徐靜 李欣欣

摘要：智能循跡避障小車以STM32為核心控制器，可以在行駛過程中調(diào)節(jié)小車的速度和方向。小車前方安裝的兩個灰度傳感器用于檢測路面上的黑色軌跡，超聲波模塊用來實時檢測行駛道路前方障礙物，從而實現(xiàn)小車的循跡和避障功能。經(jīng)過實際測試，各組成部分協(xié)同工作可以實現(xiàn)小車的避障和循跡的功能，且小車運行安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：循跡避障;STM32;傳感器;超聲波

中圖分類號：TP302? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0191-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Design and Implementation of Intelligent Tracking Obstacle Avoidance Vehicle

XU Jing， LI Xin-xin

（College of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： The intelligent tracking and obstacle avoidance trolley is controlled by the STM32， which can adjust the speed and direction of the trolley during driving. Two grayscale sensors installed in front of the trolley are used to detect the black trajectory on the road surface， and the ultrasonic module is used to detect obstacles in front of the road in real time， thereby realizing the tracking and obstacle avoidance functions of the trolley. After the actual test， the components work together to realize the obstacle avoidance and tracking function of the trolley， and the trolley runs safely and stably.

Keywords： The sensor; Ultrasound; Single chip microcomputer; Automatic control

1 緒論

1.1 研究的背景及意義

近年來，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，極大地提高了中國社會的經(jīng)濟發(fā)展水平。為了大力發(fā)展中國制造產(chǎn)業(yè)，中國發(fā)布了《中國制造2025》重大政策戰(zhàn)略。在此基礎(chǔ)上，中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布了汽車工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃，它強調(diào)了大力發(fā)展智能汽車產(chǎn)業(yè)的重要性[1]。智能小車，是一種以汽車電子為研究背景的多種學(xué)科相互滲透的科技創(chuàng)意性設(shè)計。本設(shè)計主要由檢測部分、動力輸出部分以及核心控制部分三部分組成，小車通過傳感器可以實時檢測黑線軌跡和前方障礙物，以此實現(xiàn)小車的智能循跡和避障的功能[2]。

1.2 發(fā)展趨勢

隨著當前科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能車輛已經(jīng)迎來一個新的發(fā)展時代。近年來有以下發(fā)展趨勢：

（1）智能車輛的性價比逐步提高。在速度、精準性、可靠性、操作性和可維護性等方面也在不斷提高，價格卻不斷降低。

（2）越來越依賴傳感器。除了傳統(tǒng)的加速度傳感器、位置傳感器、速度傳感器以外，各種高級傳感器，如視覺、聲音、壓力和觸摸，已被用于環(huán)境建模和決策控制。

（3）系統(tǒng)控制權(quán)限不再完全交付機器，更加注重人機交互控制，即通過人工干預(yù)加上本地控制構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。

2智能循跡避障小車的設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計控制核心為STM32，通過I/O口可以直接控制電機驅(qū)動模塊，進一步控制電機，通過調(diào)節(jié)I/O口占空比改變直流電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)小車平臺的轉(zhuǎn)向和移動。為了實現(xiàn)小車的避障功能，在小車車頭安裝超聲波模塊用來實時檢測小車行駛道路前方障礙物。為了實現(xiàn)小車循跡功能，在小車車頭安裝兩個灰度傳感器，用來檢測小車行駛路線。在本設(shè)計中藍牙模塊用于小車和手機端實時通訊，追蹤數(shù)據(jù)，方便調(diào)試。電源模塊的作用是為芯片提供穩(wěn)定工作的電壓?？傮w框圖如圖1所示。

2.2 設(shè)計方案選擇及硬件設(shè)計

針對現(xiàn)有智能小車存在的不足，結(jié)合實際工作環(huán)境中的需求，本設(shè)計在智能小車道路識別方面做了一些改進，提高了識別準確度。本設(shè)計主要由以下模塊構(gòu)成，包括灰度識別模塊、超聲波模塊、主控芯片、電源模塊等。

2.2.1 單片機的選用

本設(shè)計單片機的選型從以下幾個方面考慮：一是要有定時器功能，因為控制小車輪子轉(zhuǎn)速需要PWM（脈沖寬度調(diào)制），用于實現(xiàn)避障功能超聲波模塊的驅(qū)動也需要用到定時器。二是要有A/D轉(zhuǎn)換功能，因為灰度傳感器輸出的事模擬信號，需要通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號才能被單片機所使用。

綜上所述，結(jié)合本次設(shè)計的實際情況選擇STM32，自帶A/D轉(zhuǎn)換器且定時器功能比較強大，外設(shè)接口豐富，性價比非常高。

2.2.2 超聲波模塊的選用及設(shè)計

為了降低開發(fā)成本，本設(shè)計使用超聲波模塊來測量距離。市面上超聲波測距模塊類型很多，其中HC-SR04超聲波模塊測量范圍相對較廣，測量精度相對較高，屬于非接觸式測量傳感器[3]。該模塊各項性能指標滿足本設(shè)計的需求且價格合理。因此本設(shè)計采用HC-SR04作為測距模塊。該模塊使用也比較簡單，通過trig引腳觸發(fā)來啟動測距，若有信號返回，則echo引腳輸出一定時間高電平，通過測量高電平持續(xù)時間可以計算出小車和障礙物之間的距離[4]。

2.2.3 循跡模塊的選用及設(shè)計

本設(shè)計采用的灰度傳感器為亞博智能灰度傳感器，用來實時檢測路線。該模塊輸出信號為模擬信號，使道路識別功能更加靈敏、精確。本設(shè)計采用灰度傳感器為循跡功能提供一種新的思路。由于光在不同顏色的物體表面反射程度不同，所以傳感器接收到的光強度也有所不同，灰度傳感器上面的光敏電阻阻值不斷變化，輸出電壓也就有所變化。當環(huán)境光干擾不嚴重時，非常適合用于區(qū)分黑色和白色。該傳感器正常工作電壓較廣，適應(yīng)性強，對電源要求較低。它輸出的信號是模擬信號，因此需要ADC模塊來做模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號后供單片機使用進行不同顏色的判別。

2.2.4 藍牙模塊的選用及設(shè)計

本設(shè)計采用HC-05主從一體藍牙模塊，實現(xiàn)小車和手機端通信。因其價格比較合理，使用方便，在近距離無線通信方案中有較多的應(yīng)用，通過簡單的配置就可以使用[5]。通過藍牙模塊的無線傳輸功能把數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，方便調(diào)試。后期也可以用它實現(xiàn)無線遙控，進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 傳感器數(shù)據(jù)處理

在本設(shè)計中用于道路識別的是灰度傳感器，輸出的信號為模擬信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號為單片機所用[6]。本設(shè)計所采用單片機為STM32，自帶12位分辨率ADC，通過CubeMX軟件配置ADC模塊為連續(xù)轉(zhuǎn)換掃描模式，ADC轉(zhuǎn)換通道數(shù)量為8個，ADC時鐘周期為12MHz，采樣周期為71.5個時鐘周期，通過公式（1），STM32的采樣時間轉(zhuǎn)換公式：

其中t為采樣時間，T為ADC采樣頻率，為ADC時鐘周期，通過公式（1）計算得出轉(zhuǎn)換時間為6μs。兩個灰度傳感器各用4個通道，最后對4個通道輸出值取平均值，這樣配置可連續(xù)輸出數(shù)據(jù)并且輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，抗干擾性強，并且轉(zhuǎn)換速度完全滿足本設(shè)計要求。

經(jīng)過上述配置就可以分別獲取到兩個灰度傳感器的值，但是這樣并不能通過傳感器的值獲取當前小車相對于道路的左右偏離情況。所以，在本設(shè)計中對傳感器值做以下處理，該灰度傳感器從純白到純黑輸出的值大概是1到2的連續(xù)數(shù)值，將該數(shù)值放大50倍，得到50到100范圍內(nèi)連續(xù)的信號。由于兩個傳感器在相同位置輸出值存在偏差，且處理數(shù)據(jù)時放大倍數(shù)較高，實際右邊傳感器測量到的輸出值比左邊傳感器測量到的輸出值小10，所以最終單片機使用到的傳感器的值如公式（2）所示：

其中，為最終處理結(jié)果，為左邊灰度傳感器輸出值，為右邊灰度傳感器輸出值。數(shù)值經(jīng)過公式（1）的處理相當于在道路上構(gòu)建了一個范圍大概是-40到40的一維坐標系。

3.2 PID算法在本設(shè)計中的應(yīng)用

在本設(shè)計中執(zhí)行機構(gòu)是電機，用于控制小車運動，測量元件是灰度傳感器，用于實時檢測小車位置偏差，因此在本設(shè)計中可以運用PID控制器來對小車進行控制。

通過增量式PID運算可以得到一個輸出值用來糾正小車偏移方向，但是小車的輪子分為左右兩邊。通過藍牙模塊和手機通信可以在手機端實時追蹤小車數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)，當小車向左偏離時增量式PID計算結(jié)果全部為正數(shù)，當小車向右偏離時增量式PID計算結(jié)果全部為負數(shù)。給小車一個初始速度讓小車向前行駛，當小車行駛方向向左偏離時它應(yīng)該向右轉(zhuǎn)，所以增大左邊車輪速度，減小右邊車輪速度，反之亦然。通過如下處理可以滿足左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩種情況，首先獲取增量PID計算結(jié)果，限制計算結(jié)果上下限，然后將結(jié)果作用到車輪轉(zhuǎn)速控制。

4 軟件設(shè)計

4.1避障功能設(shè)計

小車在行駛的過程中需要實時獲取道路前方障礙物信息，并做出相應(yīng)的決策。小車每隔1ms發(fā)送一次Trig信號，用于啟動超聲波模塊測距，檢測小車前方障礙物。如果小車和障礙物之間的距離小于20厘米，則小車暫停等待，否則小車繼續(xù)向前行駛。智能小車避障流程圖如圖5所示。

4.2 循跡功能設(shè)計

循跡功能為本設(shè)計核心功能， STM32讀取并處理灰度傳感器輸出值，獲取當前小車相對于道路的位置信息，每隔10μs通過PID控制器調(diào)節(jié)小車左右車輪轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)小車到期望的位置。智能小車循跡流程圖如圖6所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計是以STM32為控制核心的智能循跡避障小車，小車在行駛的過程中不斷調(diào)節(jié)自身行駛速度方向，使小車按照規(guī)定的路線正常行駛，并且在行駛同時檢測小車前方是否有障礙物，當小車發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時就停止避免發(fā)生碰撞。智能汽車的研究在當前非常受重視，并且各個國家這方面的投入也越來越多。智能車輛將伴隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的不斷進步進入一個快速發(fā)展的新時期。

參考文獻：

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[2] 南春巖. 基于單片機的機械小車自動技術(shù)實訓(xùn)[J]. 科技資訊，2017（27）.

[3] 胡志.基于PID控制的兩輪自平衡小車設(shè)計[J].電子質(zhì)量，2017（12）.

[4] 李偉中.模糊PID控制算法在智能小車中的研究與應(yīng)用[J].工業(yè)設(shè)計，2016（03）.

[5] 楊前明，張君，阮益. AGV軌跡規(guī)劃及其糾偏控制機理研究[D]. 浙江大學(xué). 2018（11）.

[6] 沈維佳. 多傳感器小車的控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].南京理工大學(xué)，2015.

【通聯(lián)編輯：梁書】