一種多功能智能化探測小車的設(shè)計

趙新陽 劉博遠 馬曉春 薛興樂 張恒毅

摘? ?要：針對目前日益增多的因路面質(zhì)量問題產(chǎn)生的不安全現(xiàn)象，為了及時掌握路面狀況，避免此類問題的發(fā)生，基于STM32F407單片機系統(tǒng)，設(shè)計了一款集多種路面探測功能為一體的智能化探測小車。相比于目前大部分探測小車探測指標(biāo)單一的缺點，該小車擁有激光測距，紅外測溫，測量濕度等多種功能，通過小車檢測所得到的數(shù)據(jù)均為衡量路面質(zhì)量指標(biāo)計算過程中所不可缺少的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：多功能? 激光測距? 溫濕度? 路面質(zhì)量

我國私家車輛的保有量隨著人民生活水平的提高而逐年增加，因此對于路面質(zhì)量的要求也在逐步提高，近些年以來經(jīng)常出現(xiàn)地面坍塌的事故，地面陷落對于車輛和行人都會帶來極大的危險，只有實時對路面質(zhì)量進行監(jiān)測，及時對路面進行養(yǎng)護才能夠發(fā)現(xiàn)并消除路面存在的不安全因素，除了車輛行駛的路面以外，公園以及足球場等地的道路質(zhì)量監(jiān)測也是十分重要的。衡量路面質(zhì)量的指標(biāo)有很多種，其中包括有路面平整度，地表溫度，道路濕度等，其中較為重要的指標(biāo)是路面平整度指標(biāo)，其測量方法大致分為三米尺測量，水準儀高程測量，激光平整度測量等方法，綜合各種方法的探究，激光法更被廣泛應(yīng)用。目前用于監(jiān)測路面質(zhì)量的儀器大多數(shù)價格偏高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于普及到各種道路上，對于一些非主干路面可能無法實時地對其進行質(zhì)量檢測，增加了安全隱患。

為解決上述問題，實現(xiàn)對大多數(shù)路面進行初步測量，本文設(shè)計一種多功能智能化探測小車，應(yīng)用激光測距傳感器測量從激光探頭到路面的垂直距離，采集到的數(shù)據(jù)是計算國際平整度指數(shù)IRI所不可缺少的，可以給路面平整度的測量提供技術(shù)支持。小車利用紅外溫度傳感器測量路面溫度、利用濕度傳感器采集相關(guān)地面濕度，能測試多種指標(biāo)，能夠?qū)崟r且較為全面地監(jiān)控路面質(zhì)量。

1? 小車系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 探測小車簡要概述

多功能探測小車的系統(tǒng)主要由檢測、控制以及驅(qū)動三個部分組成。利用布置在小車上的多種傳感器來檢測路面信號，信號數(shù)據(jù)輸送給單片機，由單片機進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換運算，電機負責(zé)控制小車移動。檢測部分主要有激光測距模塊，紅外測溫模塊，以及濕度測量模塊，微處理器即STM32F407單片機，驅(qū)動部分主要是由電機模塊構(gòu)成，藍牙模塊作用為傳輸數(shù)據(jù)，顯示器作用為顯示信號與數(shù)據(jù)。系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.2.1 微處理器控制模塊

該模塊利用搭載小車上的外部傳感器處理路面信息，發(fā)送處理結(jié)果信號給控制器，隨后，控制器根據(jù)結(jié)果信號做出回應(yīng)，控制電機行進，保證其正常工作。因此控制器可以控制電機。

系統(tǒng)使用STM32F407單片機作為智能化的探測電動車控制中心，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的性能，而且能夠改善多功能智能化探測電動車的檢測水平，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。控制系統(tǒng)的核心是讓多功能智能化的探測電動車實現(xiàn)自我控制，由此來看，單片機因操縱更快捷、方便，所以具有更多的使用優(yōu)勢，該小車用到的STM32F407單片機運算能力強，編程靈活而且具有自由度高，消耗低等特點，價格適中，綜合上述考量選擇該類型單片機作為系統(tǒng)的核心。

1.2.2 電機模塊

該智能探測小車使用步進電機，其優(yōu)點在于可以做到精準輸出，當(dāng)對其施加所需的脈沖序列時，電機便可依照人們設(shè)定的數(shù)據(jù)、速度或方向連續(xù)地工作運轉(zhuǎn)，便于進行控速，但編寫程序較直流來說稍復(fù)雜。綜合考慮選用步進電機作為探測電動車的電機。

1.2.3 激光測距模塊

激光測距模塊是利用激光探頭來監(jiān)測路面狀況信息，將測到的從探頭到路面的垂直距離數(shù)據(jù)傳送到單片機進行處理。在通電的情況下，激光發(fā)送探頭發(fā)出信號，遇到路面后再將信號反射回激光接收探頭。由于激光線與不同高度的反射機制不一樣，可以根據(jù)反射回來信號的強弱，判斷出路面高度的變化，間接地反映出路況。在本模塊中應(yīng)用激光測距傳感器來進行路面高度的測量，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝在探測小車上，雖其測量精度不及其他的激光測距儀器高，但是其測量數(shù)據(jù)的誤差仍然在合理的范圍之內(nèi)，故選用該傳感器測量。

1.2.4 濕度測量模塊

小車選取DHT11型數(shù)字溫濕度傳感器，其信號輸出形式為數(shù)字量，有數(shù)字模塊采集和濕度傳感的復(fù)合型功能，可以提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)部有感濕軟件和測溫軟件，此軟件需要與一款性能較高單片機相連，該小車所采用的STM32F407單片機符合要求。此傳感器工作環(huán)境應(yīng)為濕度校驗室，且傳感器要在該環(huán)境中進行校準，得到的相關(guān)系數(shù)要以特殊形式置于在OTP存儲器內(nèi)，以便更好地幫助傳感器檢測信號。模塊選擇單線制的串行接口能夠使整個系統(tǒng)運行得更加快速。模塊體積比較小、耗費能量低、傳輸距離較大，綜上模塊適用于條件比較嚴苛的場合。

1.2.5 藍牙模塊

搭載到小車上的藍牙模塊具體有兩種工作方式：命令響應(yīng)和自動連接，對于命令響應(yīng)的工作方式，使用者通過發(fā)布指令對模塊的參數(shù)進行具體的設(shè)定和控制。對于自動連接方式，藍牙模塊可以作為主機和從機等工作模式。選擇一個固定的模式之后需按照提前設(shè)置好的方法自動進行數(shù)據(jù)傳輸工作。藍牙模塊可以通過串口和相關(guān)控制設(shè)備等進行數(shù)據(jù)傳輸，以供人們實時監(jiān)控路面的質(zhì)量。

1.2.6 紅外傳感測溫模塊

小車選用熱電堆式紅外溫度傳感器，以非接觸方式對路面表面進行測溫;路面會向外產(chǎn)生紅外輻射，其紅外輻射通量密度與路面本身產(chǎn)生紅外輻射的能力相關(guān)，地表溫度與路面發(fā)出的輻射強度成一定的比例關(guān)系，路面產(chǎn)生的紅外輻射能量隨著溫度的升高而增加，傳感器采集完路面數(shù)據(jù)之后輸出相應(yīng)電壓信號，經(jīng)放大電路放大后傳給微處理器進行數(shù)據(jù)處理。該紅外溫度傳感器，測量精度較高，熱慣性小;滿足小車的正常需要并使小車實用性提高。

1.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

智能探測小車的工作流程為：系統(tǒng)通電后，通過步進電機驅(qū)動小車前進，布置在小車上的多個傳感器構(gòu)成了一個實時的檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地檢測有關(guān)路面質(zhì)量的各種數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)傳給單片機，最終將通過單片機轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)藍牙模塊傳給相關(guān)人員進行參考。系統(tǒng)具體的工作流程如圖2所示。

2? 實驗分析

該智能探測小車裝載三個GY-530 VL53L0X型激光測距傳感器測量從激光探頭到地面的垂直高度變化情況，三個傳感器分別放在車的前部，中部以及后部，可以很好地降低車輛抖動帶來的誤差問題，檢測時以中部傳感器為基準，前后部傳感器為輔助參考，以應(yīng)對復(fù)雜地形的檢測。

本實驗?zāi)M了帶有凸起及凹陷的不同路況，將測得的數(shù)據(jù)分析校驗，檢驗測量結(jié)果的精準度，當(dāng)實際誤差小于設(shè)定數(shù)值后，進行實際路面實驗。本實驗使用TS118-3型紅外溫度傳感器探測地面溫度，放置在小車底盤中部，該傳感器是一種非接觸式溫度傳感器，能夠在電動車運轉(zhuǎn)的過程中獲得地面溫度值，因?qū)嶒灄l件限制，在實驗中設(shè)置了溫度值分別為-28℃、0℃、20℃、50℃的模擬路面進行測試，測試溫度范圍涵蓋了基本路面所能達到的溫度。本實驗還將DHT11型濕度傳感器放置在小車底盤中前端。實驗中傳感器輸出的數(shù)據(jù)均可以在小車上安裝的LED屏上顯示，并且通過藍牙模塊將實時的路面情況傳遞給相關(guān)人員進行監(jiān)測。

3? 結(jié)語

本文所設(shè)計的多功能探測小車以STM32F407單片機為核心，集激光測距，紅外測溫和測量濕度等功能為一體，達到了同時測量多種指標(biāo)的功能，可以實時監(jiān)測路面的相關(guān)狀況，并且能對路面質(zhì)量進行初步測量，便于相關(guān)人員對緊急情況做出相應(yīng)處理。 鑒于傳感器的測量精度以及路面環(huán)境情況等外界因素影響，小車數(shù)據(jù)會存在一定的誤差，這是該小車仍需進一步完善的地方。

參考文獻

[1] 鄭正祥.城市公共停車服務(wù)經(jīng)營管理要點及對策[J].中國集體經(jīng)濟，2018（8）：50-51.

[2] 張明，葉巧玲，馮曉.路面平整度檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（4）：112-114，127.

[3] 蔡虎. 車載式路面平整度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].南京理工大學(xué)，2010.

[4] 毛靜.基于STC89C52單片機的智能窗設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014，22（24）：20-22.

[5] 秦向攀. 面向模塊化移動機器人的無線自組網(wǎng)控制系統(tǒng)研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2015.

[6] 滿達. 基于STM32單片機的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[D].華北水利水電大學(xué)，2016.

[7] 任峰. 基于Android系統(tǒng)的運動裝置無線控制器的開發(fā)[D].西安石油大學(xué)，2017.

[8] 彭迪. 基于ZigBee和TS118-3的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].南昌航空大學(xué)，2013.