智能迷宫小车方案

23首届ST-EMBED电子设计大赛参赛作品：走迷宫的小车A Robot System Based On WirelessCommunication参赛学校：华中科技大学参赛学生：肖骁、刘焱、孙静超、姚聪、吴正华指导教师：钟国辉参赛队号：2023127华中科技大学电子与工程系Dian团队走迷宫的小车摘要：STARM7STR710FZT6PCPCPC为了到达在迷宫中行走的目的，我们要设计蔽障和迷宫算法，为了使小车的信息能够实时传输到远端PC关键词：蔽障，迷宫算法，无线通信协议A Robot System Based On WirelessCommunicationAbstract：ThissystemusesSTR710FZT6ARM7chipasacoreanditsrichresourcestoachieveasmartcarwithfunctionsofintelligentlanguishingimpaired,motion,wirelesstransmissionofinformationandothers,PContheremotewillobtaintheinformationforreal-timedisplay.Inviewoftherealityofthesystemforreal-timedetectionofunknownregionaldemand,wemakeaproperconductofasimplified,usingsimulationmaze.Amongthem,theyhaveasmartcar,andaPCterminal.Intheprocess,thesmartcarwillautomaticallylanguishingbarriers,chooserouteandtheroadlinewillbethroughwirelessmoduleandreal-timetransmissionofinformationtodistantPCwhichshowsit.Inordertoachievethepurpose,wehavetodesign languishingimpairedandmazealgorithm,andalsowiththepurposeofmakingDollyhavetheabilityofreal-timetransmissionofinformationtodistantPC,weshoulddesignamorepracticalandreliablewirelesscommunicationprotocol.Keywords:languishingimpaired,mazealgorithm,wirelesscommunicationprotocol.名目\l“_TOC_250035“引言 4\l“_TOC_250034“功能概述及方案设计 6\l“_TOC_250033“功能概述 6\l“_TOC_250032“具体方案设计 7\l“_TOC_250031“系统总体方案设计 7\l“_TOC_250030“小车把握模块设计 7\l“_TOC_250029“小车车体的设计 7\l“_TOC_250028“小车把握器模块 8\l“_TOC_250027“电源模块 8\l“_TOC_250026“稳压模块 8\l“_TOC_250025“电机驱动模块 8\l“_TOC_250024“小车把握模块设计 8\l“_TOC_250023“车速检测模块设计 8\l“_TOC_250022“超声波模块设计 9\l“_TOC_250021“无线通信模块设计 10\l“_TOC_250020“硬件选型 11\l“_TOC_250019“通信协议介绍 15\l“_TOC_250018“利用ARM芯片上的资源 18\l“_TOC_250017“系统硬件设计 19\l“_TOC_250016“硬件设计概述 19\l“_TOC_250015“电机驱动模块设计 19\l“_TOC_250014“测速模块设计 19\l“_TOC_250013“超声波模块设计 20\l“_TOC_250012“无线通信模块 21\l“_TOC_250011“电源模块硬件设计 22\l“_TOC_250010“系统软件设计 24\l“_TOC_250009“下位机把握模块 24\l“_TOC_250008“模块描述 24\l“_TOC_250007“系统资源使用状况 25\l“_TOC_250006“主控模块设计 25\l“_TOC_250005“小车把握模块 26\l“_TOC_250004“超声波模块 26\l“_TOC_250003“无线通信模块 26\l“_TOC_250002“PC机处理模块 26\l“_TOC_250001“现在所完成的工作 27\l“_TOC_250000“完毕语 271引言当今社会，科学技术日月异，时代前进的步伐越迈越宽，应用自动化设备,计算机处理,现代化通讯,数字化信息,现代化显示设备等高技术而建立的现代化智能,监控等系统已经得到充分的进展与应用,智能机器人也就应运而生。同时，在文指出：智能效劳机器人是在非构造环境下为人类供给必要效劳的多种高技术集成的智能扮装备。以效劳机器人和危急作业机器人应用需求为重点，争论设计方法、制造工艺、智能把握和应用系统集成等共性根底技术。重点争论低本钱的自组织网络，共性化的智能机器人和人机交互系统、高柔性免受攻击的数据网络和先进的信息安全系统。2023━2023段焕发青春活力的乐谱。解。STARM7STR710FZT6256+16KBFLASH64KBSRAM。APB2APB1I2CUART、RTC、Watchdog。特色：APBEIC件中断嵌套(15)；2ARMFIQ，既无优先级也不会自动向量化，等等。要是用到把握IO口和定时器，后一模块主要用到SPI总线和串口。所以我们的系统没有外扩存储器，也没有USB等，对这块ARM的利用率不高，但我们看重的是这ARM芯片是满足我们要求的。2功能概述及方案设计功能概述到出口，并把行走的轨迹传输给电脑，绘制出走出迷宫的路线。在这一过程中，小车通过前、左、右三个超声波模块实现对四周障碍物的实时测距来实现避障功能；在小车的行走过程中，也会实时地把小车的移动距离、速度等信息通过无线传输反响给电脑；在转弯的时候就会把转弯的角度、移动距离等信息反响给电脑，让电脑依据所承受到的信息绘制小车的行走路线。另外，无线传输这一模块还具有自动组网的功能，在多台小车之间也可以通信，这样，多台小车同时探测这一迷宫能大大的提高效率。假设一以以下图为迷宫，则完成效果图如下：具体方案设计系统总体方案设计车把握模块包括小车以及轮胎上的红外对管模块；无线通信又包括小车这一端和与电脑相连的一端。块较器红外对管模块主控芯片STR710L298机SPI射频芯片匹配网络天线1.系统框图小车把握模块设计小车车体的设计90-180度转弯。小车把握器模块把握器模块承受的是STARMSTR710FZT6，该芯片大大满足我们的需要，片上资源很多，扩展性很好。电源模块12V12V5V，为外围芯ARM芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动力气以及稳定的电压输出性能，所以我们承受锂电池供电。稳压模块我们利用lm780512V5V，再利用lm117这块芯片5V3.3V。电机驱动模块承受专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别把握两个直流电机，而且还带有把握使能端。用该芯片作为电机驱动，操作便利，稳定性好，性能优良。小车把握模块设计L298NIO口来把握小车的运IOPWMIO口又分成两组，分别把握两个电机的正反转，来实现小车的变速前进、转弯等动作。车速检测模块设计t表示时间，S表示路ds程，υ表示瞬时速度，那么它们的数学定义为：svdt，vdt，小车的平均速度s为：v 。将上面的式子离散化，假设在一个很短的时t内小车行驶了S的路程，t则小车的即时速度s

NmL 。直接得到小车的速度的传感器很难实现，但是小车行驶的距离是简洁测量的，由于车轮在行驶的过程中始终在旋转。假设车轮的周长要把车轮的转动信息转换成电信号，就是使用速度传感器得到脉冲信号。假设小车我们有必要在车轮转动一周的过程中得到尽可能多的计数脉冲。假设在车轮转动一周的过程中均匀地得到m个脉冲信号，那么距离测量的最大误差就变为L/m，假设在N时间t内得到的计数脉冲为NsmL。因此，在小车速度传感器有多种，我们承受的是反射式光电传感器。原理如下：TX放射的红外线经被检测物外表反射，反射光被接收管RX接收，接收管将IO口来得到脉冲信号。通过前面表达的原理，我们就可以算出统中是允许的。超声波模块设计自己依据超声波的原理，利用超声波探头和一些外围电路而搭建起超声波模块。超声波测距的原理如下：首先超声波传感器向空气中放射声脉冲,声波遇到被测物体反射回来,假设可以测出第一个回波到达的时间与放射脉冲间的时间差t,利用s

vt,即可算得传感器2与反射点间的距离s,测量距离d

,假设s>>h时,则d≈s。hs hs ( )22240KHz的一种，该类型现在应用较40KHz超声波。IOIO支持外部IO口来确定是否检测到超声波。因此通过计算测的距离障碍物的距离然后就可以推断是否转弯。无线通信模块设计其他功能。当小车行走时，每隔确定时间将数据譬如速度、行走距离、转弯角度等PC机，当下次小车行走到原地时，小车该如何走呢？假设还是照以前PC机通过以前记录的信息发送一条指令给小车，则小车就可以选择另外一条路进展探测了。我们的无线模块一辆小车而是多辆小车共同探测迷宫了。原理如下：SPISPI小车射频板及天线小车

小车端主控板操作者

PC机

RS232 SPIPC机端主控板射频板及天线SPISPI小车射频板及天线 小车端主控板小车硬件选型CC110064RXTXFIFO；SPIMCU片CC1100之间的通信；直流电源及电源保护电路是必不行少的局部；RS232串口及电平转换供给主芯片与PC机的接口；阻抗匹配网络和天线用于433MHz信号的放大和收发。CC1100RX15.6mA2.4kbps433MHz64RXTXFIFO高效的SPI接口、对同步词汇侦测的芯片支持，地址检查，自动CRC处理、OOK和ASK2-FSKGFSKMSKCCA，即载波侦听系统、支持每个数据包连接质量指示。内部构造如以以下图：匹配电路介绍：阻抗匹配的意义在于，使信号源传送到负载的功率最大。这就要求信号源阻抗必需等于负载的共轭阻抗，即：R+jX=R-jX匹配效果如图0-1

s s L L图0-1常用的阻抗匹配电路有：1.L3.T型匹配；LL型匹配电路图如图0-2图0-2L其中匹配电路参数值计算如下：图0-3LR>R：S L 1 1

jBR Z 1

s

s s

s ZR

jXX1 jB

RjXs

1BXs

B2R2 2 L LsRjXs s

RjXs s由于有：

BRXR ss sXR Xs sXR X2R2Zs L s L s2RRL LRS

s s s2B2R2=>B

Z2Rs LX

s

BR2s X1BXs

2B2R2 LsS LXR L SS LXR L SX2R2ZL S2RRL SSRLBZ2R L SLXXL

1BXL

BR2LX1BXL

2B2R2 SLB>0，BC,CB。B

1L1 。L BX>0，XLLX。假设X<0，则表示元件为电容：X 1 ,C 1 。C Xin中使用了四级L型匹配电路。各元器件功能及参数值描述如表格0-1表格0-1元件名称433MHz功能C51100nF±10%，0603，X7R数字局部的片内电压调整器的100nF退耦电容C8133P/X7R，0603晶体负载电容C10139P/NPO，0603晶体负载电容C121/C1313.9P/NPO，0603RF/匹配电容C1226.8P/NPO，0603RF/匹配电容C1235.6P/NPO，0603RF/匹配电容C124220P/NPO，0603RFDCC1251nF/NPO，0603RFLCDC〔只在在天线中有DC通路时需要〕L121/L131/L12327nHRF/匹配电感〔便宜的多层类型〕L12222nHRFLC/匹配电感〔廉价的多层类型〕R17156kΩ±1%，060356阻XTAL26.000MHz晶振，武汉佳泰公司通信协议介绍PC机相连的通信/把握模块〔即主控板+射频板〕称为主节点，与小车相连的通信/把握模块称为子节点。PC机把握主节点以同主节点进展通信、子节点之间不能相互通信。PC机PC机串口无线主节点小车端节点〔子节点〕上电完成报告上电回复读网络状态命令网络状态报告完毕组网命令无线模块内部组网过程网络空闲报告数据传输数据传输休眠命令休眠状态报告唤醒命令唤醒状态报告复位命令复位状态报告检测命令检测状态报告断开连接命令断开连接回复报告恢复连接命令恢复连接回复报告工作大致流程描述：

图0-4工作示意图主节点/子节点启动过程：PCPC子节点上电后，直接将自身指定为子节点；主节点与各子节点间组网过程：PC〔留意：〕，子节点无线可以开头发送数据。PCPCPCPC主节点无线模块将数据或把握命令通过无线方式传给子节点无线模块；各子节点与PC机间数据通信过程：1〕子节点将自身运动信息或特别状况整理成数据报文；3〕PC等把握命令，主节点无线模块收到这些命令后，分别对各子节点进展相应处理。PC机PC机小车系统RS-232串口PC机端节点启动/停顿定时器超时消息3串口驱动模块RS_APP消息队列APP_RS消息队列APP_RS消息队列RS_APP消息队列启动/停顿定时器22协2.2应用层把握报文2.2应用层小车端节点议启动/停顿定时器理42.1MAC层牢靠的数据帧2.1MAC层模块PHY_MAC消息队列MAC_PHY消息队列超时消息定时器MAC_PHY消息队列启动/停顿PHY_MAC消息队列定时器超时消息1物理层无线信号1物理层超时消息启动/停顿定时器协4议定超时消息处时理器模块各层帧格式示意图如下：应用层APPlayerMAC层确认帧MAC层纯数据

CommandType(1byte)

Payload(m-1byte)ACKframe(0byte)Dataframe(mbyte)MAC层MAClayer

SrcAddress(1byte)

FrameType(1byte)

SequenceNO.(1byte)

Data(mbyte)物理层PHYlayer FrameLength(1byte)

PHYservicedataunit(PSDU) CRC(2byte)物理层帧格式物理层在上层数据前端参与FrameLength，在后端参与CRC两局部。由芯片硬件供给(1byte)PHYservicedataunit(PSDU)(1byte)PHYservicedataunit(PSDU)CRC物理层PHYlayerMAC层帧格式DstAddress(1byte)SrcAddress(1byte)FrameType(1byte)SequenceNO.(1byte)DataDstAddress(1byte)SrcAddress(1byte)FrameType(1byte)SequenceNO.(1byte)Data(mbyte)MAC层MAClayerACKframeACKframe(0byte)应用层帧格式DataframeDataframe(mbyte)应用层纯数据CommandTypeCommandType(1byte)Payload(m-1byte)应用层实现以下功能串口数据的解析和组装应用层报文格式如下：Response0x00软复位命令Softreset暂无0Byte无0x00软复位回复Softreset暂无1Byte无0x00检测命令Softreset暂无0Byte无0x00其他检测回复保存Softreset保存暂无1Byte无CommandType命令名CommandnameCommandType命令名CommandnamePayloadPayloadLength备注0x80启动组网〔播送〕Setupnet自己主节点地址及设备ID5Byte无0x80停顿组网〔点对点〕Stopnetwork暂无0Byte无0x80组网完毕回复Stopnetwork暂无0Byte无0x00组网连接恳求Associationrequest自己子节点地址及设备ID5Byte无0x00安排地址命令Request对方子节点IP及地址及设备ID5Byte目的地址为NULL=00x00安排地址回复Response暂无0Byte无0x00休眠命令Sleeprequest暂无0Byte目的地址为NULL=00x00休眠回复Sleeprequest暂无1Byte目的地址为NULL=00x00唤醒命令request暂无0Byte无0x00唤醒回复Wakeup暂无1Byte无信模块需要大量的定时器，定时器的数量与通信质量亲热相关，但是我由于资源的有限，而且我们对精度的要求不是很高，所以我们承受了一个定时器来模拟出多个定时器的方法，这样无线通信丢包率很小。3系统硬件设计硬件设计概述通信模块以及电源模块。电机驱动模块设计L298IOL298电路图如下：IOP1.2P1.713PWM波；P2.2、P2.3、P2.4、P2.5IO口，用来把握电机运动的方向。测速模块设计测速模块主要是由st168和轮胎的黑白间条组成。st168的外形及内部构造如下图：这块电路图如下：IOIOP2.14、P2.15、P2.0、P2.1。超声波模块设计是满足我们的系统的，效果还可以，假设进一步修改此电路，则效果会更抱负。放射端电路如下：接收端电路如下：时记录时间间隔然后就可以计算出距离障碍物的距离了。我们在小车的前、左、右可能会造成混叠的现象，即一放射端放射的超声波被另外一个承受端承受，造成测距失败。这一问题还有待依据实际状况来解决，比方让放射与接收探头成确定的角度等方法。无线通信模块如下：SI、SCLK、SO、GDO0、GDO2、CSn。其中SI、SCLK、SOSPI总线通信的几个接口，另的作用是当开头发送一个报文时由低置为高，这两个接口给MCU提示报文的承受与发送是否完成。CSn用来作片选。电源模块硬件设计电源模块主要是经过两次降压，分别供给ARMARM芯片，这两块电路如下：4系统软件设计下位机把握模块模块描述〔主要为ARM芯片mainPC功能；小车把