【正文】 （ 3）系統(tǒng)經(jīng)過 大量 測試， 可靠性 得到提高。這樣的好處能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 本設(shè)計主要是采用了現(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)。 在調(diào)試過程中 ，小車運行狀態(tài)穩(wěn)定 ，說明模塊化的設(shè)計起到了很好的效果 。 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(diào)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(fù)雜，小車平均速度較低， 舵機頻繁的大幅度調(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 實現(xiàn)。使程序按照要求設(shè)計的要求進(jìn)行。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參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。 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(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 個組成，所以分別調(diào)試其有效信號。 硬件調(diào)試 硬件測試即 對各個模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。 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。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(yīng)更加靈敏。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。 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； （ 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。 圖 SPI 總線初始化流程圖 圖 所示為 SPI 總線初始化流程圖。 （ 4） CS 從設(shè)備片選信號，由主設(shè)備控制。 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。 TIM_SetCompare1(TIM3,pwmval)。 } 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(nèi)改變。 } 類似的， 小車后退 控制程序： void Motor_Back(void) { GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2)。這兩種 PWM 模式的區(qū)別就是輸出電平的極性相反。要使 STM32 的通用定時器 TIMx 產(chǎn)生 PWM 輸出會用到 3 個寄存器，分別是：捕獲 /比較模式寄存器（ TIMx_CCMR1/2）、捕獲 /比較使能寄存器（ TIMx_CCER）、捕獲 /比較寄存器（ TIMx_CCR1~4）。前者主要是使用電機驅(qū)動模塊上面的控制端，通過單片機的 I/O 口輸出控制信號。為了解決上訴存在的問題，對數(shù)字 PID 算法進(jìn)行了改進(jìn)，將不完全微分和微分先行引入到PID 算法中，大大改善了速度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。 其表達(dá)式為： ???????????? = ?????? +???? ∑??+??????? 式中， e 為車身與跑道的偏移量； Kp 為比例系數(shù)； Ki 為積分系數(shù)； Kd 為微分系數(shù)；output 為舵機 PWM 輸出量； Δe 為上一次偏移量與當(dāng)前偏移量之差 。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。當(dāng)有誤差時，積分 調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差時積分調(diào)節(jié)才停止，積分調(diào)節(jié)輸出常值。如圖 為 PID 控制系統(tǒng)原理圖。 如圖 所示，可以用硬件定時器定時一段時間為依據(jù)劃分段，也可以通過編碼器記錄小車行進(jìn)的距離為依據(jù)劃分若干個路段。若只有 SS3 和 SS5（或 SS1）檢測到黑線，則判斷為 U 型彎，采取大于 180 度的角度轉(zhuǎn)彎。當(dāng)小車經(jīng)過轉(zhuǎn)彎之后行駛到 S 彎中部時，判斷中間三個傳感器（ SS SS SS4）的狀態(tài)，若三個傳感器均能檢測到黑線，則可以確定為此為S 彎，此時小車以相同半徑反方向轉(zhuǎn)彎。 圖 垂直交叉路口的算法程序流程圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 S 型彎及 U 型彎的循跡 方法 S 型彎和 U 型彎屬于大曲率彎道，由于傳感器個數(shù)和智能車反應(yīng)時間的限制，容易使路徑判斷錯誤，導(dǎo)致小車偏離賽道。 //保存當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù) SS1=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_8)。而根據(jù)經(jīng)驗，若遇到垂直彎道完全可以按照弧形彎道的方法來處理，小車很難出現(xiàn)跑偏的情況。在這個前提下，當(dāng) SS2 碰到黑線時可以向左轉(zhuǎn)， SS4 碰到黑 線的時候可以向右轉(zhuǎn)，如圖 所示，就可以實現(xiàn) 直道 簡單 彎道 的循跡方法。改進(jìn)型相對于傳統(tǒng)一字型布局有顯著的優(yōu)點：由于傳感器 有一個分布在前排上 ，使得智能 玩具小 車對于 路徑檢測 有了一定的預(yù)測功能， 具體體現(xiàn)在 進(jìn)入 復(fù)雜 彎道的時刻，此時后一排傳感器仍在 彎 道時，前一排傳感器已經(jīng) 檢測到彎道的變化 。不足之處在于：傳感器僅有一排，且安裝在智能車的頭部 ，故對賽道黑線軌跡的曲率幾乎沒有任何預(yù)測功能。 // 小車實時速度 int angle。 } } 定義的 中斷服務(wù)子程序 如下： void EXTI2_IRQHandler(void) { 轉(zhuǎn)向控制 ()。 結(jié)束 是否到終點線？ 開始 方向控制 硬件初始化 定時器中斷 獲取傳感器值 速度控制 N Y 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 for(。本章闡述了智能車軟件部分的原理和算法設(shè)計思路，最后 在附錄中 給出了各模塊的代碼。 該模塊使用 SPI 協(xié)議與單片機通信。 圖 Nokia 5110 液晶顯示模塊實物圖 無線通信 使用串口通信可以將智能車采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機進(jìn)行處理，然而其弊端在于線纜的限制。 液晶顯示 器 液晶顯示是智能車對外界反饋信息最好的方式，快捷且直觀，可以將液晶顯示模塊與單片機進(jìn)行連接，將要監(jiān)視的數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶顯示模塊上，從而可以脫離在線仿真監(jiān)視變量的變化。 該傳感器模塊的電路設(shè)計如圖 所示。紅外發(fā)射管向地面發(fā)射紅外光，遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射， 紅外 接收管接收 到了發(fā)射光 ，輸出 較低的 電壓 ； 當(dāng) 遇到黑線 時， 則紅外光被吸收， 紅外 接收管接收不到信號， 則輸出 高 電壓。供電電壓為 5~12V，完全兼容智能玩具車的供電需求。 圖 光電脈沖測速原理示意圖 光電編碼器采用光電 接收技術(shù) ，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為 不同角度極性的 數(shù)字脈沖，如圖 所示的是為光電脈沖測速原理示意圖，在發(fā)光元件和光電接收元件中間有一個 扇沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 形的 碼盤， 碼盤上均 勻的刻有透明光柵， 轉(zhuǎn)動碼盤形成光脈沖，產(chǎn)生對應(yīng)的電信號。速度反饋值可以通過 PID 算法（詳見軟件設(shè)計部分）更加迅速的調(diào)整小車的加速與減速。脈沖有最小值，最大值，和頻率 三個參數(shù) 。 舵機可以 反饋轉(zhuǎn)動的角度信息，而 普通直流電機不能做到 。其中 0 為低電平、 1 為高平、 為任意電平，懸空時為高電平，如表 所示。 該 直流電機驅(qū)動模塊功能特點 如下 ： （ 1） 尺寸 設(shè)計盡量小，易于模塊的放置與安裝； （ 2） 支持電機電壓 寬泛， 724V 均可以使用 ， 加 防反接 功能 ； （ 3） 雙路電機接口，每路最大負(fù)載電流 3A，每路有獨立的 3A 過流保護(hù)； （ 4） 與 L298N 驅(qū)動芯片控制信號同邏輯，每路都支持控制使能、正反轉(zhuǎn)及制動； （ 5） 使能信號可外接 PWM，正反轉(zhuǎn)控制信號可串聯(lián)限位開關(guān)； （ 6） 控制信號使用灌電流驅(qū)動方式，支持絕大多數(shù)單片機直接驅(qū)動； （ 7） 使用光耦對全部控制信號進(jìn)行隔離。根據(jù)個管不同 的導(dǎo)通 情況 ，電流可能會從左 到 右或從右 到 左流過電機，從而控制電機的 不同方向 。 PWM 信號的占空比決定電動機的轉(zhuǎn)速，故電動機的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié) PWM 占空比來實現(xiàn)。 單片機 芯片在接收并處理完成 傳感器傳回的道路信息后得出預(yù)期速度，通過脈寬調(diào)制信號來控制電動機的轉(zhuǎn)速。 圖 所示的為最終制成的 最小系統(tǒng)電路板。由于 STM32 的功耗很小，所以不需要大電流穩(wěn)壓，但主控芯片需要一個穩(wěn)定的電壓保持平穩(wěn)工作，所以供電設(shè)計為獨立供電，避免與其他負(fù)載并聯(lián)導(dǎo)致負(fù)載變化時影響芯片供電引起問題。 存儲器 512K 字節(jié) ROM， 64K 字節(jié) SRAM； 外 設(shè) （ 1） 2 個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ， 1 個 溫度傳感器 ， 2 個 DMA 控制器； （ 2） 64 個 通用 快速 I/O 端口； （ 3） 1 個 串行單線調(diào)試和 JTAG 接口； （ 4） 6 個 通用 定時器 和 2 個高級定時器 ； 通信接口 （ 1） 2 個 I2C 總線 接口 ； 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 2） 3 個 USART 通信 接口 ； （ 3） 2 個 SPI 總線 接口； （ 4） 2 個 CAN 總線 接口； （ 5） 1 個 USB 全速接口。這個部分主要作用是系統(tǒng)的測試和參數(shù)調(diào)整，能夠直觀快速的顯示系統(tǒng)的各項狀態(tài)。這個部分主要對傳感器獲得的賽道信息采集處理，為下一步動作控制部分的基礎(chǔ)。 總體設(shè)計框圖 經(jīng)過上訴方案論證的過程之后， 其系統(tǒng)總方框圖如圖 所示。 若在小車底部安裝該光電傳感器，當(dāng) 底部的遇到黑 色路徑 時， 傳感器 輸出 高電平，遇到 白色地 面時， 輸出 低電平。 然而 光敏二極管 精度不夠， 受 外界 光的 干擾 影響較大，線性程度不好 。 由于 電路工作在管子的飽和截止?fàn)顟B(tài) ， 因此效率 高 。 還有一個問題在于 電動機 工作 電流很大， 這種方案效率較低 ， 工作損耗大， 而且使用壽命不高 。開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓電源。目前 廣泛運用的主要是線性電源和開關(guān)電源。 方案二：采用 ARM Cortex M 系列 核心的嵌入式處理器。 方案一 ：采用目前廣泛運用，成本低廉的 51 系列單片機作為主控芯片。良好的硬件設(shè)計是智能玩具車穩(wěn)定運行的基本保證。目前國際上發(fā)展智能汽車設(shè)計思路都是一 致的，即在成熟可靠的傳統(tǒng)汽車平臺上，改裝其控制系統(tǒng)，加裝傳感器和智能模塊。 汽車產(chǎn)業(yè)，作為一個有著一百多年歷史的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在新的環(huán)境下，必然需要不斷的自我革新，緊跟時代潮流。在此基礎(chǔ)上，智能控制的車輛也越來越受到工業(yè)、交通、國防、能源等領(lǐng)域的青睞，得到了 蓬勃發(fā)展 。 Embedded Microprocessors。本論文主要通過玩具小車模擬智能無人 循跡 駕駛汽車，實現(xiàn)其基本功能。其中，使用嵌入式微處理器和紅外 傳感器加裝 于玩具小車之上， 感應(yīng)周圍環(huán)境變化，獲取路面信息，處理之后通過無線通信模塊與計算機進(jìn)行實時通信。Sensors。 智能車輛在普通車輛的基礎(chǔ)上增加了先進(jìn)的傳感器、控制器、執(zhí)行器 和無線通信 等裝置，通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端，實現(xiàn)與人、車、路等的智能信息交換，使車輛 能夠 智能的 感知周圍 環(huán)境，自動分析車輛行駛的安全及危險狀態(tài)，并使車輛按照人的意愿到達(dá)目的地，最終實現(xiàn)替代人來操作的目的。智能汽車正式兩種產(chǎn)業(yè)的有機結(jié)合，必然會的到蓬勃的發(fā)展。智能汽車是一個綜合的浩大的工程， 包括傳感器的應(yīng)用、電動機的應(yīng)用、電路設(shè)計、自動控制原理、系統(tǒng)調(diào)試、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計等。智能玩具車的硬件模塊大體可以分為三部分，即傳感器電路、驅(qū)動電路和輔助電路。 51 系列單片機作為一種經(jīng)典的單片機品種，技術(shù)成熟且技術(shù)資料豐富，開發(fā)周期短， 特別適合低端智能玩具上使用。 Cortex M 系列是 ARM 專為工業(yè)控制、智能電器等領(lǐng)域特別推出的嵌入式核心，繼承了 ARM 芯片一貫的優(yōu)點，具有高性能，低功耗的優(yōu)點，系統(tǒng)集成度高。 方案一：線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子技術(shù) 發(fā)展而成的新型電源 ， 通過控制開關(guān)管開關(guān)斷的時間