【正文】 以及設(shè)備檢測(cè)等任 務(wù)。最主要的應(yīng)用就是在汽車工業(yè)上使用的噴漆用機(jī)器人，由于人工噴漆時(shí)，油漆對(duì)人身體有一定的危害，工作環(huán)境必須保持通風(fēng)和清潔，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中創(chuàng)造這種適合人們工作的環(huán)境是十分困難的，而且與人工操作相比，機(jī)器人更能持續(xù)不斷地工作，因此機(jī)器人非常適合于噴漆這種工作。機(jī)器人在醫(yī)療應(yīng)用中，最常用的是醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人，它能彌補(bǔ)目前醫(yī)院服務(wù)的一些缺陷，完成一些繁重的工作，如抬起病人去廁所或?yàn)槭Ы∪烁鼡Q床單等。還有實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用中的機(jī)器人，由于機(jī)器人完成的許多操作 (如切開顱骨、在骨體上鉆孔等 )能夠比人工操作更為準(zhǔn)確，因此手術(shù)中 許多機(jī)械操作部分都選擇由機(jī)器人來完成。在民用上，可采用輪式機(jī)器人作為導(dǎo)盲車，為盲人提供相關(guān)幫助。在科學(xué)研究方面，機(jī)器人可廣泛用于水下、太空及遠(yuǎn)程等各種不同環(huán)境中。以火星車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)為例，其發(fā)射到火星探測(cè)的主要任務(wù)是確認(rèn)火星表面是否有水的存在，它們已分別在其著陸區(qū)域的附近找到相關(guān)證據(jù)，證實(shí)了火星上過去曾有過水存在的猜測(cè)。 另外，智能小車自主行駛功能的相關(guān)研究將有助于智能車輛領(lǐng)域的研究。智能車輛自主駕駛?cè)蝿?wù)的完成將給人類社會(huì)的進(jìn)步帶來巨大的影響，例如能切實(shí)提高道路網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際利用率、降低車輛的燃油消耗 量，尤其是在改進(jìn)道路交通安全等方面提供了新的解決途徑。因此，智能小車的研究在理論和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中都具有重要的價(jià)值。 智能小車的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 智能車系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國開展智能車輛技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，起始于 20 世紀(jì) 80 年代。而且大多數(shù)研究都處于單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然在總體上我國智能車輛技術(shù)方面落后于發(fā)達(dá)國沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 家，也存在著一定的技術(shù)差距，但是到目前為止也取得了一系列的成果，主要有： （ 1） 我國第一輛自主駕駛轎車由中國第一汽車集團(tuán)公司和國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院于 2020 年研制成功 。該自主駕駛轎車在高速公路正常交通情況下，行駛過程中最高穩(wěn)定速度為 13km/h，最高峰值速度可達(dá) 170km/h，并且具有超車能力，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 （ 2） 軍用室外自主車由南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等國內(nèi)多所高等院校聯(lián)合研制，該車配備彩色攝像機(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位等高端傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩臺(tái) Sun10 工作站，并完成信息融合、路徑規(guī)劃，同時(shí)具有兩臺(tái) PC486 完成路邊抽取識(shí)別和激光信息處理， 8098 單片機(jī)主要完成定位計(jì)算和車輛自動(dòng)駕駛。其 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知 建模 規(guī)劃 執(zhí)行”算法，使其直線跟蹤速度達(dá)到 20km/h，而避障速度達(dá)到 510km/h。 智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng) ITS 的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)眾多高校和科研院所都在進(jìn)行 ITS 關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著 ITS 研究的興起，我國已形成一支對(duì) ITS 技術(shù)有專門研究的技術(shù)專業(yè)隊(duì)伍。并且通過越來越多的汽車企業(yè)和交通部門對(duì) ITS 及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個(gè)社會(huì)對(duì)智能車輛的關(guān)注程度在不斷提高。相信通過各方的共同努力，我國 ITS 及智能車輛的技術(shù)水平將會(huì)得到很大提高。 可以 預(yù)計(jì)，我國飛速 發(fā)展 的經(jīng)濟(jì)實(shí)力將為智能車輛的研究提供一個(gè)更加廣闊的前景。我們要結(jié)合我國國情，對(duì)智能車進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為它今后的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 智能車系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀 國外智能車輛的研究歷史相對(duì)于國內(nèi)較久，始于上世紀(jì) 50 年代。它的發(fā)展歷程大致可分成三個(gè)階段： 第一階段， 20 世紀(jì) 50 年代是智能車輛研究的初始階段。 1954 年美國 Barrett Electronics 公司研究開發(fā)出世界上第一臺(tái)自主引導(dǎo)車系統(tǒng) AGVS（ Automated Guided Vehicle System） 。 該系統(tǒng)只是一個(gè)運(yùn)行在固定線路上的拖車式運(yùn)貨平臺(tái)，但它卻具有了智能車輛最基本的特征即無人駕駛。早期研制 AGVS 的目的是為了提高倉庫運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于倉庫內(nèi)的物品運(yùn)輸。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。 第二階段，從 80 年代中后期開始，世界主要發(fā)達(dá)國家對(duì)智能車輛進(jìn)行卓有成效的沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 研究。歐洲的普羅米修斯項(xiàng)目于 1986 年開始了在這個(gè)領(lǐng)域的探索。在美洲，美國于 1995年成立了國家自動(dòng)高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（ NAHSC），其目標(biāo)之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進(jìn)智能車輛技術(shù)進(jìn) 入實(shí)用化。在亞洲，日本于 1996 年成立了高速公路先進(jìn)巡航 /輔助駕駛研究會(huì)，主要目的是研究自動(dòng)車輛導(dǎo)航的方法，促進(jìn)日本智能車輛技術(shù)的整體進(jìn)步。進(jìn)入 80 年代中期，設(shè)計(jì)和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺(tái)。 第三階段，從 90 年代開始，智能車輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，美國卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)（ Carnegie Mellon University）機(jī)器人研究所一共完成了 Navlab 系列的 10 臺(tái)自主車（ Navlab1— Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。 目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當(dāng)前國外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的智能車輛中具有代表性的有： 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究： 1985 年第一輛 VaMoRs 智能原型車輛在戶外高速公路上以 100km/h 的速度進(jìn)行了測(cè)試，它使用了機(jī)器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。 1988年在都靈的 PROMRTHEUS 項(xiàng)目第一次委員會(huì)會(huì)議上，智能車輛維塔（ VITA,7t）進(jìn)行了展示，該車可以自動(dòng)停車、行進(jìn)，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備了 UBM 視覺系 統(tǒng)。這是一個(gè)雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。 荷蘭鹿特丹港口的研究：智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運(yùn)輸。荷蘭的Combi road 系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運(yùn)輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導(dǎo)航參照物，并利用一個(gè)光陣列傳感器去探測(cè)障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運(yùn)往各地。 日本大阪大學(xué)的研究：大阪大學(xué)的 Shirai 實(shí)驗(yàn)室所研制的智能小車，采用了航位推測(cè)系統(tǒng)（ Dead Reckoning System），分別利用 旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位。 另外，斯特拉斯堡實(shí)驗(yàn)中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國麻省理工學(xué)院、韓國理工大學(xué)對(duì)智能車輛也有較多的研究。 本文研究內(nèi)容 本課題開發(fā)設(shè)計(jì)一種基于 STM32 的智能車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)閉環(huán)控制，自動(dòng)識(shí)沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 別邊界，提升裝置自主啟動(dòng)等一系列功能。 整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)是基于 STM32 平臺(tái)搭建的 ， 首先要了解這款 ARM CortexM3 內(nèi)核的微處理器的架構(gòu)以及編程的方式和微處理器所用到外設(shè)模塊的寄存器，智能車的驅(qū)動(dòng)是依靠高 電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N，需要了解驅(qū)動(dòng)芯片的外圍電路原理及電氣特性。在功能模塊中需要數(shù)據(jù)的采集，紅外測(cè)距模塊串口數(shù)據(jù)的輸出以及主機(jī)采集紅外測(cè)距的數(shù)據(jù)等方式完成了數(shù)據(jù)采集任務(wù)。提升模塊在智能車發(fā)現(xiàn)邊界并停止時(shí)啟動(dòng)。 本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分： 第一章 緒論簡單介紹課題的選題背景以及課題在理論和實(shí)際應(yīng)用方面的價(jià)值，并簡單介紹了課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，論述了本文研究的主要內(nèi)容。 第二章 主要內(nèi)容是 芯片及驅(qū)動(dòng)電路介紹 ，介紹了 STM32系列芯片的特點(diǎn)，以及課題選擇此芯片作為控制系統(tǒng)主控制芯片的原因。 第三章 介紹了智能 小車的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先介紹了智能小車的車體結(jié)構(gòu)選擇，然后介紹了硬件系統(tǒng)的原理框圖以及模塊劃分。按硬件系統(tǒng)的模塊劃分先后介紹了電源系統(tǒng)、微控制器模塊、障礙物檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等的具體電路設(shè)計(jì)。最后介紹了硬件設(shè)計(jì)時(shí)注意的一些具體措施。 第四章介紹了智能小車的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先介紹了軟件開發(fā)環(huán)境 MDK,然后給出了軟件的模塊劃分，并詳細(xì)介紹了各模塊的軟件設(shè)計(jì)；針對(duì)重要的部分給出了相應(yīng)代碼，在調(diào)速控制算法中應(yīng)用了 PID算法。 第五章結(jié)論部分。對(duì)論文中所完成的工作進(jìn)行了總結(jié)，也對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)行了展望。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 2 STM32 芯片及驅(qū)動(dòng)電路介紹 本課題開發(fā)設(shè)計(jì)一種基于 STM32 的智能車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，紅外測(cè)距傳感器識(shí)別邊界等示一系列功能。本章重點(diǎn)介紹 STM32 芯片和智能小車驅(qū)動(dòng)電路。 STM32 芯片介紹 2020 年 ARM 公司推出了基于 ARMv7 架構(gòu)的 Cortex 系列的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，以滿足各種技術(shù)的不同性能要求，包含 A、 R、 M 三個(gè)分工明確的系列 [1]。其中， A 系列面向復(fù)雜的尖端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開放式的復(fù)雜操作系統(tǒng)； R 系列適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)； M 系列則專門針對(duì)低成本的微控制領(lǐng)域。 CortexM3 是首款基于 ARMv7M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點(diǎn)。它是專門為在微控制系統(tǒng)、汽車車身系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，大大簡化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體 [2]。半導(dǎo)體制造廠商 ST 公司是 ARM 公司 CortexM3 內(nèi)核開發(fā)項(xiàng)目一個(gè)主要合作方， 2020 年 6 月 11 日 ST 公司率先推出了基于 CortexM3 內(nèi)核的 STM32 系列 MCU。本章將簡要介紹 STM32 系列處理器的分類、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及 特點(diǎn)，并對(duì)本設(shè)計(jì)中重點(diǎn)應(yīng)用的通用定時(shí)器做進(jìn)一步分析。 STM32 芯片實(shí)物圖如圖 所示。 圖 STM32 芯片實(shí)物圖 STM32 處理器的分類 STM32 系列處理器目前分為 2 個(gè)系列。 STM32F101 是標(biāo)準(zhǔn)型系列，工作在 36MHZ；STM32F103 是增強(qiáng)型系列，工作在 72MHZ，帶有更多片內(nèi) RAM 和更豐富的外設(shè)。這沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 兩個(gè)系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi) Flash 選項(xiàng)，在軟件和引腳封裝方面是兼容的 [3]。 標(biāo)準(zhǔn)型系列是 STM32 處理器入門產(chǎn)品，其價(jià)格僅相當(dāng)于 16 位 MCU，但它 卻擁有32 位 MCU 的 性能，其外設(shè)的配置能提供優(yōu)秀的控制和聯(lián)接能力。增強(qiáng)型系列產(chǎn)品則將32 位 MCU 的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別。內(nèi)含的 CortexM3 內(nèi)核工作在 72MHZ，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算，其外設(shè)的配置能提供極好的控制和聯(lián)接能力。 STM32 全系列處理器擁有的腳對(duì)腳、外設(shè)及軟件的高度兼容性，這給其應(yīng)用帶來全方位的靈活性，可以在不修改原始框架及軟件的條件下，將應(yīng)用升級(jí)到需要更多的存儲(chǔ)空間，或精簡到使用更少的存儲(chǔ)空間，或改用不同的封裝規(guī)格。 對(duì)于使用同一平臺(tái)進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)而言， STM32 更是一種非常好的選擇。因?yàn)樵?STM32 全系列產(chǎn)品中，既有適合僅需少量的存儲(chǔ)空間和引腳，也有滿足需要更多的存儲(chǔ)空間和引腳；既有適于高性能應(yīng)用的，又有滿足低功耗要求的；既有適合低成本簡單應(yīng)用的，也有滿足高端復(fù)雜應(yīng)用的。全系列兼容，使得項(xiàng)目之間的代碼重用和代碼移植變得非常方便。 STM32 處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) STM32F103 系列微處理器是首款基于 ARMv7M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn) RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率，在通常 8 位和 16 位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮了 ARM 內(nèi)核的高性能。該系列微處理器工作頻率為 72MHz，內(nèi)置 高達(dá) 128K 字節(jié)的Flash 存儲(chǔ)器 。 20K 字節(jié)的 SRAM，具有豐富的通用 I/O 端口。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 STM32F10x 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 STM32F103 系列微處理器主要資源和特點(diǎn)如下 [5]： 1. 多達(dá) 51 個(gè)快速 I /O 端口，所有 I/O 口均可以映像到 16 個(gè)外部中斷， 幾乎所有端口都允許 5V 信號(hào)輸入。每個(gè)端口都可以由軟件配置成輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或其它的外設(shè)功能口。 2. 2 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá) 16 個(gè)外部 輸入通道，轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 1MHz,轉(zhuǎn)換范圍為 036V，具有雙采樣和保持功能 。 3. 靈活的 7 路通用 DMA 可以管理存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、設(shè)備到存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，無須 CPU 任何干預(yù)。通過 DMA 可以使數(shù)據(jù)快速地移動(dòng)，這就節(jié)省了 CPU 的資源來進(jìn)行其他操作。 DMA 控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理，避免了控制器傳輸?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的中斷。它支持的外設(shè)包括：定時(shí)器、 ADC、 SPI、 I2C 和 USART 等。 4. 調(diào)試模式：支持標(biāo)準(zhǔn)的 20 腳 JTAG 仿真調(diào)試以及針對(duì) Cortex M3 內(nèi)核的串行單線 調(diào)試（ SWD）功能。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是 JTAG 接口。 5. 含有豐富的通信接口：三個(gè) USART 異步串行通信接口、兩個(gè) I2C 接口、兩個(gè)SPI 接口、一個(gè) CAN 接口和一個(gè) USB 接口，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證。 6. 內(nèi)部包含 8 個(gè)定時(shí)器。在本設(shè)計(jì)中電機(jī)調(diào)速通過定時(shí)器的 PWM