基于STM32F407ZET6 的智能小車循跡避障設(shè)計(jì)

趙煥娣，譚宇飛，秦運(yùn)柏，李顏帆

（廣西師范大學(xué)，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展與進(jìn)步，多學(xué)科融合已成為未來(lái)科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能機(jī)器人的應(yīng)用在世界上越來(lái)越廣泛，逐步在各個(gè)領(lǐng)域都有所涉及；在軍事偵察、地質(zhì)勘測(cè)、掃雷排雷等人類作業(yè)難度較大的領(lǐng)域以及對(duì)惡劣環(huán)境的監(jiān)測(cè)工作中都有廣泛的應(yīng)用前景[1]。智能小車作為智能機(jī)器人的一個(gè)分支集中運(yùn)用了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)、自動(dòng)控制等；本次設(shè)計(jì)的基于STM32 循跡避障小車屬于智能機(jī)器人中移動(dòng)機(jī)器人的分支，該小車實(shí)現(xiàn)了對(duì)周圍障礙物的感知并進(jìn)行躲避，根據(jù)激光測(cè)距傳感器、紅外傳感器、顏色傳感器相互配合統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)循跡避障功能。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本次系統(tǒng)主要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人范疇的循跡避障小車進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)研究討論放棄使用8 位單片機(jī)作為主控器，改成32 位的STM32F40ZET6 作為本次小車設(shè)計(jì)的主控器，其主要原因在于32 位單片機(jī)具有更高頻率的處理速度，能做到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，且在IO 口上具有數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，有足夠的通信口用于調(diào)用各類傳感器，最高主頻為128MHz 可進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸處理而八位單片機(jī)最高主頻為20MHz 不滿足要求，故選擇32 為單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控器。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是用通過(guò)顏色傳感器來(lái)識(shí)別賽道中的顏色將路線顏色區(qū)分出來(lái)并進(jìn)行路線規(guī)劃，而顏色傳感器中帶有灰度識(shí)別能很好地區(qū)分開(kāi)白色與其他顏色從而增強(qiáng)對(duì)于白色線路的識(shí)別，再配合激光測(cè)距模塊進(jìn)行避障處理。

系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、主控模塊、語(yǔ)言播報(bào)模塊、二自由度舵機(jī)平臺(tái)、激光測(cè)距模塊、顏色傳感器模塊組成。如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總構(gòu)成

2 智能車硬軟件設(shè)計(jì)

■2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 MUC 主控電路

STM32F407ZET6 單片機(jī)是一種集成電路芯片。該芯片具有高達(dá)192+4 千字節(jié)的SRAM，包括64 千字節(jié)的CCM（核心耦合內(nèi)存）數(shù)據(jù)RAM，最高主頻高達(dá)168MHz，最多1 兆字節(jié)的閃存可以瞬間燒錄代碼，靈活的靜態(tài)內(nèi)存控制器，支持緊湊型閃存、SRAM、PSRAM、NOR 和NAND 存儲(chǔ)器，3 個(gè)12 位，2.4 MSPS 高精度A/D 轉(zhuǎn)換器：最多24 個(gè)通道可至多接收24 個(gè)傳感器信號(hào)，如圖2 所示。

圖2 MCU 主控電路

2.1.2 車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本次采用RZ7899 作為小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，由上圖1中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成，用以驅(qū)動(dòng)24V900 轉(zhuǎn)390 減速電機(jī)，RZ7899 是一款 DC 雙向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，它有兩個(gè)邏輯輸入端子用來(lái)控制24V900 轉(zhuǎn)390 減速電機(jī)前進(jìn)、后退及制動(dòng)。該電路具有良好的抗干擾性，微小的待機(jī)電流、低的輸出內(nèi)阻，同時(shí)，他還具有內(nèi)置二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流。其引腳功能如表1 所示。

表1 RZ7899功能表

BI、FI 引腳與主控器隨意IO 口相連，F(xiàn)O，BO 引腳與電機(jī)相連，給FI 輸入高電平BO 輸入低電平控制小車前進(jìn)；給FI 輸入低電平BO 輸入高電平控制小車后退；輸出都為高時(shí)小車不動(dòng)；輸出都為低時(shí)小車原地旋轉(zhuǎn)可用該功能控制小車左右轉(zhuǎn)。其原理圖設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

2.1.3 力臂舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

二自由度可控舵機(jī)云臺(tái)使用重量為15kg 的MG996R 舵機(jī)來(lái)進(jìn)行云臺(tái)的轉(zhuǎn)向控制，該舵機(jī)具有大扭矩高精度的特點(diǎn)，配合U 型橫梁可以輕松載動(dòng)10kg 物體，云臺(tái)采用兩個(gè)MG996R 舵機(jī)來(lái)分別控制云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)向以及俯仰角度。舵機(jī)通過(guò)PWM 脈沖信號(hào)的控制才能控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)脈沖寬度一般在500～2500μs，而PWM 脈沖信號(hào)需要由單片機(jī)來(lái)控制發(fā)出，故需要將舵機(jī)與主控器相連。舵機(jī)擁有三條線分別為地線、電源線、信號(hào)線；地線與主控器的GND 引腳相連達(dá)成共地，電源線與穩(wěn)壓電路輸出的3.3V 電源線相連，信號(hào)線與主控器的PA6 和PA7 相連。接口原理圖如圖4 所示。

圖4 二自由度舵機(jī)云臺(tái)電路

通過(guò)二自由度舵機(jī)云臺(tái)控制小車機(jī)械底盤(pán)上的平臺(tái)進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)。作為后續(xù)擴(kuò)展搭載其他模塊使用，舵機(jī)通過(guò)PWM 脈沖信號(hào)控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)主控器發(fā)出的不同時(shí)間的高電平脈沖，從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角大小。此舵機(jī)轉(zhuǎn)角較大，可調(diào)范圍達(dá)到0～270 度，使用100Hz 的PWM 波控制可以做到0.3sec/(2000 脈寬單位)。

這里使用兩路FTM 產(chǎn)生兩支同頻率的100HzPWM 波。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)角。控制過(guò)程中關(guān)鍵的一點(diǎn)是，為了能夠讓云臺(tái)的角度可以平滑穩(wěn)定變化，需要PWM 波的占空比緩慢均勻的變化，這里是采用占空比每改變0.01%就延時(shí)10ms，使云臺(tái)可以保證均勻速度的前提下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.4 循跡電路

本次采用BV-LX101 顏色傳感器來(lái)識(shí)別地面的白線，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡功能，BV-LX101 自帶三種模式，顏色模式、色標(biāo)模式、對(duì)比模式光強(qiáng)可調(diào)，帶有輸出時(shí)間調(diào)制功能0.01～9.99s 可調(diào)對(duì)比市面的其他產(chǎn)品擁有更高的反應(yīng)力，該模塊使用5V 直流供電，與主控器的一個(gè)IO 口相連接，輸出高控制顏色傳感器開(kāi)啟，輸出低控制顏色傳感器關(guān)閉。可從R·G·B LED 三種顏色中選擇最佳的顏色搭配。傳感器的色標(biāo)模式裝備了“最佳LED 自動(dòng)選擇功能”，以自動(dòng)選擇將色標(biāo)和底色對(duì)比(S/N 比)最大的LED，進(jìn)行最佳檢測(cè)。因?yàn)椴皇歉鶕?jù)色標(biāo)和底色的反射光量差距而是根據(jù)兩者的對(duì)比來(lái)自動(dòng)辨別LED，所以能進(jìn)行更為穩(wěn)定的檢測(cè)。并將測(cè)得數(shù)據(jù)通過(guò)異步串行通信將識(shí)別到的顏色信息傳達(dá)給主控器處理，以完成循跡的功能。其原理圖如圖5 所示。

圖5 顏色傳感器模塊

2.1.5 避障電路

本次的避障功能由激光測(cè)距傳感器完成，基于測(cè)距精度的要求，本設(shè)計(jì)采用的測(cè)距模塊為MVR 系列的激光測(cè)距模塊，該模塊基于TOF（飛行時(shí)間）技術(shù)，有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其大小僅為一個(gè)一元硬幣大小，極大地節(jié)省了PCB 的設(shè)計(jì)空間，測(cè)距快，室內(nèi)外工作效果佳。該模塊采用850nm 激光光源，使測(cè)量距離達(dá)到30cm～14m，厘米級(jí)精度，控制簡(jiǎn)單，可以連續(xù)測(cè)量也可以單次測(cè)量。該測(cè)距模塊經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏囟取h(huán)境光及線性補(bǔ)償，在不同環(huán)境下均可得到精準(zhǔn)的距離信息。該測(cè)距模塊自帶窄帶濾光片能夠有效阻擋紅外線，消除干擾光，多用于無(wú)人機(jī)避障、煤料運(yùn)輸測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人避障，最遠(yuǎn)測(cè)量距離14 米。

MVR 系列激光測(cè)距模塊通過(guò)異步串口來(lái)與主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該模塊一共有7 個(gè)引腳，其中PIN5為模組接收數(shù)據(jù)引腳、PIN6 為模組發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，分別與主控器的PA2 和PA3 相連，用UART 串口與主控器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，使主控器做出避障判斷，原理圖如圖6 所示。

圖6 MVR 系列激光測(cè)距模塊

MVR 系列激光測(cè)距模塊帶有一個(gè)發(fā)射鏡頭和一個(gè)接收鏡頭，測(cè)距模塊采用紅外TOF 技術(shù)，通過(guò)發(fā)射鏡頭發(fā)射紅外光信號(hào)，經(jīng)過(guò)目標(biāo)板，反射到接收板上從而完成測(cè)距。

測(cè)距模塊會(huì)計(jì)算通過(guò)調(diào)制的紅外光信號(hào)，在接收鏡頭接收到反射的光信號(hào)后返回到測(cè)距模塊接收傳感器的時(shí)間來(lái)計(jì)算出相對(duì)距離。

如圖7 所示，假設(shè)FOV 投射的距離d1=5m 時(shí)的面積為144cm2，此塊區(qū)域會(huì)被線性地測(cè)算出距離。如果多個(gè)物體被放置在測(cè)距模塊的FOV 范圍之內(nèi)，會(huì)影響到測(cè)算的距離。

圖7 MVR 系列激光測(cè)距模塊測(cè)距原理

■2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序流程圖

通過(guò)初始化各模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)智能小車的軟件設(shè)計(jì)。將各傳感器采集信息通過(guò)數(shù)字信號(hào)的形式傳輸?shù)捷斎胍_，通過(guò)主控器單片機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理而后控制智能車正常運(yùn)行，本次使用 Keil μVision4 軟件來(lái)進(jìn)行小車軟件的編程設(shè)計(jì)，使用最接近底層的C 語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編碼，其主程序流程圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程圖

本次設(shè)計(jì)中，規(guī)定白線為小車的行進(jìn)路線，綠色區(qū)域?yàn)樾≤嚨竭_(dá)的終點(diǎn)，其他顏色區(qū)域?yàn)樾≤嚥辉撔羞M(jìn)區(qū)域。在系統(tǒng)上電后優(yōu)先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，初始化中對(duì)系統(tǒng)的所有IO口中斷配置以及串口配置進(jìn)行初始化設(shè)定，因?yàn)轭伾珎鞲衅魇钦龑?duì)著小車的下方，故無(wú)需計(jì)算顏色傳感器檢測(cè)區(qū)域與小車的距離，當(dāng)顏色傳感器識(shí)別到白線且激光測(cè)距的距離大于3cm 時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)模塊，播報(bào)聲以滴滴兩聲作為前行提示目的是提示目前的狀態(tài)。

2.2.2 顏色傳感器實(shí)現(xiàn)循跡流程圖

本次設(shè)計(jì)中使用到兩個(gè)串口，故對(duì)顏色傳感器和激光測(cè)距傳感器都設(shè)定了從機(jī)地址；顏色傳感器的從機(jī)地址為0X55，BV-LX101 顏色傳感器有一個(gè)使能口用于控制其開(kāi)啟和關(guān)閉，主機(jī)輸出高電平開(kāi)啟，輸出低電平關(guān)閉。在開(kāi)始通信前主機(jī)的PB10 口輸高電平確保顏色傳感器處于開(kāi)啟狀態(tài)，而后開(kāi)始進(jìn)行串口通信；當(dāng)檢測(cè)到白色、綠色、其他顏色時(shí)分別返回三種不同的數(shù)據(jù)給主機(jī)處理以此完成循跡功能，具體流程如圖9 所示。

圖9 顏色傳感器實(shí)現(xiàn)循跡流程圖

■2.2.3 激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)避障流程圖

本次設(shè)計(jì)中激光測(cè)距傳感器的從機(jī)地址為0X56，該傳感器無(wú)需控制開(kāi)啟，主要電池保持有電，激光測(cè)距傳感器便一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。在與主機(jī)成功通信后激光測(cè)距傳感器便會(huì)返回所測(cè)得的數(shù)據(jù)，返回的數(shù)據(jù)為16 進(jìn)制，以毫米為單位，經(jīng)過(guò)主機(jī)程序處理后完成避障的功能，具體操作流程如圖10 所示。

圖10 激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)避障流程圖

3 結(jié)論

本文采用激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)了智能小車的自主避障功能，且依據(jù)綠、白線對(duì)光的反射系數(shù)不同來(lái)控制智能小車的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)了智能小車的循跡功能。通過(guò)對(duì)智能小車的避障、循跡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，大大提高了小車的實(shí)用價(jià)值。