基于STM32的循跡機器車設計

摘 要：針對2023年（第八屆）四川省大學生機器人大賽機器車循跡賽項要求，使用STM32主控芯片、4路紅外傳感器、線性CCD傳感器等模塊設計自主循跡與競速的循跡機器車。該設計主要從小車循跡和競速兩部分著手，利用紅外傳感器的紅外輻射熱效應原理，輸出二值邏輯并控制傳感器狀態，進而驅動小車自主循跡；結合線性CCD傳感器的線性掃描特點，對賽道邊緣進行圖像掃描，動態輸出模擬信號，控制主控芯片，從而驅動小車自主避障競速。該小車運行可靠性良好，抗干擾能力較強，對不同的賽道也有很好的適應性和穩定性。

關鍵詞：STM32；循跡機器車；自主循跡；競速；紅外傳感器；線性CCD傳感器

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

2023年（第八屆）四川省大學生機器人大賽是四川省教育廳主辦、西南石油大學承辦的省級大學生高規格賽事，涉及項目多達14項，本次競賽團隊成員仔細研讀了文件并結合實驗室實際情況，參加了機器車循跡賽事。該賽項由小車循跡和小車競速兩部分組成，競賽要求參賽成員自主研制一臺無人干涉，能夠自主完成循跡和競賽要求的循跡機器車，并且該機器車需具備選擇不同模式的切換開關[1]。因此，基于競賽要求，團隊成員考慮從總體設計方案、硬件電路、軟件流程、測試結果等環節出發，設計一種基于STM32的自主循跡機器車。

1 總體設計方案

循跡機器車主要由控制模塊、執行模塊、信號采集模塊組成。系統整體結構如圖1所示。

控制模塊采用STM32F103C8T6主控芯片[2]，執行模塊采用減速比為1∶48的有刷直流減速電機[3]，信號采集模塊采用4路紅外傳感器和128路像素的線性CCD攝像頭采集賽道信息，實現賽道元素的識別[4]。

2 主要硬件電路設計

2.1 主控模塊

本設計選用STM32F103C8T6單片機作為循跡機器車的主控模塊，該模塊程序存儲器容量為64 KB，最高工作頻率可以達到72 MHz，具有高性能、低成本和低功耗等特點[5]。主控模塊配合編程軟件Keil μVision5對紅外循跡模塊、競速避障模塊、按鍵切換模塊、電機驅動模塊等進行程序的編譯與操控[6]。系統主控模塊及其引腳如圖2所示。

設計中，通過PB12、PC13～PC15讀取4路紅外傳感器模塊采樣值，通過PB13～PB15讀取線性CCD模塊采樣值，模式轉換可通過PB0、PB1控制切換按鍵開關實現，PB6、PB7輸出PWM值，PB4、PB5控制循跡機器車右側電機轉動，PB8、PB9控制循跡機器車左側電機轉動。

2.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊采用TB6612FNG驅動芯片來驅動電機運轉[7]。本次設計過程中，可通過控制驅動芯片的AIN1、AIN2、BIN1、BIN2、PWMA、PWMB電平高低來控制電機的正轉、反轉和停止。

采用PWM脈寬調制技術對電機速度進行控制，當10 kHz的PWM波輸入到電機驅動電路時，驅動電路會根據PWM占空比的不同，在每個PWM信號周期內，控制電機輸出不同的電壓值，從而實現電機轉速的精準控制。

2.3 競速避障模塊

競速避障模塊選用TSL1401CL線性CCD對賽道邊緣進行識別，進而實現循跡機器車在規定賽道內獨自競速。該模塊包含128個線性排列的光電二極管，當拍攝一段圖像畫面后，圖像僅有一個像素寬的長條，從左到右分成128個AD數據，每個AD數據表示像素灰度值，采集到的灰度值將在AO線上以模擬信號的形式輸出[8]。

本次設計中，利用STM32主控芯片的PB14、PB15引腳對SI和CLK引腳發出方波信號，TSL1401CL的AO口則會依次輸出128個像素點的模擬信號至STM32主控芯片。

2.4 循跡模塊

循跡模塊采用4路紅外傳感器，用于檢測白色賽道中的黑色線路，并按照黑色線路進行循跡。該傳感器是一種集發射和接收于一體的光電傳感器，檢測距離為1 mm～10 cm，可通過滑動變阻器進行調節，輸出接口為6 pin接口，輸出TTL電平，可直接與STM32主控芯片的I/O口連接[9]。

3 軟件流程分析

3.1 循跡軟件流程

本次循跡場地采用4路紅外傳感器實現循跡機器車循跡，其基本原理為利用物體對光的反射性質，尋找賽道中的黑線，當紅外線發射到黑線上時會被黑線吸收，發射到其他顏色的材料上時會部分被反射到紅外線的接收管上[10]，最后轉換成二值邏輯“0”和“1”。再結合循跡賽道，對傳感器狀態進行分析，定義中間兩路巡線一直在黑線上時，低電平有效，小車直行，當任意一個紅外傳感器偏離賽道，小車會自動糾正，如果最外面的傳感器檢測到黑線，則小車將以更大速度行駛到正確的賽道上。依據賽道和紅外傳感器的狀態，得出循跡算法軟件流程，如圖3所示。

3.2 競速軟件流程

根據比賽規定，競速場地的弧度尺寸不做具體規定，由組委會根據具體情況確定。因此，為增加循跡機器車的適應性，采用線性CCD傳感器檢測賽道邊界線。當線性CCD傳感器掃到白線AD值時，返回一個較高的電壓值；掃到黑線AD值時，返回一個較低的電壓值，并進行二值化處理，把模擬信號轉換成“0”和“1”[11]。

在識別直道的過程中，賽道引導線處于賽道兩邊，但CCD在左右邊沿采集的數據存在一定的誤差，所以左右各略去5個點，使用118個點的數據，此時59即為期望的中心值。在進行邊緣檢測時，通過從中心向兩邊掃描的方式進行掃描，利用動態閾值法獲取中心值，并與期望中心值59比較，最終判斷小車的轉向。

依據賽道和CCD傳感器的掃描數據，得出競速算法軟件流程，如圖4所示。

4 測試結果

團隊成員在實驗室布置1∶1比賽場地，搭建測試環境，通過Keil μVision5軟件調整程序參數，對循跡機器車的運行軌跡不斷修正，使軌跡基本趨于穩定，即循跡賽項一輪平均用時1 473 s，失誤率在10%以內，競速賽項一輪平均用時468 s，失誤率在5%以內。循跡和競速功能穩定與時長測試結果見表1、表2。

5 結 語

本文以STM32主控芯片為核心，設計了紅外循跡電路、競速避障電路、電機驅動電路、按鍵切換電路等，輔以Keil μVision5軟件，編寫主程序、驅動程序、信號采集程序等，經過大量的測試與參數調整，循跡機器車運行效果基本趨于穩定，可以很好地滿足本次比賽要求。

通過2023年（第八屆）四川省大學生機器人大賽機器車循跡賽項驗證，該小車運行可靠性強，性能穩定，但是在完成時間和成功率方面還有待提高。依托該循跡機器車，團隊榮獲機器車循跡賽項省級三等獎。

參考文獻

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[10]仇越.基于STM32的智能小車設計[J].工業控制計算機，2023，36（4）：158-159.

[11]王信樂，劉祚時.基于線性CCD的智能小車循跡系統設計與研究[J].制造業自動化，2020，42（8）：79-84.

作者簡介：胡江瑜（1992—），男，碩士，工程師，研究方向為嵌入式系統。

李光琴（1990—），女，碩士，講師，研究方向為控制與檢測技術。

王 瑩（1994—），女，講師，研究方向為電氣工程及其自動化技術。

收稿日期：2024-01-24 修回日期：2024-03-06