【文章內(nèi)容簡介】 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前國外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學界和工業(yè)設計界中，眾多的研究機構研發(fā)的智能車輛具有代表性的有： 德意志聯(lián)邦大學的研究 1985 年 第一輛 VaMoRs 智能原型車輛在戶外高速公路上以 100km/h的速度進行了測試，它使用了機器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。 1988 年 在都靈的 PROMRTHEUS 項目第一次委員會會議上，智能車輛維塔（ VITA,7t）進行了展示，該車可以自動停車、行進，并可以向后車傳送相關駕駛信息。這兩種車輛都配備了 UBM 視覺系統(tǒng)。這是一個雙目視覺系統(tǒng)，具浙江萬里學院本科畢業(yè)論文 3 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)在工廠貨物的運輸。荷蘭的 Combi road 系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙。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)將貨物從鹿特丹運往各地。 日本大阪大學的研究 大阪大學的 Shirai實驗室所研制的智能小車，采用了航位推測系統(tǒng)（ Dead Reckoning System），分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計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，斯特拉斯堡實驗中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學、奔馳公司、美國麻省理工學院、韓國理工大學對智能車輛也有較多的研究。 本文研究內(nèi)容 內(nèi)容分析 本課題 開發(fā)設計一種基于 STM32 的智能車系統(tǒng)，實現(xiàn) 語音提示，超聲波避障 ,UI 界面觸控，陀螺儀體感操控 ，碰撞保 護 ，液晶數(shù)據(jù)顯示 一系列功能 。 從 整個系統(tǒng) 的 模塊 劃分上來看， 主要包括車載主機和 手持主機兩大主控。車載主機 是本系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能對象的主體， 在手持主機通過 NRF34L01 無線發(fā)送模塊發(fā)出 三種主要 指令 ，當指令為陀螺儀體感操作指令時，智能車的運行受到手持主機中陀螺儀傳感器的控制，當指令為超聲波自動避障時，智能車車載主機的超聲波模塊運行，采集環(huán)境數(shù)據(jù)給主控，經(jīng)過程序代碼算法的運行實現(xiàn)超聲波自動避障，當指令為 UI 界面 控 制 時，觸控界面的方位按鈕可以實現(xiàn)智能車的運行姿態(tài)，無線模塊發(fā)送模塊是連接車載主機和手持主機的橋梁，通過一系列的指令實現(xiàn) 車載主機的運行狀態(tài)以及數(shù)據(jù)的實時采集 。 根據(jù) 畢業(yè)設計 任務 要求，本課程主要需完成系統(tǒng)中 超聲波自主避障 、 車載GPS 定位 數(shù)據(jù)采集、陀螺儀體感操控 、 UI 界面觸控 、 語音提示等基本功能。 開發(fā)流程 整個系統(tǒng)的開發(fā)是基于 STM32 平臺搭建的 ， 首先要了解這款 ARM 浙江萬里學院本科畢業(yè)論文 4 CortexM3 內(nèi)核 的微處理器 的架構以及編程的方式 和 微處理器所用到 外設模塊的寄存器 ，智能車的驅(qū)動是依靠 高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片 L298N，需要了解驅(qū)動芯片的外圍電路原理及電氣特性。在功能模塊中需要 GPS 數(shù)據(jù)的采集， GPS協(xié)議也是我們完成本設計的 重要模塊， GPS 模塊串口數(shù)據(jù)的輸出以及主機采集GPS 的數(shù)據(jù)的方式。防碰撞功 模塊在智能車發(fā)生意外事件時產(chǎn)生報警信號迫使運行中的智能車停止 。 以上內(nèi)容在本文的 后續(xù)章節(jié) 有詳細介 。 本系統(tǒng)的完成，有諸多模塊需要有外圍電路才能正常工作，需要設計相應的外圍電路，該內(nèi)容在本文第 3 章 有詳細的 電路原理圖分析 ， 包括 車載主機和手持主機核心板 的設計、 語音模塊 的設計、 GPS 定位 模塊的設計 、陀螺儀體感模塊、液晶觸摸屏模塊 及 NRF24L01 無線模塊 電路設計。在本文第 4 章介紹了 本系統(tǒng)的軟件設計。 浙江萬里學院本科畢業(yè)論文 5 2 系統(tǒng) 總體設計 本課題研究基 于 STM32 的智能車的設計與實現(xiàn) ， 本章描述該 智能 系統(tǒng)的總體設計 。第一節(jié)描述 智能車的各種模塊 ， 第二節(jié)是提出 智能車的 總體設計方案 ，第三節(jié)是 簡要敘述 車載 模塊的硬件設計 ， 第四節(jié)是 整個系統(tǒng)的軟件 設計 ， 第五節(jié)對方案中的關鍵技術進行了討論 ， 第六節(jié)分析整體 方案 的可行性 。 系統(tǒng)對象描述 智能 車系統(tǒng)采用手持主機和車載主機相結合，車載主 機 接收手持主 機發(fā)出的指令 實現(xiàn) 系統(tǒng)功能， 超聲波 模塊 實現(xiàn)智能車的 自動避障 功能，車載 GPS 定位模塊完成智能車經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的采集，陀螺儀體感模塊 采用 ST 公司生產(chǎn)的L3G4200DTR，輸出接口方便應用，無線模塊使用 頻段 NRF24L01 模塊集成 SPI 接口，語音播報模塊是語音解碼芯片 WT588D，外掛 Flash 存儲語音數(shù)據(jù)，UI 界面圖形控制 等方式實現(xiàn)智能車 的運行軌跡，手持主機接收車載主 機上傳的數(shù)據(jù)信息，并在手持主 機 UI 界面上顯示實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設計上考慮到程序方便移植，主控芯片都為 意法半導體公司的 STM32F103。 總體方案設計 本系統(tǒng)采用 手持主機控制 系統(tǒng)和 車載主 機 控制系統(tǒng) 實現(xiàn)整體的方案， 在車載主機控制系統(tǒng)中電機驅(qū)動模塊為智能車運行的基礎平臺，利用 GPS 為定位手段，結合語音播報模塊 傳達智能車運行狀態(tài)， 加速度碰撞保護模塊 有效的起到保護智能車運行過程中的安全，而手持模塊的信息命令主要通過 無線短距離收發(fā)模塊 處理和運 算。 在手持主機控制系統(tǒng)中 主要通過無線短距離收發(fā)模塊與車載主機系統(tǒng)信息的傳達與接收，通過液晶屏 UI 界面切換智能車超聲波自主避障、觸摸屏觸控操作、陀螺儀體感操作三種模式。 車載 主 機 系統(tǒng) 由 如 下 七 大部分組成： （ 1） 加速度 碰撞 保護 系統(tǒng) ； （ 2）車載 GPS 定位 系統(tǒng) ； （ 3） 電機驅(qū)動系統(tǒng) ； 浙江萬里學院本科畢業(yè)論文 6 （ 4） 無線 通信系統(tǒng) ； （ 5） 語音播報系統(tǒng) ； （ 6）超聲波自主避障 ； （ 7）液晶顯示模塊 。 手持模塊系統(tǒng) 由 如下 三 大部分組成： （ 1） 液晶 觸摸 系統(tǒng) ； （ 2） 無線 通信系統(tǒng) ； （ 3） 陀螺儀體感 操控系統(tǒng) 。 車載主機系統(tǒng)和手持主機系統(tǒng)的總體框架圖如圖 21 所示。 車 載 主 機 微 處 理 器加 速 度 碰 撞 保 護 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng)液 晶 數(shù) 據(jù) 顯 示陀 螺 儀 體 感 操 控無 線 通 信 系 統(tǒng)語 音 播 報 系 統(tǒng)手 持 主 機 微 處 理 器無 線 通 信 系 統(tǒng)液 晶 觸 摸 屏 系 統(tǒng)超 聲 波 自 主 避 障 G P S 定 位 系 統(tǒng) 圖 21 系統(tǒng)總體連接圖 智能 車系統(tǒng)采用手持主機和車載主機相結合，車載主機接收手持主機發(fā)出的指令，實現(xiàn)超聲波自動避障、 GPS 數(shù)據(jù)的采集和顯示、陀螺儀體感操作、 UI 界面圖形 控制等方式實現(xiàn)智能車的運行軌跡，手持主機接收車載主機上傳的數(shù)據(jù)信息，并在手持主機 UI 界面上顯示實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設計上考慮到程序方便移植，主控芯片都為意法半導體公司的 STM32F103。 浙江萬里學院本科畢業(yè)論文 7 車載主機 硬件 設計 車載主機 功能需求描述 車載主機 應具備的具體功能要求如下： （ 1） 具備四軸電機驅(qū)動能力。智能車的平穩(wěn)運行在于有一個強勁的驅(qū)動模塊， 其余模塊功能的實現(xiàn)建立在 智能車能平穩(wěn)運行的前提下。 （ 2）具備 GPS 全球 定位信息采集功能。 GPS 具有全球任何地點、任何時間、全天候高精度定位的特點 。 車載 主機 接收來自 GPS 衛(wèi)星的信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲得 智能車 的實時經(jīng)度、緯度位置數(shù)據(jù)。 （ 3） 語音播報功能 。 智能車語音功能主要通過主控芯片編碼，將編碼值傳給 WT588D 語音芯片，按照碼值地址讀取 Flash 中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)語音播報的功能 。 （ 4）具備功能 碰撞保護功能 。 智能車在運行模式中會出現(xiàn)碰撞障礙物，設計系統(tǒng)中具有三軸數(shù)字加速度 器 Lis302D 測量運行過程的加速度，檢測 判斷加速度值，斷定是否為智能車發(fā)生碰撞，根據(jù)情況采取是否停車的措施。 （ 5）無線 通信 功能。手持主機和車載主機的信息通信依靠 NRF24L01 短距離通信模塊，傳輸手持主 機的控制信號和數(shù)據(jù)采集信號，車載主機接受信號并同時根據(jù)信號的類型運行不同設定模式。 （ 6）具有超聲波自主避障的功能。選擇該模式時，智能車運行時具有自主避障的功能，遇到障礙物時選擇最優(yōu)化的路線行進。 車載主機 硬件設計方案 車載主機系統(tǒng) 硬件設計 如 圖 22 所示 。 S T M 3 2 F 1 0 3 V C T 6L I S 3 0 2 D L 加 速 度 L 2 9 8 N 電 機 驅(qū) 動I L I 9 3 2 0 液 晶N R F 2 4 L 0 1 無 線W T 5 8 8 D 語 音H C S R 0 4 超 聲 波 G P S 定 位 系 統(tǒng) 圖 22 車載主 機 硬件設計圖 浙江萬里學院本科畢業(yè)論文 8 手持主機 功能需求描述 手持主機 應具備的具體功能要求如下： （ 1） 液晶顯示數(shù)據(jù)的功能。手持模塊液晶實現(xiàn) GPS 數(shù)據(jù)以及智能車度和加速度，通過 GUI 界面展示在液晶屏上，實現(xiàn)人機交互。 （ 2）液晶屏觸摸操控的功能。 UI 界面操控的主體對象是液晶觸摸屏， 通過觸摸屏的觸摸 按鍵選擇智能車的運行模式和運行狀態(tài)。 （ 3） 陀螺儀體傳感器體感功能。通過陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)的采集和分析，判斷手運動的方向，從而間接地控制智能車的運行方向。 手持主機 硬件設計方案 手持主 機 硬件設計如 圖 23 所示 。 L 3 G 4 2 0 0 D T R 體 感S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T 6N R F 2 4 L 0 1 無 線i l i 9 3 2 0 液 晶 圖 23 手持主機 硬件設計圖 系統(tǒng) 軟件設計 本 系統(tǒng) 實現(xiàn)軟件功能主要使用 C 作為開發(fā)語言，而軟件開發(fā)平臺為 ARM 公司旗下的 Keil for ARM。軟件的設計主要分為車載主機程序設計和手持主機程序設計兩大模塊。在開發(fā)過程中，利用意德法公司提供的 函數(shù)庫，提高軟件代碼的編寫效率，縮短項目開發(fā)周期。 軟件設計思想 程序的設計思想主要是手持主機控制車載主機，兩者通過無線通信系統(tǒng)進行信息和指令的傳遞。手持主機 程序 主要 實現(xiàn) GPS 數(shù)據(jù)的采集、智能車模式的選擇、 智能車狀態(tài)信息的采集。為實現(xiàn)系統(tǒng)具有較高的實時性，手持主機和車載主機程序移植 μ C/OSII 實時操作系統(tǒng)，多任務實時操作，任務間同步與通信解決浙江萬里學院本科畢業(yè)論文 9 任務時間上的沖 突，使程序 運行的效率更高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能更好。 軟件設計流程 程序設計流程大致分為三部分 模塊系統(tǒng)驅(qū)動編寫、模塊驅(qū)動的整合、整體系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化。本次系統(tǒng)中的所用到的模塊較多，軟件同時開發(fā)有點難度， 所以按模塊化編寫與調(diào)試，保證每個模塊功能的完整性。然后依次將各部分模塊整合到 μ C/OSII 操作系統(tǒng)運行，車載主機和手持主機的調(diào)試與功能驗證，最終實現(xiàn)整機的功能測試和穩(wěn)定性檢驗，大致的流程就是這樣，詳細的模塊流程見第四章。 整體程序流程圖如圖 24 所示。 開 始車 載 主 機初 始 化手 持 主 機初 始 化語 音 播 報是 否 又 手 持 主 機 命令 ？是 否 觸 摸 按鍵 ？否無 線 發(fā) 送指 定 命 令是液 晶 觸 控否是智 能 車 運行是體 感 操 作否是超 聲 波 避 障否是G P S 和 狀 態(tài)采 集否是手 持 主 機液 晶 顯 示否 圖 24 程序總體流程 圖 系統(tǒng)方案 可行性分析 為了 適當加快本科 課題的研發(fā)進度，采用以自主研發(fā)為主、適當引入第三方成熟組件模塊的技術路線 。 通過自主研發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)中主要的軟硬件模塊，包括 電機驅(qū)動模塊、語音播報模塊、 碰撞保護模塊以及車載和手持主機主板模塊， 而 無線通信模塊、超聲波測距模塊、液晶觸摸模塊 將通過引入第三方成熟的組件模塊實現(xiàn)。 車載主機和手持主機都 是基于 ARM 公司 的 STM32 嵌入式 微處理器為核心開發(fā) ， 目前該款芯片的外設資源豐富開源代碼充足，且價格適當，符合完成本課題的設計要求 。 超聲波自 主避障在 μ C/OS