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基于STM32的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控智能履帶小車設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代社會生活中，機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、交通、國防和農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。隨著機(jī)器人研究廣泛而又深入的開展，機(jī)器人不再僅僅局限于制造業(yè)，還被推廣到采礦、救援和水電系統(tǒng)維修等非制造業(yè)領(lǐng)域，而移動(dòng)機(jī)器人就是其中一個(gè)代表[1]。WiFi無線通信具有覆蓋面積大和傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，可以使機(jī)器人在一些危險(xiǎn)的環(huán)境下工作。智能小車由于具有自動(dòng)循跡、避障和可控行駛等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以滿足多種環(huán)境、任務(wù)的要求，且其制造價(jià)格低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，受到很多危險(xiǎn)作業(yè)和工業(yè)場合的青睞。我國開始快速注重機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展，建立了許多高水平的研究發(fā)展基地，為新世紀(jì)機(jī)器人發(fā)展的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

智能小車以STM32系列單片機(jī)作為控制核心，通過紅外傳感器獲取外界環(huán)境信號，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)行，攝像頭采集視頻信息。智能小車的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括電源模塊、避障模塊、自動(dòng)循跡、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭、WiFi模塊和單片機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 智能小車硬件系統(tǒng)

2.1 智能小車控制器

智能小車采用STM32系列的單片機(jī)(型號為STM32f103V8C6)作為核心，以ARM32位Cortex-M3作為CPU，64 kB的SRAM為存儲器，擁有3種低功耗模式，2種調(diào)試模式(串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口)，48～144個(gè)I/O端口，8個(gè)定時(shí)器和2個(gè)看門狗定時(shí)器，最多達(dá)13個(gè)通信接口(2個(gè)I2C、5個(gè)USART、3個(gè)SPI和2個(gè)IIS)。STM32單片機(jī)具有功耗低、性能高和處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

目前，常用的方法是通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)來控制小車的車速。本文利用L298N芯片控制小車的2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以驅(qū)動(dòng)1個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。由于PWM調(diào)速系統(tǒng)具有電流連續(xù)、運(yùn)行平穩(wěn)和可調(diào)范圍較寬的優(yōu)點(diǎn)，適合通過占空比改變電壓[3]。其工作原理是通過調(diào)制器給電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)具有一定頻率的脈沖寬度可調(diào)的脈沖電，脈沖寬度越大即占空比越大，提供給電動(dòng)機(jī)的平均電壓越大，轉(zhuǎn)速越快，小車的運(yùn)行速度就越快；反之亦然。驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖

2.3 智能小車避障、循跡模塊

小車的循跡和避障模塊都采用發(fā)射接收一體化的紅外傳感器。它具有體積小、靈敏度高和受其他光線影響小的優(yōu)點(diǎn)。其紅外線發(fā)射的距離為1～60 mm，通過紅外發(fā)射管和接收管進(jìn)行避障和自動(dòng)循跡。若發(fā)射的紅外信號碰到障礙物將會返回信號，接收管接收到信號后給單片機(jī)提供穩(wěn)定的TTL信號。

由于紅外傳感器發(fā)射的紅外波會被黑色吸收，碰到其他顏色則會反射回信號，因此將黑色膠帶作為線路，小車可沿此線路前進(jìn)。

2.4 WiFi模塊

WiFi模塊是刷Openwrt系統(tǒng)的路由器，然后在系統(tǒng)上安裝攝像頭的驅(qū)動(dòng)。它的功能是上位機(jī)向小車發(fā)送控制信號，同時(shí)將攝像頭采集到的視頻信號發(fā)送到上位機(jī)。路由器通過安裝Ser2net實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換串口，設(shè)置好波特率、數(shù)據(jù)位和停止位等，然后路由器通過WiFi信號和上位機(jī)通信。由路由器引出3條線，即TTL串口，它是一種通信串口，一般用不同顏色代表不同的意義：TX(紅線)代表發(fā)送數(shù)據(jù)；RX(綠線)代表接收數(shù)據(jù)；GND(黑線)代表地線。

2.5 攝像頭模塊

攝像頭的主要工作原理是以一定分辨率通過隔行掃描的方式來采集圖像上的點(diǎn)。當(dāng)掃描到點(diǎn)時(shí)，就把該點(diǎn)的灰度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓，再把該電壓從信號端口輸出，然后攝像頭中的DSP將對圖像信號進(jìn)行優(yōu)化和壓縮。攝像頭主要包括鏡頭、CCD圖像傳感器和A-D轉(zhuǎn)換器等[4]。本文采用USB攝像頭(天敏天輪UVC-S)。因其傳輸速度高，接口簡單，兼容性高，即插即用，幾乎所有的電子設(shè)備上都有USB接口，它已經(jīng)成為了電子產(chǎn)品所必須的接口，是用戶的首要選擇。

2.6 電源模塊

單片機(jī)開發(fā)板自帶5 V轉(zhuǎn)3.3 V芯片(AMS1117—3.3)。智能小車需要5 V和3.3 V電壓，5 V電壓是路由器和紅外傳感器電壓，可以從驅(qū)動(dòng)模塊處直接引出；3.3 V電壓是單片機(jī)的電壓，需通過AMS1117—3.3芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓[5]。它是一個(gè)正弦低壓穩(wěn)壓器，在1 A電流下電壓為1.2 V，并且內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。如果片內(nèi)過熱，切斷電路具有過載和過熱保護(hù)的功能，以防環(huán)境溫度造成過高的結(jié)溫，也避免因?yàn)檫^高的溫度燒壞模塊。

3 智能小車軟件設(shè)計(jì)

小車的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于Keil Vision4環(huán)境，并使用C語言進(jìn)行程序編程。智能小車的上位機(jī)界面使用Labview進(jìn)行編譯。在使用Labview進(jìn)行編程時(shí)應(yīng)注意，Labview只能調(diào)用本地?cái)z像頭，不能調(diào)用網(wǎng)絡(luò)攝像頭，所以需要通過IP camera adapter軟件把網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻地址改為本地?cái)z像頭的視頻地址。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)語

基于STM32單片機(jī)的智能小車實(shí)現(xiàn)了無線控制、避障和視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。智能小車具有良好的穩(wěn)定性、實(shí)用性和擴(kuò)展性，且構(gòu)造簡單，成本低，可以應(yīng)用于對未知危險(xiǎn)環(huán)境的探索。

[1] 田濤，鄧雙城，楊朝嵐，等. 工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 新技術(shù)新工藝， 2015(3)：92-94.

[2] 蘇云天. 俄羅斯機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢[J]. 全球科技經(jīng)濟(jì)瞭望，1999(2)：10-11.

[3] 程志江，李劍波. 基于模糊控制的智能小車控制系統(tǒng)開發(fā)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008， 28(z2)：350-353.

[4] 樊國棟，石紅瑞，張健. 嵌入式Linux下CMOS攝像頭驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2010(3)：68-70.[5] 周立功.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)—單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.空間大的優(yōu)勢，因此有著廣闊的發(fā)展前景。

責(zé)任編輯 馬彤

高 力，王庭有，張 江，張 彬

(昆明理工大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

智能小車具有智能避障、實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制小車的功能。智能小車以STM32單片機(jī)作為處理器，通過路由器來接收控制信號和發(fā)送視頻信號；以履帶小車作為底盤，具有良好的越障性能和穩(wěn)定性能，直流電動(dòng)機(jī)和控制電路作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)；將紅外傳感器作為小車的智能避障模塊。智能小車將計(jì)算機(jī)或者手機(jī)作為上位機(jī)，通過路由器可以在上位機(jī)中顯示視頻和發(fā)送控制信號控制小車運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件的編寫和對單片機(jī)程序的編寫；硬件設(shè)計(jì)是指電路設(shè)計(jì)，包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和無線通信等。

履帶小車；WiFi；STM32單片機(jī)；上位機(jī)

Wireless Real-time Monitoring of Intelligent Track Car based on STM32

GAO Li，WANG Tingyou，ZHANG Jiang，ZHANG Bin

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The intelligent car has the function of the real-time monitoring and the intelligent obstacle avoidance. The intelligent car uses the STM32 microcontroller as the processor, receives the control signal and sends video signal with a router; the tracked car is used as a chassis, which has the better obstacle-surmounting performance and stable performance; a DC motor drive and control circuit mane a system; the infrared sensors become intelligent obstacle avoidance module of the car. Intelligent cars make a computer or mobile phone as a PC, display video in the upper machine and send the collected signals to control the running of the car with a router. The system mainly includes the software and hardware design. The software design refers to the writing of PC software and single-chip microcomputer program. And the hardware design refers to the circuit design including the motor drive, wireless communication and so on.

tracked vehicles, WiFi, STM32 microcontroller, upper machine

高力(1990-)，男，碩士研究生，主要從事光機(jī)電液機(jī)械集成與控制等方面的研究。

王庭友

2016-04-13

TN 948.6

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