模塊化全地形無人小車的設計

蘭春萍，龐浦生，祝海強，荘濱賓，吳萬利

（玉林師范學院 物理與電信工程學院，廣西玉林，537000）

1 系統整體設計

本小車基于STM32F407ZGT6 單片機，控制系統如圖1 所示。

圖1 控制系統結構

本全地形無人小車采用STM32F407ZGT6 單片機作為主要的控制單元，在系統通過接收加速度陀螺儀模塊及超聲波測距模塊的電信號時，判斷小車在外界所處于的相應地形，從而在單片機的主控發送相應的信號給舵機控制模塊和電機驅動模塊，控制小車繼續前行的路線以及行走方式，實現對小車的智能化，無人化的控制。由于采用了模塊化的設計，該無人小車的各個功能模塊及各功能模塊與其他零部件、設備之間可輕松實現耦合連接[1]。

2 硬件各功能模塊的設計與實現

2.1 系統控制核心

本設計小車主要采用以STM32F407ZGT6 單片微型機為主的控制器件，其主控芯片同時也是一個微控制器模塊，采用了高性能ARM?-M432 的RISC 核心，運算速度可以達到168MHz，甚至還能夠使用設計時鐘實現更快的速率，同時使用FPU 和DSP 指令，多達144 個接口，其中包括114 個IO 接口，主要用于SWD 和JTAG 測試，內存容量包括1024K 的FLASH，還具有192K 的SRAM。由于STM32F407ZGT6 具備穩定性強，抗干擾能力強的優勢，所以采用了該芯片作為小車的主控，車輛通過使用該芯片接受各模塊的反饋數據，對各模塊和外界環境間的反應信息加以讀取，并加以分析處理，對外部環境的改變因而采取相應工作模式，從而調節各電機的驅動，以及工作速率的大小，以實現車輛能夠滿足在全地形運動的目的。STM32F407ZGT6單片機原理圖如圖2 所示。

圖2 STM32F407ZGT6 單片機原理圖

2.2 加速度陀螺儀模塊

本設計小車還安裝了2kHz 九軸電子羅盤IMU 傾斜位置傳感器MPU9250，而MPU9250 則是一種QFN 封裝的運動復合器件(MCM)，它由兩部分組成。一種是三軸加速度以及三軸陀螺旋轉儀，另一組則是AKM 公司的AK8963 三軸磁力計。所以，MPU9250 是一款九軸移動追蹤設備，其在小小的3mm×3mm×1mm 的包裝中融入了三軸加速度，三軸旋轉陀螺儀及其數字處理器(DMP)從而具有MPU6515 的功能。其完美的I2C 方案，可直接輸出九軸的全部數據[2]。一體化的系統，運動式的融合，以及時鐘校正系統，使設計者避免了繁瑣復雜的器件選型和外設管理，以確保了良好的穩定性。該傳感器使用的加速度計和微陀螺儀低成本小體積且性能穩定。采用卡爾曼濾波技術，把加速度計和陀螺儀得到的信息綜合在一起以實現車輛傾角信息的最優計算，進而實現車輛的對自然環境中的車速調節、方位控制和變速功能，達到車輛對自然環境更高的適應能力[3]。圖3 為MPU9250 模塊電路圖。

圖3 MUP9250 模塊電路圖

2.3 超聲波測距模塊

其機身上搭載了HC-SR04 超聲波感應器組件，HC-SR04 超聲波測距模塊可進行最高4m 范圍的非接觸式近距離感測操作，探測范圍準確度可至3cm，根據功用分為超聲波探測的發射機，接收機以及控制電路[4]。通過IO 觸發測距，在傳感器的端口提供一個10μs 的高頻電流信號，從超聲波發送口接收聲音并發出8 個40kHz 的頻率信號，能夠檢測出是否有聲音回路。然后開啟定時器，待傳感器輸出響應聲音，回響的輸出頻率與被測量時間成正比，根據最大量程和聲音的頻率，測量的時間間隔一般為60ms 以上，然后根據時鐘時間間隔測量計算長度[5]。當小車檢測到障礙物和輪子的距離過近時，會啟動避障程序，從而使小車避障能力得到有效改善。模塊性能穩定，測度距離精確，隨時監測距離，能使小車有效避開障礙物。實現小車在地形中的避障能力。

2.4 舵機控制模塊

當小車在對地形的操控中，就使用了RDS3218 舵機控制單元。舵機，它的學名稱為伺服電機，這是一個裝有輸入輸出軸的小器件。當計算機對伺服機發出一種操控信息后，輸入輸出軸就會旋轉到一定的角度。而只要操控信息維持恒定，伺服機制就能維持軸的角度位置不變化。而只要操控信息變化，輸入輸出軸的角度就會隨之變化。而操舵系統控制器模塊可以作為一個伺服的驅動器，應用在一個需要方向的變化并能夠保持的道路控制系統上，當車輛感覺到地形的變化后，其控制器芯片產生一定的信息并傳給舵機系統控制器模塊，使舵機系統轉動至某個適合于地形的方位并靜止，以此適應地形，從而使車輛可以很容易地通過各種不同地形。而且在使用的模塊為大扭矩的舵機控制模塊，在能適應車身自身重量的同時，還能保證著控制的靈敏度，在地形跨越有更優越的性能。

2.5 電機驅動模塊

在電力驅動領域，常使用的L298N 電力驅動器件。L298N，是一個接受較高電壓電流的電機驅動器件，是由意法半導體公司的量產的一個電力驅動器件，具有工作電壓高、輸出電流大、驅動功能多、發熱量小、抗干擾能力好的優點，一般用于驅動繼電器、螺紋管、電磁閥、直流電機和步進電機。該芯片具有高壓大電流的全橋驅動芯片，控制方便，穩定性好，性能優良[6]。在小車的控制方面有很大的優勢，小車穿過不同地形時，可根據地形的復雜程度控制PWM 的占空比控制轉速，控制小車的穩定性能，防止小車在行駛時失去平衡導致側翻，從而保證了小車在行駛中穩定優越性。圖5 為L298N 電路圖。

圖4 HC-SR04 超聲波感應器

圖5 L298N 電路圖

3 軟件

3.1 程序初始化

控制直流電機和舵機需要PWM 方波，該小車的主控STM32F407ZGT6 內置多個定時器，可以用于產生PWM方波，PWM 方波就是一段由相同周期和占空比的方波組成的，當設置好定時器的周期和占空比后，最后再使能定時器，對應的引腳就可以產生PWM 方波了。第二步就是初始化傳感器相關接口，STM32ZGT6 外設有144 個引腳，每個引腳都有相應的功能，引腳可以設置為輸入或者輸出引腳。通過設置引腳的輸入和輸出的設置，單片機就可以實現操控各類外設，并與外設通信。為輸入引腳后，單片機就可以接受外面的信號，設置為輸出引腳，單片機則可以向外輸出使能信號。超聲波傳感器需要兩個IO 口，一個用于觸發信號的輸出，一個用于信號的輸入，超聲波工作的原理是給超聲波一個觸發信號(一個高低電平的跳變)，然后等待輸入信號接口電平由高變低，根據電平由高變低的時間和聲音在空氣中傳播的速度，得出物體的距離。本設計選用的九軸傳感器模塊集成了芯片和傳感器，可以進行串口通信，設置精度，精度越高則每秒生產的數據越少，還有卡爾曼濾波的迭代次數，數據為0 到999，越大則數據變化的越慢，卡爾曼濾波是為了減少因為噪音信號的產生而造成的誤差，使信號的整體波形更平滑，但是也會影響檢測快慢，在一些角度變化過快的場合應該把迭代次數減少以得到更好的效果。

3.2 平衡控制與避障控制

本設計能實現在行駛復雜路面還能平穩行駛，同時遇到障礙物能主動避開的功能。傳感器實時檢測小車是否處于平衡狀態，當四個輪子的高度偏差超過系統設定的閾值時，系統會控制舵機轉動，讓那個水平位置升高的兩個舵機轉動一定角度，使輪子抬起來，調整四個輪子的高度一致，從而實現小車的平衡駕駛。避障則通過小車的超聲波模塊和減速電機來控制，避障則是根據情況來控制的，情況一：當小車的一邊檢測到障礙物，而小車的另一邊沒有時，小車先后退，然后向沒有障礙物的那一邊拐。情況二：兩邊都檢測到障礙物，小車先后退，調整好角度再前進，直到變成情況一。

3.3 無線通信

全地形的無人車輛也可以使用手機等無線裝置來操作，通訊方式為藍牙2.0。選用藍牙通信是經過根據穩定性，準確性，效率等方面考慮的。通過無線通信，可以控制小汽車進行不同的運動，比如啟動和停止，改變車速，也能開啟和關閉用于控制小車平衡的平衡環，可以直接操控小車。該設計的優點在于能在調試過程中更快速，準確地收集各種參數，同時也能使在未來的應用中更加方便。圖6 為小車控制的流程圖。

圖6 軟件控制流程圖

4 結束語

隨著現代社會對智能化發展的需求，運用無人小車在人工智能、精準定位、自主導航、智能操控等技術造福人類。本設計使用巧妙的控制系統使小車懸掛式越過障礙，用單片機使其按照一定的指令工作，提高適應能力，用多種傳感器精準地識別各種地形，有效解決了精準度、安全性、地形限制等問題。