基于STM32的小車跟隨行駛系統設計

摘" 要：跟隨行駛系統是一種連續性跟蹤并檢測運動目標軌跡參數的系統。小車的跟隨行駛系統可以提供跟隨目標的空間定位運動軌跡，不需要過多的人為控制，實現了自動化、智能化。該系統由跟隨小車和循跡小車兩部分組成，主要包括紅外傳感模塊、超聲波距離檢測模塊、電機驅動模塊、電源模塊。采用STM32F103單片機作為小車主要控制芯片，通過PWM技術對運動速度以及舵機的方向進行控制。超聲波測距模塊用于感應跟隨物體的位置，控制跟隨小車與物體之間的距離，使小車可以在檢測到物體停下時停止運動，防止發生碰撞。

關鍵詞：空間定位；循跡；超聲波測距

中圖分類號：TP368" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）10-0194-05

Design of STM32-based Trolley Following Driving System

XU Hao， HE Yuangang

（School of Information Engineering， Chongqing Electric Power College， Chongqing" 400053， China）

Abstract： The following driving system is a system that continuously tracks and detects the trajectory parameters of moving targets. The following driving system of the trolley can provide spatial positioning motion trajectory of the followed target， no need for excessive human control and achieving automation and intelligence. The system consists of two parts： a following trolley and a tracking car， mainly including an infrared sensing module， an ultrasonic distance detection module， a motor drive module， and a power module. The STM32F103 Single-Chip Microcomputer is used as the main control chip for the trolley， and PWM technology is used to control the motion speed and direction of the servo. The ultrasonic ranging module is used to sense the position of the followed object， control the distance between the following trolley and the object， so that the car can stop moving when an object is detected to stop， and prevent collisions.

Keywords： spatial positioning; tracking; ultrasonic ranging

0" 引" 言

隨著目前社會經濟的不斷發展，各式各樣的科學技術在各個行業展現他們特有的魅力，智能小車作為現代的新發明，是以后發展的主要方向，智能小車可以在設定好的程序中根據指定的命令完成既定的要求，不需要過多的人力干擾，減輕人們的勞動強度，降低成本。在市場上的智能小車種類功能也呈現出多樣性[1]，不再僅僅用在科學勘探方面，也常常出現在我們的生活工作之中。智能小車跟隨系統的研發在很久之前就提出了概念，在國內外市場上也有過這方面產品的售賣，但無一不是價格昂貴。在目前，大多數的智能小車也只是實現了按照設定位路線行駛和手動遙控操作的基本功能，很少出現具有跟隨功能的智能小車。小車跟隨行駛系統是指在自動跟隨智能小車在開啟跟隨模式時，能夠自動識別出被跟隨物體的所在方位，利用核心控制系統及跟隨控制系統對被跟隨物體進行一定距離的自動跟隨的系統，是基于機械結構、計算機技術及自動控制原理設計運行控制的系統。

1" 系統方案

整個小車跟隨系統分為主控模塊、紅外傳感模塊、超聲波距離檢測模塊、電機驅動模塊、電源模組成。各模塊的系統框圖如圖1所示。

2" 硬件模塊方案

2.1" 主控模塊

本次的系統模塊選用STM32F103C8T6作為小車跟隨行駛系統的主控芯片，STM32F103C8T6是一款基于Cortex-M3內核的32位微控制器，跟隨小車需要進行實時定位跟蹤、電機控制管理、處理信號等任務，需要較高性能的DSP處理器來實現功能，而STM32F103C8T6的優點便是資源齊全、高性能、低成本、低功耗。程序儲存器容量是64 KB，具有72 MHz的主頻，可以提供高性能的計算和處理能力，支持各種高效算法。因此，該芯片是制作跟隨系統的最優選擇，STM32F103C8T6原理圖如圖2所示。

2.2" 紅外傳感模塊

傳感器模組對外界光線具有較好的適應性，在模組上有一對紅外發射和接收管，白的是發射管，黑的是接收管[2]。在電源啟動的時候，發射管發出一定頻率的紅外光，紅外光反射回的信號在探測距離內碰到反射面時，就會被接收管接收，經過比較器電路處理后，反射回的紅外光信號會在電路板上的綠色指示燈點亮電平，與此同時，信號的輸出口也會輸出一個低電平信號。在必要時，可轉動組件上的電位器，實現對探測范圍的調節[3]。正向調整，檢測距離增加；反向調整，檢測距離減少。有效探測距離為2～30 cm，調整范圍不能超出此范圍，探測角度35°，工作電壓3.3～5 V。其優點是干擾小，組裝簡單，使用方便。由于感測器以紅外反射為主，所以在使用模組時，必須考慮到物體的反射性及外形。其中，黑色的探測范圍最小，而白色的探測范圍最大；小區域目標小，大區域目標大。比較器是采用的LM393，工作較為穩定。通過測試表明，它可以采用3～5 V直流電源對其供電。傳感器模塊及內部電路如圖3、圖4所示。

2.3" 超聲波距離檢測模塊

HC-SR04超聲波測距模塊，采用IO觸發測距，至少10 μs的高電平信號。其工作原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度來實現。當一個高電平信號被觸發器接收后，模塊將產生8個40 kHz的超聲周期。當超聲波作用在一個物體上時，它將被反射回來，并由“Echo”這個裝置的回音針來接收。HC-SR04原理圖如圖5所示。

超聲波測距[4]是通過不斷地探測被超聲波擊中的物體，然后在被超聲波擊中的物體上，不斷地探測回波，從而得出發射和接收的時間間隔，從而得出距離S。圖6為超聲波時序圖[5]，測量期間當從反向傳輸管腳接收到HC-SR04輸出的高電平脈沖時，便可進行下一次的測量，所以測量的時間取決于距離，反向傳輸的脈寬愈小，則測量的時間愈短；研究發現，隨著回波脈寬的增大，檢測所需的時間也隨之延長。該模塊工作標準電壓為5 V，工作電流為5.3 mA，工作溫度為-40～85 ℃，障礙物感應角度小于15°，探測距離為2～600 cm，探測精度為0.1cm±1%。

2.4" 電機驅動模塊

該模塊選用L298N為驅動芯片，完成了對直流減速電機的控制。本次項目所設計的電路具有低發熱、高抗干擾、高驅動等特性，其主要特征為工作電壓高，最高可達到46 V；輸出電流大，瞬間峰值電流達到3 A，連續工作電流2 A；額定功率25 W。該模塊具有雙通道輸出，可對電機進行多種控制與輸出[6]。

除此此外，L298N還可以采用PWM方式對電動機進行調速，利用脈沖調制的方式來控制電動機的電壓，實現電動機的速度。在這個系統的設計中，它是驅動的兩個直流電機，在驅動直流電機的時候，可以直接控制進步電機，從而實現電機的正反向和調速。該模塊通過驅動電源部分，可以使用內置的78M05來實現取電工作當驅動電壓為7～12 V，即VCC電機驅動器端子接通驅動電源時，無須外接電源，只需按下按鈕即可使用78M05供應芯片的電源。但是為了避免穩壓芯片損壞，當驅動電壓大于12 V的時候需要斷開板載使能跳線帽，在邏輯端子外接5 V電源供電。經過實測表明，應用該模塊方案先進有效。模塊實物如圖7、圖8所示。

2.5" 電源模塊

本機電源模塊使用12 V直流電源，為一般之標準配置，具較強之普適性與兼容性。該方案具有較高的可靠性和安全性，較高的能量利用效率，且電路結構簡單，易于實現。電源原理圖如圖9所示。

3" 自動循跡小車

循跡小車整體結構，電路主要包括線路檢測、電壓比較、驅動、執行器等。LM393是一種以兩臺高精度的電壓比較器為主體的雙路電壓比較電路。輸出負荷電群可以連接到任意容許的有源電壓，而不會被VCC供電終端電壓所限制。它的作用是根據輸入電壓的高與低，對兩個輸入電壓作一個比較，使兩個輸入電壓發生變化。

輸出有兩種狀態，一種是接近開路，另一種是下拉接近低電平，LM393采用集電極開路，需要加拉電阻才能輸出高電平，而集成運放工作在非線性區。而LM393則是通過對兩個感光元件的對比，來實現對整個系統的控制。高亮度LED的光線照射在賽道上[7]，LED的光線照射在賽道邊緣的白區，光敏電阻器會接收到更強烈的反光，呈現更低的電阻器，如果照射在黑色的賽道上，則會產生更弱的反光，呈現更高的電阻器，這個循跡裝置就是基于這個原理來完成的[8]。循跡小車電路如圖10所示。

4" 軟件部分設計

對于小車跟隨行駛系統而言，軟件系統是較為重要的一部分，跟隨小車需要借助紅外傳感器的感應范圍來確定跟隨目標的位置信息，用STM32單片機控制L298N電機驅動器驅動電機行駛，是實現小車對移動目標的自動跟隨。這個設計的過程是小車的紅外傳感器向目標物體發送紅外線，遇到物體反射回來，紅外傳感將信號傳送給主控模塊，繼而控制電機。在這個過程中，超聲波模塊控制距離，在感應到前方車距小于設定值時，小車停止運動，車距大于設定值，小車跟隨行駛[9]。若感應到物體的移動，紅外傳感器感應到物體移動的方向，將信息傳給單片機，單片機進行位置判斷，驅動電機向物體移動方向行駛，在行駛過程中不斷調整位置。系統流程圖如圖11所示。

5" 實物測試

要確保循跡小車的正常運轉，跑道的寬度一定要比兩邊探測器的間隔小，通過實物驗證發現15～

20 mm的距離為最好，在小車過彎的時候不能過于倉促，不然很容易出現脫軌。為了保證測量效果和提高計算準確度，需要對左右兩邊傳感器的間距[10]進行適當的調整，使其與跑道路徑相匹配，從而實現對道路的自動辨識和相應參數的計算。循跡小車在循跡過程中，如若丟失路線目標，會在原地轉圈。小車實物如圖12所示。

檢查電路有無錯誤，再將將程序燒錄到STM32單片機中，連接電源，按下復位按鈕回到初始狀態，再按下自動跟隨按鈕。為了方便，一開始只需要拿一個紙板代替循跡小車引導后面的跟隨小車，跟隨小車檢測到紙板的移動，超聲波傳感器回傳距離信號，超過給定距離后開始跟隨。此時，紅外傳感對應方向指示燈亮，通過紅外傳感器感應物體移動方向，再由單片機通過相關參數計算夾角控制轉向，讓跟隨小車具備左右轉向行駛能力。當小車超聲波傳感器感應到前方物體距離小于給定的值時再次停止運動，感應到距離大于給定的值時再次啟動，跟隨行駛，這樣就實現了小車的自動跟隨效果。

為了獲得穩定的實驗效果，整個過程速度設置比較低，大約為0.3 m/s，后續的參數測量也是由這個速度條件下得到。為測算最佳跟隨、停止給定值，在程序中設置了不同的啟停距離（控制跟隨啟動和停止），并列表對啟停效果進行對比，如表1所示。

從表1可以看出，在0.3 m/s的勻速直線條件下，給定停止間距為13 cm左右具有比較穩定的效果，跟隨小車與目標物的啟停誤差最小。分析原因，在目標物較遠時超聲波散射增加導致衰減變大，獲取值的誤差變大，從而導致制動效果欠佳。追求提高小車速度也會讓誤差顯著增大，特別在制動階段，由于速度導致制動距離變大帶來更大的誤差，這種誤差疊加測距誤差使得實物小車無法通過設置更大距離的方式解決，從而導致小車與目標物的碰撞。

當跟隨目標轉向時，小車是否能按要求控制轉向角度的要求是小車跟隨的另一個重要參數。表2反映了實物測試中，目標物中軸線與小車前進方向成不同夾角的情況下，跟隨小車的轉向反應。經試驗，在0.3 m/s的速度下，小車能夠在60以內的夾角條件下進行轉向跟隨。

6" 結" 論

本文主要介紹了小車跟隨行駛系統的主要內容，該系統主要分為兩個部分，領頭小車的循跡部分和跟隨小車的自動跟隨行駛系統。領頭小車的循跡主要是依靠驅動電路行駛，利用發光二極管根據反射光來識別軌跡路線進行循跡。跟隨小車的自動跟隨行駛系統是以STM32為主控芯片，控制各模塊進行配合工作。根據實際情況來進行動作控制，實現完美跟隨。

小車跟隨行駛系統是一種智能化很高的裝置，他的核心原理便是基于傳感器測量的數據進行實時計算。在本文中，一開始是利用紅外模塊進行測距，但紅外傳感只能實現物體跟隨，在前方物體停止時，跟隨小車并不能通過判斷距離位置來停止運動。因此，便在原有的基礎上添加了一個超聲波傳感器，用來控制小車與跟隨物體之間的距離，并控制小車在檢測前方物體停止時跟著停止運動，以此來防止發生碰撞。

參考文獻：

[1] 單以才，李奇林，秦劍華，等.基于紅外傳感器的自主循跡小車控制算法設計與實現[J].機床與液壓，2010，38（14）：79-81+78.

[2] 劉群，鄭丹瑩，劉鳴.紅外反射式傳感器的自尋跡小車的設計 [J].實驗科學與技術，2007（5）：154-156.

[3] 張鍇，李世光，朱曉莉，等.基于STM32的智能巡線小車 [J].電子測量技術，2012，35（2）：105+107.

[4] 逯云杰.超聲波定位跟隨小車的系統硬設計研究 [J].電子制作，2020（17）：95-97.

[5] 蔡磊，周亭亭，郭云鵬，等.基于超聲波定位的智能跟隨小車 [J].電子測量技術，2013，36（11）：76-79+105.

[6] 霍春光，張嘉怡，劉影.復雜環境的自適應調速精準循跡小車系統設計 [J].電子設計工程，2022，30（11）：6-11+16.

[7] 張偉，王橋，李莉，等.基于單片機的自動跟隨小車 [J].物聯網技術，2018，8（6）：62-64.

[8] 吳鵬飛.高速工況下重型商用車隊列行駛控制系統研究 [D].重慶：重慶理工大學，2021.

[9] 許記偉.智能小車跟隨行駛系統的魯棒控制設計與實現 [D].重慶：重慶大學，2015.

[10] 曾文琦.智能小車跟隨行駛系統的設計 [J].工業技術與職業教育，2023，21（4）：30-34.

作者簡介：徐昊（1980—），男，漢族，重慶人，副教授，碩士研究生，研究方向：嵌入式技術。