【導(dǎo)讀】智能車輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊及自動(dòng)控制等技術(shù)。其中，使用嵌入式微處理器和。線通信模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。本文實(shí)現(xiàn)的智能玩具小車，通過對玩具車電子硬件、制算法，完成了玩具小車在規(guī)定路徑上的智能循跡行駛功能。

　　

【正文】 設(shè)置過程如下 ： （ 1） 開啟 TIM3 時(shí)鐘以及復(fù)用功能時(shí)鐘，配置 PB5 為復(fù)用輸出； （ 2） 初始化 TIM3,設(shè)置 TIM3 的 ARR 和 PSC； （ 3） 設(shè)置 TIM3_CH2 的 PWM 模式，使能 TIM3 的 CH2 輸出； （ 4） 使能 TIM3； （ 5） 修改 TIM3_CCR2 來控制占空比。 小車 電機(jī) 前進(jìn) 的控制程序如下： void Motor_Go(void) { GPIO_SetBits (GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。 GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。 } 類似的， 小車后退 控制程序： void Motor_Back(void) { GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。 GPIO_SetBits (GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。 } 電機(jī)調(diào)速 代碼如下，其中 PWM 的占空比范圍為 0~99： void Motor_Set_Speed(unsigned char pwm1, unsigned char pwm2) { TIM_SetCompare1(TIM2,pwm1)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 TIM_SetCompare2(TIM2,pwm2)。 } 舵機(jī)控制 舵機(jī)的初始化與電機(jī)控制類似，都是 PWM波形，不同的是舵機(jī)的 PWM頻率為 50Hz，且脈寬只能在一定范圍內(nèi)改變。由于初始化代碼與之前類似，下面 給出舵機(jī)調(diào)角度控制函數(shù) ，其中舵機(jī)角度 控制參數(shù)值范圍為 60~120 度 。 void Servo_Angle_Set(unsigned char k) { unsigned int pwmval。 pwmval=((k10)*5)/18+49。 TIM_SetCompare1(TIM3,pwmval)。 } 無線通信 NRF24L01 無線通信模塊是采用 SPI 總線接口與 MCU 通信的，最大的 SPI速率為 10MHz。 圖 SPI 內(nèi)部簡明圖 如圖 所示為 SPI 的內(nèi)部簡明圖。 SPI 是英語 Serial Peripheral interface 的縮寫，指的是串行外圍設(shè) 備接口 。 SPI 是一種高速的全雙工同步通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為 PCB 的布局上節(jié)省空間，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議， STM32 也有 SPI 接口。 SPI 接口一般使用 4 條線通信： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 （ 1） MISO 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。 （ 2） MOSI 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入。 （ 3） SCLK 時(shí)鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生。 （ 4） CS 從設(shè)備片選信號，由主設(shè)備控制。 從圖 中可以看出，主機(jī)和從機(jī)都有一個(gè) 串行移位寄存器，主機(jī)通過向它的 SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器通過 MOSI信號線將字節(jié)傳送給從機(jī)，從機(jī)也將自己的移位寄存器中的內(nèi)容通過 MISO 信號線返回給主機(jī)。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換 [13]。 圖 SPI 總線初始化流程圖 圖 所示為 SPI 總線初始化流程圖。 外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進(jìn)行寫操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個(gè)字節(jié)，就必須發(fā)送一個(gè)空字節(jié)來引發(fā)從機(jī)的傳輸。 如圖 為 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 圖 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖 綜上所述， NRF24L01 初始化 過程 如下： （ 1） 初始化 NRF24L01 芯片的 I/O 口，配置上拉輸入和推挽輸出模式； （ 2） 使能 STM32 的 SPI 總線，配置主從模式； （ 3） 定義 SPI 通信的波特值， 開啟 CRC 校驗(yàn)； （ 4） 向 NRF24L01 的 ADDR 寄存器寫入 5 個(gè)字節(jié)的地址； （ 5） 再讀出寫入的地址，判斷初始化程序是否成功。 液晶顯示 Nokia5110（ PCD8544）模塊的通信協(xié)議是一個(gè)沒有 MISO 只有 MOSI 的 SPI 協(xié)議。 STM32 系列 MCU 有富裕的 SPI 接口，所以可以直接利用利用硬件 SPI，但通常沒有必要，因?yàn)樾酒黝l高 且液晶數(shù)據(jù)傳輸對實(shí)時(shí)性要求不高 ，只需要軟件程序模擬即可。 LCD5110 的初始化 過程為 ：接通電源后，內(nèi)部寄存器和 RAM 的內(nèi)容是不確定的，這需要一個(gè) RES 低電平脈沖復(fù)位一下。當(dāng) VDD 變?yōu)楦唠娖?，達(dá)到 VDDmin（ 或更高 ）之后，最多 100ms， RST 輸入低電平 （ 電平幅度 ） ，如圖 所示。 圖 LCD5110 復(fù)位時(shí)序圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 LCD 初始化程序 流程圖 如下 圖 所示 ： 圖 LCD 初始化程序流程圖沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 5 制作與調(diào)試 硬件部分制作 根據(jù)本智能玩具車的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的制作主要是硬件制作，包括三個(gè)部分：玩具小車車模的制作組裝， PCB 電路模塊的制作，各元器件的焊接和模塊的連接。 小車的車體是控制電路平臺的載體。小車搭建要求機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、牢固，考慮到各模塊的大小，將主要電路放在小車后輪處，這樣可以使小車重心后移，有利于轉(zhuǎn)向的靈活。前排的傳感器安裝位置盡量靠前，以獲得最大的探測視野和提前量，使動(dòng) 作反應(yīng)更加靈敏。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng)中延時(shí)較大的環(huán)節(jié)，可以通過增大舵機(jī)的工作電壓來提高舵機(jī)反應(yīng)的靈敏度，但是過高的電壓容易使舵機(jī)燒毀，因此需要多次實(shí)際調(diào)試來取得一個(gè)最為合適的電壓參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，舵機(jī)電壓調(diào)高到 6V比較合適。 考慮到玩具智能小車工作的環(huán)境比較惡劣，機(jī)械震動(dòng)比較大，工作電壓不穩(wěn)定且容易由于碰撞等因素使得電路出現(xiàn)問題，因此 盡量少用洞洞板和飛線直接焊接，而使用較為穩(wěn)定的集成的 PCB 模塊。模塊的體積小且安裝固定比較方便，出現(xiàn)問題可以立即檢查哪個(gè)部分的原因，不用拆解電路就可以及時(shí)更換損壞的零件。 各模 塊的簡介采用接插件固定在一整塊洞洞板上，關(guān)鍵位置需要用銅柱螺絲固定，防止小車行駛過程中脫落。需要考慮的是高電壓（ 12V）與低電壓（ ）的隔離，防止特殊情況下電路燒毀，同時(shí)注意電源模塊發(fā)熱量較大，應(yīng)做好散熱措施。 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件 參數(shù) 調(diào)試和場地 實(shí)際 調(diào)試。由于在小車在設(shè)計(jì)中采用模塊 化設(shè)計(jì)，所以可以方便的對各電路模塊 測試，即： MCU 控制模塊的調(diào)試、無線模塊的調(diào)試、紅外尋跡模塊的調(diào)試以及電機(jī)、舵機(jī)控制模塊的調(diào)試，最后進(jìn)行實(shí)際的場地測試。 硬件調(diào)試 硬件測試即 對各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定的功能。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 電機(jī)控制 此模塊調(diào)試實(shí)現(xiàn)的功能是 利用 MCU 的在線調(diào)試功能（ ISP）實(shí)現(xiàn) ，當(dāng)連接單片機(jī)與電機(jī)控制芯片的 I/O 加上一定的電平可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)左右轉(zhuǎn)向，前后轉(zhuǎn)向以及停止等功能，同時(shí)通過 改變 PWM 占空比對電機(jī)調(diào) 速。 這種方法可以檢測出電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊出現(xiàn)的問題。 表 為電機(jī)測試 記錄表 。 表 電機(jī)測 記錄 試 表 IN1（ PA6） IN2（ PA7） IN3（ PA8） IN4（ PA9） 小車行駛狀態(tài) 0 1 1 0 前進(jìn) 1 0 0 1 后退 0 1 0（ 1） 0（ 1） 前右轉(zhuǎn) 0（ 1） 0（ 1） 1 0 前左轉(zhuǎn) 1 0 0（ 1） 0（ 1） 左后退 0（ 1） 0（ 1） 0 1 右后退 0（ 1） 0（ 1） 0（ 1） 0（ 1） 停止 紅外對管尋跡 尋跡對管有 5 個(gè)組成，所以分別調(diào)試其有效信號。當(dāng)兩對管都放置黑線之外的白色地板上時(shí)，單片機(jī)對應(yīng) I/O 口收到的電平都為低，輸入電壓為 左右，當(dāng)左邊的紅外線管進(jìn)入黑線范圍，對應(yīng)電平變高，為 左右，同時(shí)指示等紅燈亮，說明要控制小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)在右邊時(shí)同左邊情況對應(yīng)，需控制左轉(zhuǎn)。其中選取 其中兩個(gè)傳感器進(jìn)行 5次硬件測試記錄如下表 ： 表 尋跡硬件測試記錄 測試次數(shù) 第 1 次 第 2 次 第 3 次 第 4 次 第 5 次 放置位置 雙管黑線上 左管黑線上 右管黑線上 左管黑線上 雙管黑線上 放置距離 3CM 2CM 2CM 3CM 5CM 電壓 電壓 由上表可以看出小車的尋跡紅外線管只要放置在離地面 4CM 之內(nèi)一般都可以實(shí)現(xiàn)信號的輸出，而實(shí)際車頭離地面的距離也只有 2~4CM，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 軟件參數(shù)調(diào)試 首先需要檢查的是軟件編譯是否有錯(cuò)誤和警告，各模塊變量參數(shù)是否定義錯(cuò)誤，在軟件代碼編譯無誤之后，將其下載到 MCU 之中。檢查小車能否正常工作，接下來還是利用 ISP 調(diào)試和無線模塊通信對軟件算法的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。 如前面所述，需要調(diào)試獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)為：電機(jī) PID 參數(shù)；舵機(jī) PID 參數(shù)；定時(shí)器中斷時(shí)間；延時(shí)時(shí)間；循跡算法參數(shù)。 實(shí)際測試 各模塊都調(diào)試通過 和軟件參數(shù)調(diào)整合適 之后，將各個(gè)模塊連接起來與硬件結(jié)合進(jìn)行場地 實(shí)際測試 。在進(jìn)行 實(shí)際測試 時(shí)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，不斷的來修改參數(shù)來完善結(jié)果。使程序按照要求設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行。 測試的場地是白色卡紙板上粘上黑色不反光膠帶制成，周圍設(shè)置了一定的防撞措施如圖 所示為測試場地示意圖 ，從起點(diǎn) A 處開始，小車逆時(shí)針行駛。 圖 測試場地示意圖 測試記錄數(shù)據(jù)如下表 和表 。 B C 起點(diǎn) A D E F沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 表 小車實(shí)際場地 測試 時(shí)間記錄表（單位： s） 測試次數(shù) AB 路段 BC 路段 CD 路段 DE 路段 F 路段 備注 1 — 2 / 脫軌 3 — 注：小車 因速度過快而脫離軌道后仍能自行返回原軌道，無須人為搬回。 表 小車循跡情況記錄表 AB 路段 BC 路段 CD 路段 DE 路段 F 路段 勻速通過， 舵機(jī)動(dòng)作幅度較小， 循跡很少出現(xiàn)丟失的情況 入彎前減速，中斷勻速，出彎減速，在入彎時(shí)小車角度有大幅度調(diào)整，容易丟失路徑 勻速通過， 舵機(jī)動(dòng)作幅度較小， 循跡很少出現(xiàn)丟失的情況 路段復(fù)雜，小車平均速度較低， 舵機(jī)頻繁的大幅度調(diào)整，小車 容易丟失路線 由于彎道較規(guī)整，舵機(jī)不用較多調(diào)整， 基本能夠勻速通過，成功率較高 根據(jù)測試結(jié)果，可以看出小車循跡功能 能夠比較良好的 實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，小車能很好的完成循跡 功能 ，即使 遇到復(fù)雜的路線，小車通過降低速度可以提高循跡成功率 。但小車在 循跡遇到較為急的彎道 經(jīng)過較長時(shí)間 和多次 的調(diào)整才能 循到路線 ， 因此 采用的算法 還有提升的空間 。本設(shè)計(jì)采用的算法只 適用于一般情況，特殊一些的情況就可能出現(xiàn)需要具體的分析，提出單獨(dú)的循跡算法 。 在調(diào)試過程中 ，小車運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定 ，說明模塊化的設(shè)計(jì)起到了很好的效果 。 小車 能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)。 無線模塊功能和 液晶顯示正常。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 結(jié)論 21 世紀(jì)的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，對傳統(tǒng)玩具進(jìn)行信息化智能化改造，智能玩具能夠?qū)崿F(xiàn)越來越多的功能，更需要不斷應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品以滿足大眾的需求。 本設(shè)計(jì)主要是采用了現(xiàn)代控制技術(shù)和嵌入式技術(shù)，通過對玩具車的改造，加裝主控板和各種各樣 的模塊，實(shí)現(xiàn)了玩具小車的循跡行駛功能，通過無線模塊和液晶顯示器，能夠很好的反應(yīng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。論文介紹了該設(shè)計(jì)的總體思想和一些用到的基本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。本文主要的思路如下： （ 1）本設(shè)計(jì)使用模塊化的設(shè)計(jì)方法。各個(gè)功能在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上都使用了模塊的電路組件。這樣的好處能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且各個(gè)模塊可以自由修改，為以后的升級產(chǎn)品提供了實(shí)現(xiàn)空間。 （ 2）本設(shè)計(jì) 中軟件控制 的 關(guān)鍵在于 把 一種 基于分段的路徑識別方法 和 PID 算法 加入智能玩具 小車的設(shè)計(jì)中， 因此 在復(fù)雜的路徑 條件 下，小車依然能夠較好的完成 預(yù) 定 功能。 雖然 只是一個(gè)簡單的智能算法，但有這樣的基礎(chǔ) 鋪墊 之后，就可以把更多的智能算法用于玩具 小車 的開發(fā) 中來 ，這也是 實(shí)現(xiàn) 小車智能化的一個(gè)重要方法。 （ 3）系統(tǒng)經(jīng)過 大量 測試， 可靠性 得到提高。 小車能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)，基本上能實(shí)現(xiàn)小車的路徑規(guī)劃功能。 該智能玩具小車系統(tǒng)還存在需要改進(jìn)的地方： （ 1）小車所行走的區(qū)域有可是一個(gè)固定的路線，因此可以