【導讀】智能車輛是一個集環(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)，它集中運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊及自動控制等技術。其中，使用嵌入式微處理器和。線通信模塊與計算機進行實時通信。本文實現(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】 設置過程如下 ： （ 1） 開啟 TIM3 時鐘以及復用功能時鐘，配置 PB5 為復用輸出； （ 2） 初始化 TIM3,設置 TIM3 的 ARR 和 PSC； （ 3） 設置 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 前進 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)。 } 電機調速 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)。 沈陽理工大學學士學位論文 30 TIM_SetCompare2(TIM2,pwm2)。 } 舵機控制 舵機的初始化與電機控制類似，都是 PWM波形，不同的是舵機的 PWM頻率為 50Hz，且脈寬只能在一定范圍內改變。由于初始化代碼與之前類似，下面 給出舵機調角度控制函數(shù) ，其中舵機角度 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 內部簡明圖 如圖 所示為 SPI 的內部簡明圖。 SPI 是英語 Serial Peripheral interface 的縮寫，指的是串行外圍設 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： 沈陽理工大學學士學位論文 31 （ 1） MISO 主設備數(shù)據(jù)輸入，從設備數(shù)據(jù)輸出。 （ 2） MOSI 主設備數(shù)據(jù)輸出，從設備數(shù)據(jù)輸入。 （ 3） SCLK 時鐘信號，由主設備產(chǎn)生。 （ 4） CS 從設備片選信號，由主設備控制。 從圖 中可以看出，主機和從機都有一個 串行移位寄存器，主機通過向它的 SPI串行寄存器寫入一個字節(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，從機也將自己的移位寄存器中的內容通過 MISO 信號線返回給主機。這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換 [13]。 圖 SPI 總線初始化流程圖 圖 所示為 SPI 總線初始化流程圖。 外設的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機要讀取從機的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。 如圖 為 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖。 沈陽理工大學學士學位論文 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； （ 4） 向 NRF24L01 的 ADDR 寄存器寫入 5 個字節(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，因為芯片主頻高 且液晶數(shù)據(jù)傳輸對實時性要求不高 ，只需要軟件程序模擬即可。 LCD5110 的初始化 過程為 ：接通電源后，內部寄存器和 RAM 的內容是不確定的，這需要一個 RES 低電平脈沖復位一下。當 VDD 變?yōu)楦唠娖?，達到 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 復位時序圖 沈陽理工大學學士學位論文 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學士學位論文 1 5 制作與調試 硬件部分制作 根據(jù)本智能玩具車的設計方案，系統(tǒng)的制作主要是硬件制作，包括三個部分：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。小車搭建要求機械結構合理、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 作反應更加靈敏。 舵機轉向是整個控制系統(tǒng)中延時較大的環(huán)節(jié)，可以通過增大舵機的工作電壓來提高舵機反應的靈敏度，但是過高的電壓容易使舵機燒毀，因此需要多次實際調試來取得一個最為合適的電壓參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，舵機電壓調高到 6V比較合適。 考慮到玩具智能小車工作的環(huán)境比較惡劣，機械震動比較大，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部分的原因，不用拆解電路就可以及時更換損壞的零件。 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，同時注意電源模塊發(fā)熱量較大，應做好散熱措施。 系統(tǒng)調試 本系統(tǒng)的調試共分為三大部分：硬件調試，軟件 參數(shù) 調試和場地 實際 調試。由于在小車在設計中采用模塊 化設計，所以可以方便的對各電路模塊 測試，即： MCU 控制模塊的調試、無線模塊的調試、紅外尋跡模塊的調試以及電機、舵機控制模塊的調試，最后進行實際的場地測試。 硬件調試 硬件測試即 對各個模塊的功能進行調試，主要調試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。 沈陽理工大學學士學位論文 2 電機控制 此模塊調試實現(xiàn)的功能是 利用 MCU 的在線調試功能（ ISP）實現(xiàn) ，當連接單片機與電機控制芯片的 I/O 加上一定的電平可以實現(xiàn)電機左右轉向，前后轉向以及停止等功能，同時通過 改變 PWM 占空比對電機調 速。 這種方法可以檢測出電機和驅動模塊出現(xiàn)的問題。 表 為電機測試 記錄表 。 表 電機測 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 1 0 0 1 后退 0 1 0（ 1） 0（ 1） 前右轉 0（ 1） 0（ 1） 1 0 前左轉 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 個組成，所以分別調試其有效信號。當兩對管都放置黑線之外的白色地板上時，單片機對應 I/O 口收到的電平都為低，輸入電壓為 左右，當左邊的紅外線管進入黑線范圍，對應電平變高，為 左右，同時指示等紅燈亮，說明要控制小車右轉；當在右邊時同左邊情況對應，需控制左轉。其中選取 其中兩個傳感器進行 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 之內一般都可以實現(xiàn)信號的輸出，而實際車頭離地面的距離也只有 2~4CM，可以實現(xiàn)有效控制。 沈陽理工大學學士學位論文 3 軟件參數(shù)調試 首先需要檢查的是軟件編譯是否有錯誤和警告，各模塊變量參數(shù)是否定義錯誤，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 調試和無線模塊通信對軟件算法的各項參數(shù)進行調試。 如前面所述，需要調試獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)為：電機 PID 參數(shù)；舵機 PID 參數(shù)；定時器中斷時間；延時時間；循跡算法參數(shù)。 實際測試 各模塊都調試通過 和軟件參數(shù)調整合適 之后，將各個模塊連接起來與硬件結合進行場地 實際測試 。在進行 實際測試 時，經(jīng)過反復的實驗，不斷的來修改參數(shù)來完善結果。使程序按照要求設計的要求進行。 測試的場地是白色卡紙板上粘上黑色不反光膠帶制成，周圍設置了一定的防撞措施如圖 所示為測試場地示意圖 ，從起點 A 處開始，小車逆時針行駛。 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 A D E F沈陽理工大學學士學位論文 4 表 小車實際場地 測試 時間記錄表（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， 舵機動作幅度較小， 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，在入彎時小車角度有大幅度調整，容易丟失路徑 勻速通過， 舵機動作幅度較小， 循跡很少出現(xiàn)丟失的情況 路段復雜，小車平均速度較低， 舵機頻繁的大幅度調整，小車 容易丟失路線 由于彎道較規(guī)整，舵機不用較多調整， 基本能夠勻速通過，成功率較高 根據(jù)測試結果，可以看出小車循跡功能 能夠比較良好的 實現(xiàn)。結果表明，小車能很好的完成循跡 功能 ，即使 遇到復雜的路線，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)過較長時間 和多次 的調整才能 循到路線 ， 因此 采用的算法 還有提升的空間 。本設計采用的算法只 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，提出單獨的循跡算法 。 在調試過程中 ，小車運行狀態(tài)穩(wěn)定 ，說明模塊化的設計起到了很好的效果 。 小車 能很好的完成沿黑色軌道前進，改變軌道的形狀及轉彎角度，小車仍可以完成循跡任務。 無線模塊功能和 液晶顯示正常。沈陽理工大學學士學位論文 1 結論 21 世紀的電子和計算機技術飛速發(fā)展，對傳統(tǒng)玩具進行信息化智能化改造，智能玩具能夠實現(xiàn)越來越多的功能，更需要不斷應用現(xiàn)代先進的技術開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品以滿足大眾的需求。 本設計主要是采用了現(xiàn)代控制技術和嵌入式技術，通過對玩具車的改造，加裝主控板和各種各樣 的模塊，實現(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，能夠很好的反應系統(tǒng)的工作狀態(tài)。論文介紹了該設計的總體思想和一些用到的基本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設計。本文主要的思路如下： （ 1）本設計使用模塊化的設計方法。各個功能在硬件和軟件的設計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。并且各個模塊可以自由修改，為以后的升級產(chǎn)品提供了實現(xiàn)空間。 （ 2）本設計 中軟件控制 的 關鍵在于 把 一種 基于分段的路徑識別方法 和 PID 算法 加入智能玩具 小車的設計中， 因此 在復雜的路徑 條件 下，小車依然能夠較好的完成 預 定 功能。 雖然 只是一個簡單的智能算法，但有這樣的基礎 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 實現(xiàn) 小車智能化的一個重要方法。 （ 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，改變軌道的形狀及轉彎角度，小車仍可以完成循跡任務，基本上能實現(xiàn)小車的路徑規(guī)劃功能。 該智能玩具小車系統(tǒng)還存在需要改進的地方： （ 1）小車所行走的區(qū)域有可是一個固定的路線，因此可以