基于IoT的智能車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：該文以STM32為核心控制單元，設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能的避障小車。智能小車由感應(yīng)模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊、調(diào)試模塊和通信模塊組成。智能小車采用紅外對管和超聲波探測黑線和障礙物，驅(qū)動板控制車速和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)自動跟蹤和避障功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能小車;自動循跡

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0179-02

隨著科技水平的不斷提高和工業(yè)自動化進(jìn)程的推進(jìn)，智能小車被廣泛應(yīng)用于各種玩具等產(chǎn)品的設(shè)計中，極大地豐富了人們的生活。本智能小車正是順應(yīng)了社會發(fā)展的潮流和人們的需求而產(chǎn)生的。本文設(shè)計的智能電動小車具有自動檢測、避障、自動調(diào)整車身、嗚叫提醒、增減行駛速度、顯示行駛速度等具體功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的智能小車可以說是機(jī)器人的典型代表，它主要實現(xiàn)了兩種功能：跟蹤和避障。它可以分為四個部分：傳感器檢測部分，執(zhí)行部分，工作狀態(tài)顯示部分，CPU。為了實現(xiàn)自動避障的功能，機(jī)器人還可以擴(kuò)展跟蹤功能，感知導(dǎo)線和障礙物。它可以自動識別行駛的路線，選擇正確的路線，并自動檢測障礙物加以躲避。基于上述要求，傳感器檢測部分采用價格低廉的超聲波距離傳感器作為傳感器。智能小車的執(zhí)行部分由直流電機(jī)執(zhí)行，主要控制小車的運動方向和速度。根據(jù)實際情況，設(shè)計了單片機(jī)驅(qū)動的直流電動機(jī)方案，通過軟件選擇模擬PWM輸出調(diào)制，這樣選擇單片機(jī)型號較為廣泛。

本小車選用的是大扭矩直流電機(jī)，它自帶電感，通過金屬和斜齒相結(jié)合，從而組合形成了大扭矩、低噪聲的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。小車整體動力性能較強，加之底盤穩(wěn)定性高，可以輕松實現(xiàn)就地轉(zhuǎn)向和按需轉(zhuǎn)向功能。小車的負(fù)載能力超過3公斤，能夠跨越一定維度的阻礙物，可以運用于一些使用要求較高的場景。小車以STM32單片機(jī)為控制核心，配合外圍電路完成路徑探測、信號采集、障礙物檢測、指令輸入、信號顯示、運行狀態(tài)控制等功能。

本設(shè)計采用脈沖調(diào)制的紅外反射收發(fā)機(jī)感知道路通行狀況，利用IR傳感器超聲波傳感器采集前進(jìn)方向周圍的障礙物狀況。脈沖調(diào)制紅外收發(fā)器探測道路上的黑線信息，轉(zhuǎn)換成一個穩(wěn)定的水平信號發(fā)送給單片機(jī)，然后單片機(jī)處理信號。黑色軌道的光反射能力最弱，傳感器返回給單片機(jī)的信號是高電平1，而軌道兩側(cè)的全白色的光反射能力最強，傳感器返回給單片機(jī)的信號是低電平0，此狀況下.小車往前移動。在其他情況下，小車會根據(jù)傳感器采集信息進(jìn)行運算，自動調(diào)整自己的運行方向，從而實現(xiàn)沿黑色軌道正確行走。

本小車的避障功能由車身前方的超聲波傳感器和車身兩側(cè)的IR傳感器構(gòu)成。因為超聲波傳感器對被測對象的坡度有一定要求，而IR傳感器對坡度則無要求，但其對光線卻有其他要求，所以將它們結(jié)合一起工作。超聲波傳感器可以通過距離測量來判斷障礙物，一旦距離小于某一固定值，小車即轉(zhuǎn)向，同時結(jié)合車身兩側(cè)IR傳感器實時信息，可以進(jìn)一步實現(xiàn)準(zhǔn)確避障功能。超聲波傳感器通過單片機(jī)的2號中斷控制小車前進(jìn)，與此同時單片機(jī)對車身兩側(cè)IR傳感器返回的信號進(jìn)行查詢，確定小車應(yīng)采取的正確控制狀態(tài)。左前方右前方避障傳感器是一種脈沖調(diào)制反射紅外發(fā)射機(jī)接收機(jī)，但容易受到光的影響。超聲波模塊距離測量要求被測物體的傾斜度。兩者的結(jié)合不僅可以不受被測物體傾斜度的影響，還可以檢測不同高度的障礙物，提高了檢測的準(zhǔn)確性和全面性，提高了避障的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 車身結(jié)構(gòu)的確定

可移動機(jī)器人行動機(jī)制通常有履帶式、車輪式、步行式以及混合型幾種。其中履帶式和車輪式機(jī)器人適用于道路狀況比較好的場景，而步行式機(jī)器人適用于道路狀況比較差的場景.混合型機(jī)器人則能夠靈活適應(yīng)各種道路狀況。在各種實際應(yīng)用的移動機(jī)器人中，車輪式機(jī)器人是最為常見的。此類機(jī)器人出現(xiàn)時間較長，機(jī)械設(shè)計方面的技術(shù)相對比較成熟。本智能小車的設(shè)計初衷就是工作在一個相對較好的道路環(huán)境當(dāng)中，因此采用了車輪式轉(zhuǎn)動機(jī)制。機(jī)器人整車的基礎(chǔ)部件包含有車架、電池、直流電動機(jī)、車輪等。

2.2 控制系統(tǒng)方案

本文設(shè)計的智能小車控制系統(tǒng)具有CAN總線通信、障礙物探測、主動避險、無線通信等基本功能。根據(jù)功能需求規(guī)范，小車的整個控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、障礙物探測模塊、馬達(dá)驅(qū)動模塊、通信擴(kuò)展模塊、供電模塊等組成。在具體的實現(xiàn)過程中，各個功能模塊的軟硬件部分做到盡量相對獨立，從而為后期的維護(hù)和升級服務(wù)提供方便。

2.3 電力系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中智能小車的主要電力消耗是在電機(jī)驅(qū)動和控制電路中。主控制器電源是+3.3V，電機(jī)驅(qū)動芯片電源是+5v，電動機(jī)驅(qū)動電源是+12V，所以+12V可以選擇作為系統(tǒng)的主電源，并可通過添加電源轉(zhuǎn)換芯片電路獲得+5V和+3.3V。系統(tǒng)電源選用+ 12.6V系列鋰電池，從而+12V電壓可直接從電池組獲得。

2.4單片機(jī)的選型

本智能小車的中央控制器選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32 F103VCT6芯片，它能夠完全勝任電機(jī)控制、傳感器信息采集、外部通信擴(kuò)展等任務(wù)。其Thumb 2指令集更是帶來了超高的指令效率和性能。它通過耦合嵌套向量中斷控制器，可以更快地響應(yīng)事件中斷信號。該處理器具有三種低功耗運行模式和更為靈活機(jī)動的時鐘控制機(jī)制，同時還可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求進(jìn)行相應(yīng)的合理優(yōu)化。

2.5 障礙探測模塊

障礙物探測功能是體現(xiàn)智能車輛導(dǎo)航能力高低的重要保障。在小車的日常工作過程當(dāng)中，傳感器其實就是擔(dān)當(dāng)了小車的“眼睛”，一旦其探測到了障礙物和相關(guān)距離信息，導(dǎo)航算法就能做出對應(yīng)的線路規(guī)劃，從而實現(xiàn)主動避障。一般用于障礙物探測的傳感器主要有IR傳感器、超聲波傳感器和激光測距儀。激光測距儀是利用激光器作為光源進(jìn)行測距，其原理和結(jié)構(gòu)相對簡單，可以日夜作業(yè)，但價格較高。超聲波測距是通過測量聲波從發(fā)射到接收過程的經(jīng)過時間長短來計算距離大小。超聲波檢測快速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度上能夠滿足工業(yè)實踐的要求，因此在移動機(jī)器人的發(fā)展過程中得到了廣泛的應(yīng)用。但在實際應(yīng)用過程當(dāng)中，由于超聲波的發(fā)射波束角度較大，方向性就比較低，從而只能簡單地探測到障礙物的存在，無法獲取其準(zhǔn)確的空間信息。IR傳感器則具備方向性強、探測角度不大的優(yōu)點，不過它卻不能準(zhǔn)確地確定障礙物的距離遠(yuǎn)近。所以本系統(tǒng)綜合使用超聲波傳感器和IR傳感器，通過數(shù)據(jù)融合來計算獲得障礙物的方向角度和距離遠(yuǎn)近信息。

2.6 通信擴(kuò)展模塊

本智能小車是由上述控制器、電機(jī)驅(qū)動電路和若干傳感器組成的半自主式的移動機(jī)器人系統(tǒng)。它能夠通過傳感器快速感知周圍環(huán)境，依靠自身的規(guī)劃算法做出相應(yīng)的決策，并進(jìn)行主動調(diào)整、路徑優(yōu)化、速度控制等。但是由于外部工作環(huán)境具有高度的不確定性和復(fù)雜性，小車的行為在特殊的情況下，還是需要一定程度的人工干預(yù)。因此小車還必須有一個與外界進(jìn)行人機(jī)信息交換的通道，也就是需要設(shè)置一個通信接口。本系統(tǒng)的主控制器STM32 F103VCT6具有CAN、12C、SPI、USB等多種擴(kuò)展通信外設(shè)接口。本設(shè)計的通信模塊同時具備有線通信和無線通信兩大部分。有線通信功能主要是由CAN總線通信提供，而無線通信功能則主要是由ZigBee和WiFi提供。

3 結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展和人類對公共交通的需求，以及人工智能水平的不斷提高，汽車工業(yè)也得到了空前迅速的發(fā)展，對汽車的研究也越來越受到人們的關(guān)注。全國電子競賽、省市電子競賽和全國高校每年舉辦的競賽也都有關(guān)于智能小車的主題。因此，各方對這一課題的研究都給予了極大的重視，這也體現(xiàn)了它的重要意義。本文以STM32芯片為核心的智能小車為研究對象。它由電源模塊、紅外傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、調(diào)試模塊和單片機(jī)模塊組成，主要通過超聲波和跟蹤板采集信息，實現(xiàn)智能跟蹤和避障。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2019-12-02

作者簡介：包子建（1975-），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)和信息服務(wù)方面的教學(xué)和研究。