出值．再将对应各个集台的等价值相加．然后进行归一他处理．就得到了造一轴出的等价输出值。４目＃本设计选择意话半导体公司的ＳＴＭ３２Ｆ１０３饿控翩器作为棱心处理器，利用其高连的扯理糖力和芯片内部集戚的丰富的４万方数据基于STM32的智能小车设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

周柱， 孟文， 田环宇

西南交通大学智能机电技术研究所,四川成都,610031技术与市场

TECHNOLOGY AND MARKET2011,18(6)

1.蔡自兴;贺汉根;陈虹 未知环境中移动机器人导航控制理论与方法 2009(01)2.李宁 基于MDK的STM32处理器开发应用 2008

3.丛爽 神经网络、模糊系统及其在运动控制中的应用 2001

1. 周柱 基于STM32的智能小车研究[学位论文]2011

2. 张伟东.ZHANG Wei-dong 基于预瞄点的自动倒车设计和实现[期刊论文]-轻工机械2011,29(3)3. 张昭喜 矿山井下机电设备的保护措施[期刊论文]-现代企业文化2010(9)4. 肖国忠 矿山机电设备的管理及诊断探讨[期刊论文]-中国科技博览2011(22)

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