【正文】 通安全等方面提供了新的解決途徑。 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 80 年代。雖然在總體上我國智能車輛技術(shù)方面落后于發(fā)達國沈陽理工大學學士學位論文 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公司和國防科技大學機電工程與自動化學院于 2020 年研制成功 。 （ 2） 軍用室外自主車由南京理工大學、北京理工大學、浙江大學、國防科技大學、清華大學等國內(nèi)多所高等院校聯(lián)合研制，該車配備彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導(dǎo)定位等高端傳感器。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到 20km/h，而避障速度達到 510km/h。目前，國內(nèi)眾多高校和科研院所都在進行 ITS 關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。并且通過越來越多的汽車企業(yè)和交通部門對 ITS 及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個社會對智能車輛的關(guān)注程度在不斷提高。 可以 預(yù)計，我國飛速 發(fā)展 的經(jīng)濟實力將為智能車輛的研究提供一個更加廣闊的前景。 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于國內(nèi)較久，始于上世紀 50 年代。 1954 年美國 Barrett Electronics 公司研究開發(fā)出世界上第一臺自主引導(dǎo)車系統(tǒng) AGVS（ Automated Guided Vehicle System） 。早期研制 AGVS 的目的是為了提高倉庫運輸?shù)淖詣踊?，?yīng)用領(lǐng)域僅局限于倉庫內(nèi)的物品運輸。 第二階段，從 80 年代中后期開始，世界主要發(fā)達國家對智能車輛進行卓有成效的沈陽理工大學學士學位論文 4 研究。在美洲，美國于 1995年成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（ NAHSC），其目標之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進智能車輛技術(shù)進 入實用化。進入 80 年代中期，設(shè)計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。最為突出的是，美國卡內(nèi)基 梅隆大學（ Carnegie Mellon University）機器人研究所一共完成了 Navlab 系列的 10 臺自主車（ Navlab1— Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。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。 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(guān)駕駛信息。這是一個雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。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(dǎo)航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙。 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。 本文研究內(nèi)容 本課題開發(fā)設(shè)計一種基于 STM32 的智能車系統(tǒng)，實現(xiàn)直流電機閉環(huán)控制，自動識沈陽理工大學學士學位論文 5 別邊界，提升裝置自主啟動等一系列功能。在功能模塊中需要數(shù)據(jù)的采集，紅外測距模塊串口數(shù)據(jù)的輸出以及主機采集紅外測距的數(shù)據(jù)等方式完成了數(shù)據(jù)采集任務(wù)。 本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個部分： 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際應(yīng)用方面的價值，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。 第三章 介紹了智能 小車的硬件系統(tǒng)設(shè)計。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、障礙物檢測模塊、電機驅(qū)動模塊等的具體電路設(shè)計。 第四章介紹了智能小車的軟件系統(tǒng)設(shè)計。 第五章結(jié)論部分。 沈陽理工大學學士學位論文 6 2 STM32 芯片及驅(qū)動電路介紹 本課題開發(fā)設(shè)計一種基于 STM32 的智能車系統(tǒng)，實現(xiàn)直流電機驅(qū)動，紅外測距傳感器識別邊界等示一系列功能。 STM32 芯片介紹 2020 年 ARM 公司推出了基于 ARMv7 架構(gòu)的 Cortex 系列的標準體系結(jié)構(gòu)，以滿足各種技術(shù)的不同性能要求，包含 A、 R、 M 三個分工明確的系列 [1]。 CortexM3 是首款基于 ARMv7M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標準處理器，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。半導(dǎo)體制造廠商 ST 公司是 ARM 公司 CortexM3 內(nèi)核開發(fā)項目一個主要合作方， 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。 STM32 芯片實物圖如圖 所示。 STM32F101 是標準型系列，工作在 36MHZ；STM32F103 是增強型系列，工作在 72MHZ，帶有更多片內(nèi) RAM 和更豐富的外設(shè)。 標準型系列是 STM32 處理器入門產(chǎn)品，其價格僅相當于 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。內(nèi)含的 CortexM3 內(nèi)核工作在 72MHZ，能實現(xiàn)高端運算，其外設(shè)的配置能提供極好的控制和聯(lián)接能力。 對于使用同一平臺進行多個項目的開發(fā)而言， STM32 更是一種非常好的選擇。全系列兼容，使得項目之間的代碼重用和代碼移植變得非常方便。該系列微處理器工作頻率為 72MHz，內(nèi)置 高達 128K 字節(jié)的Flash 存儲器 。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。每個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。 3. 靈活的 7 路通用 DMA 可以管理存儲器到存儲器、設(shè)備到存儲器和存儲器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，無須 CPU 任何干預(yù)。 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_緩沖區(qū)結(jié)尾時所產(chǎn)生的中斷。 4. 調(diào)試模式：支持標準的 20 腳 JTAG 仿真調(diào)試以及針對 Cortex M3 內(nèi)核的串行單線 調(diào)試（ SWD）功能。 5. 含有豐富的通信接口：三個 USART 異步串行通信接口、兩個 I2C 接口、兩個SPI 接口、一個 CAN 接口和一個 USB 接口，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證。在本設(shè)計中電機調(diào)速通過定時器的 PWM 功能實現(xiàn)。 TIMx 定時器介紹 STM32F10x系列處理器內(nèi)部有 8個定時器，其中 TIM1和 TIM8為高級控制定時器，TIM TIM TIM4和 TIM5為 4個獨立的通用定時器， TIM6和 TIM7為基本定時器。其中基本定時器可以為通用定時器提供時間基準，特別地可以為數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)提供時鐘，實際上，它們在芯片內(nèi)部直接連接到 DAC并通過觸發(fā)輸出直接驅(qū)動 DAC。通過對定時器預(yù)分頻器和 RCC時鐘控制器預(yù)分頻器的編程，可將脈沖長度和波形周期在幾個微秒到幾個毫秒間進行調(diào)整。 STM32F103主控芯片的 8個定時器中，高級控制定時器 TIM1和 TIM8及 4個 通用定時器均可生成 PWM波。下面簡要介紹通用定時器的特性及功能。 2. 16位可編程 (可以實時修改 )預(yù)分頻器，計數(shù)器時鐘頻率 的分頻系數(shù)為 1～ 65536之間的任意數(shù)值。 4. 使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路。 6. 支持針對定位的增量 (正交 )編碼器和霍爾傳感器電路。 對通用定時器 TIMx 功能簡要描述如下 [7]： 時基單元可編程通用定時器的主要部分是一個 16 位計數(shù)器和與其相關(guān)的自動裝載沈陽理工大學學士學位論文 10 寄存器。此計數(shù)器時鐘由預(yù)分頻器分頻得到。預(yù)分頻寄存器用于設(shè)定計數(shù)器的時鐘頻率；自動裝載寄存器的內(nèi)容是預(yù)先裝載的，其內(nèi)容被永久的保存在影子寄存器，或每次更新事件 UEA 發(fā)生時傳送到影子 寄存器；當計數(shù)器達到溢出條件且當 TIMx_CR1 寄存器中的 UDIS 位為 0 時，產(chǎn)生更新事件。 定時器工作模式有計數(shù)器模式、輸入捕獲模式、 PWM 輸入模式、強制輸出模式、PWM 模 式等，根據(jù)設(shè)計要求，定時器應(yīng)配置成 PWM 模式生成不同占空比的 PWM 波。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）模式可以產(chǎn)生一個由 TIMx_ARR 寄存器確定頻率、由TIMx_CCRx 寄存器確定占空比的信號。使用 PWM 模式，必須通過設(shè)置 TIMx_CCMRx 寄存器的 OCxPE 位使能相應(yīng)的預(yù)裝載寄存器，最后還要設(shè)置 TIMx_CR1 寄存器的 ARPE 位， (在向上計數(shù)或中心對稱模式中 )使能自動重裝載的預(yù)裝載寄存器。 OCx 的極性可以通過軟件在TIMx_CCER 寄存器中的 CCxP 位設(shè)置，它可以設(shè)置為高電平有效或低電平有 效。在 PWM 模式 (模式 1 或模式 2)下， TIMx_CNT 和 TIMx_CCRx始終在進行比較，依據(jù)計數(shù)器的計數(shù)方向以確定是否符合 TIMx_CCRx≤ TIMx_CNT 或者 TIMx_CNT≤ TIMx_CCRx。 PWM 輸出信號的占空比由 TIMx_CRRx 寄存器確定的。 電機驅(qū)動電路介紹 電機驅(qū)動電路采用 L298 芯片控制，其內(nèi)部原理圖如圖 。直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是 H 型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。當 S S2 導(dǎo)通時，S S4 關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當 S S4 導(dǎo)通時， S S2 關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在這種情況下，理論上要求兩組控制 信號完全互補，但是，由于實際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。 圖 上下橋臂導(dǎo)通圖 S2 S3 S4 S1 沈陽理工大學學士學位論文 12 因此，為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作之間的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可以通過軟件實現(xiàn)。若 S S4 關(guān)斷， S S2 受 PWM控制，假設(shè)高電平導(dǎo)通，忽略開關(guān)管損耗，則在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為 t，周期為 T，則電機兩端的平均電壓為： U=Vcc*t/ T=α *Vcc ，其中 α =t/T 稱為占空比， Vcc 為電源電壓（電源電壓減去兩個開關(guān)管的飽和壓降）。 L298 的 EN A（第 6 引腳）、 EN B（第 11 引腳）分別與兩路 PWM 波輸出端相連，控制電機是否轉(zhuǎn)動。 SENSE A、 SENSE B為電流反饋引腳。但經(jīng)過實驗， Vs 電壓應(yīng)該比 Vss 電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。控制系統(tǒng)的先進與否，直接關(guān)系到整個機器人系統(tǒng)智能化水平的高低。本文設(shè)計的智能小車控制系統(tǒng)，具 備了邊界墻檢測、自主定位、提升電機自動開啟等一系列功能。 STM32F103 具有豐富的外設(shè)接口、實時性強等優(yōu)點，采用模塊化設(shè)計，滿足實際需要及擴展；利用傳感器檢測外界信息，實現(xiàn)小車簡單的避障和識別功能。 本論文設(shè)計的小車控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計原理圖見附錄，下面分別介紹各部分模塊的設(shè)計。 電機系統(tǒng)使用兩個電機（ A 和 B） ， 設(shè)定正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)，分別控制左輪和右輪，通過兩個電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)切換控制小車的行駛方向，例如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，實現(xiàn)小車的基本運動功能； 通過對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制小車的運動速度。 表 電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)與小車運動方向關(guān)系表 運動狀態(tài) 電機 A（右輪） 電機 B（左輪） 前進 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 停止 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 停止 小車電機系統(tǒng)，即通過 PID 算法，對電機進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)小車的直線行駛，使小車按指定的路線行駛。 小車識別系統(tǒng)，即在自由行走模 式下通過距離傳感器對障礙物檢測，使小車實現(xiàn)在邊界處自動停止。 沈陽理工大學學士學位論文 15 圖 STM32F103芯片最小系統(tǒng)圖 圖 啟動模式選擇電路 沈陽理工大學學士學位論文 16 如圖 、 ，此部分電路包括系統(tǒng)時鐘電路、實時時鐘電路、 JTAG 調(diào)試接口電路、復(fù)位電路和啟動模式選擇電路。 1． 時鐘電路 系統(tǒng)時鐘電路選用 8MHZ 的 HSE 晶體作為 振蕩器晶振 。 HSE 晶體可以通過設(shè)置時鐘控制寄存器里 RCC_CR 中的 HSEON 位被啟動和關(guān)閉。 LSE 晶體是一個 的低速外部晶體或陶瓷諧振器。 2． 啟動模式選擇電路 如圖 所示，通過 BOOT[1:0]引腳可以選擇三種不同啟動模式。 表 啟動模式 啟動模式選擇引腳 啟動模式 說明 BOOT1 BOOT0 X 0 主閃存存儲器 主閃存存儲器被選為啟動區(qū)域 0 1 系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域 1 1 內(nèi)置 SRAM 內(nèi)置 SRAM被選為啟動區(qū)域 在系統(tǒng)復(fù)位后， SYSCLK 的第 4 個上升沿， BOOT 引腳的值將被鎖存。 電源電路設(shè)計 由于各電路模塊所需電壓不同，本設(shè)計需多種電源 供電。外部電源采用 的直流電壓，因此根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計進行了電源轉(zhuǎn)換設(shè)計。 圖 電源模