【一种基于传感器和数据通信的车辆轨迹自动规划设计（论文）5000字】

一种基于传感器和数据通信的车辆轨迹自动规划设计目录TOC\o"1-2"\h\u7224一种基于传感器和数据通信的车辆轨迹自动规划设计 1189401引言 151731.1课题研究背景 1104811.2课题研究意义 117171.3智能小车作用与功能 2304462整体方案设计 2126412.1系统组成部分 2106562.2智能小车设计思路 2121103硬件部分选定 3254643.1主控模块 315503.2智能车驱动模块 3299503.3智能车传感器模块 4103093.4辅助电源模块 4167964控制系统软件设计 54474.1PWM 5276004.2循迹模块 53494.3避障模块 730515仿真 8305506结论 93522参考文献: 101引言课题研究背景随着人工智能科技的飞速发展，自动驾驶技术现在已经成为各国重点研究开发的对象，对于社会的进步及发展有着重要意义。最近这几年，家用小轿车普及度越来越广泛，虽然汽车的出现极大的方便了人们的出行，但也不能忽视它带来的种种安全隐患。经相关研究发现，导致交通事故发生的重要原因就是，人们开车时由于开车时间太长从而导致的反应速度变慢，处理紧急事情的能力下降。想要解救此问题，由人工智能引导的无人驾驶汽车就是一种极佳的选择。当汽车进入特定驾驶轨道的时候，无人驾驶汽车的无人驾驶技术就可以实现自动驾驶，无需人工操作，此时驾驶员则可以处于休息的状态，大大的降低了驾驶员的驾驶时间，也可以自动导航避障，有效的降低交通事故的发生[1]。课题研究意义无人驾驶技术最核心，同时也是最重要的功能就是自动循迹和避障。那么对智能小车的自动循迹和避障功能的深入研究，对提高智能小车的性能有着重大的影响，且自动循迹和自动避障功能是智能汽车与智能机器人的基础功能，在民用乃至军事等方面都有着广泛的应用。所以，研究智能小车的自动循迹和避障功能有着重大的实用性价值。此设计可以为各个行业带来便利和发展前景，具有很强的价值与意义[2]。智能小车作用与功能随着社会的不断发展，智能小车发展很迅速，各行业都有发展成果。比如说：智能玩具和扫地机器人等。其基本可实现循迹、避障、检测避障碍物等基本功能。本文的设计智能小车的功能实现主要是运用红外反射光线来进行循迹和避障，从而控制小车不会撞到障碍物上面。它的主要功能有：（1）自动识别路径驾驶；（2）扫描周边障碍物并自主避障；（3）自动与前后方车辆保持安全间距；（4）自主控制车速；总体来说智能汽车最主要的特点就是自主识别道路和障碍物，可以沿着特定的轨迹行驶，并自主绕开障碍物[2]。2整体方案设计2.1系统组成部分本文介绍的系统硬件组成部分有：STM32F103R6T6单片机，多路稳压电源模块，ULN2003A电机驱动模块，红外光电反射传感器模块和能够促使小车移动的直流电机。具体的硬件模块结构图如图1所示。图1硬件模块结构图2.2智能小车设计思路本文设计的智能小车一共由四个主要模块组成，分别是：（1）多路稳压电源模块。为小车提供所需的各种电压，相当于人的心脏；（2）传感器检测模块。为小车检测道路信息，相当于人的感官；（3）STM32F103R6T6单片机最小系统。接受处理并输出各类信息，相当于人的大脑；（4）直流电机以及电机驱动模块，使小车能够正常行驶，相当于人的四肢。本设计的基本功能是实现自动循迹和自动避障，还可以扩展红外遥控等功能。该智能小车以STM32F103R6T6单片机作为主控芯片，选用直流电机作为动力，通过电池供电给电源模块，电源模块在给系统的各模块供电，直流电机驱动模块采用ULN2003A驱动芯片来实现小车的运动和转向。循迹和避障部分采红外测距避障，使用PWM对小车进行调速和转向。3硬件部分选定3.1主控模块STM32F103R6T6单片机是由意大利的意法半导体公司生产的基于Cortex-M3内核的32位ARM微控制器。芯片有2个基本定时器，4个通用定时器，2个高级定时器，112个通用IO口，时钟频率达到72MHz。各种参数都足以满足主控芯片对汽车运行的要求，而且性能强大，价格低廉，性价比极高，所以我们选择了这种芯片。Proteus仿真芯片如图2所示[3]。图2STM32F103R6T63.2智能车驱动模块智能车的基本运行是通过直流电机的运转实现的。本次设计需要保证小车可以自动追踪黑线行进，所以需要考虑到小车的调速以及变向功能。该功能我们可以通过STM32芯片配合直流电机实现，但是我们知道STM32芯片的输出能力较弱，对于直流电机这种需要大电流才能驱动的负载而言，STM32芯片无法使其正常工作，所以在使用时要加入相应的功率放大器件。这里我们采用的是直流电机常用的TB6612电机驱动模块。TB6612电机驱动如图3所示。图3TB6612电机驱动3.3智能车传感器模块智能车的传感器选用红外光电反射传感器模块。该模块一般由红外对管和LM339比较器组合而成。四路红外对管传感器电路图如图4所示。图4红外光电反射传感器模块图4中的P1、P2、P3、P4为红外对管接口，可接四路红外对管。LM339是一款内部有四个独立电压比较器的四路差分比较器。这个就是整个电路工作的核心。3.4辅助电源模块本系统通过电池供电，但系统每个模块所需电压不同，STM32芯片和红外传感器需要3.3V电压，电机驱动模块则需要至少5V电压，所以需要辅助电源来为各个模块供给不同的电压。5V电按压转换可以选用AMS1117-5.0电源芯片，将电池电压转换为5V电压供给系统，3V电压转换可以选用AMS1117-3.3电源芯片，将AMS1117-5.0提供的5V电压转换为3.3V供给系统。辅助电源模块如图5所示。图5辅助电源模块4控制系统软件设计本文设计的系统主要由自主循迹和自动避障两个部分组成，这是一种模块化思想，对于软件设计或其他设计有着明显的帮助。系统流程如下：红外传感器采集信息-->信息传递给单片机-->单片机处理信息-->单片输出信息给驱动电路。4.1PWMPWM技术全称叫做脉冲宽度调制（Pulsewidthmodulation，PWM）技术。它是一种模拟控制方式，可以通过调节占空比来进行模拟信号输出。本文中电机转速的调节就是靠PWM信号来完成的，PWM信号之所以能够调节电机的转速，是因为该信号能够控制智能小车直流电源的开关频率，这样就能调节电机两端的电压，完成对电机转速的控制。不仅仅在电机调速控制用到PWM，在其他的如温度调节和压力调节等控制方面也会用到PWM[4]。可以使用STM32的通用定时器来产生PWM信号。Stm32通用定时器不仅可以测量输入信号的脉冲长度，即输入捕获，还可以产生输出波形，即输出比较和pwm波形。STM32的通用定时器之间存在不会进行互相干涉，都是一个完全可以独立的[5]。PWM初始化代码如图6所示。图6PWM初始化代码在本设计中，PWM控制直流电源通断的周期是固定的，根据智能小车循迹传感器采集到的路面信息，由智能小车单片机运行相关程序改变一个周期内电源“通”与“断”的时间，也就是改变了电源的占空比。4.2循迹模块本文设计的智能小车有自主循迹行进的功能，通过小车的底盘下的四个红外传感器模块，可以检测到对应的轨道信号，本文用黑线代替轨道。根据黑色不反射光线原理，如果小车前面两侧的红外循迹模块检测到黑线，说明小车方向偏了，从而控制小车纠正行车方向，使得小车沿着设计好的黑线向前行驶。但如果小车左侧的红外传感器检测到黑线，说明小车的位置偏移到了右侧，此时可以加快右侧电机转速或者减少左侧电机转速，使得小车向左转向，但如果在右侧检测到黑线，说明小车向左侧偏移了，则需要调整小车方向向右侧行驶。小车通过四个传感器不断的探测轨道信息，从而不断的改变小车前进方向，则可以让小车一直沿着预定的轨道行驶。循迹模块程序流程图如图7所示[6]。通过红外光电传感器检测到的反馈信号可分为以下几种情况。具体实验分析如下：情况１：小车最左和最右侧传感器未检测到黑线信号，中间两个传感器其中之一检测黑线信号，说明小车正在预定轨道上正常行驶，未偏离轨道方向，则单片机向两边电机输出相同占空比的PWM信号，使小车直线行驶。情况2：小车中间两个传感器其中之一检测黑线信号，最左侧传感器检测到黑线信号，最右侧传感器未检测到黑线信号，说明小车向右侧偏移，单片机通过调节PWM信号，增加右侧电机转速，或者降低左侧电机转速，使得小车向左侧转向。情况3：小车中间两个传感器其中之一检测黑线信号，最右侧传感器检测到黑线信号，最左侧传感器未检测到黑线信号，说明小车向左侧偏移，单片机通过调节PWM信号，增加左侧电机转速，或者降低又侧电机转速，使得小车向右侧转向。情况4：小车四个传感器均未检测到黑线信号，说明小车以偏离跑道行驶，单片机可通过停止向电机输送PWM信号来停止小车前行。图7循迹模块程序流程图4.3避障模块本设计给智能小车添加了自动避障的功能。智能小车可以通过红外对管传感器探测到前方是否存在障碍物，当小车检测到前方障碍物距离过近，单片机会向驱动模块输出停止信号，让小车停下。但由于小车具有惯性，当单片机输出停止信号时小车依然会继续向前行驶一段距离。此时小车便可能撞向障碍物，增大了自动驾驶的危险性。所以为了解决这个问题，本文设计了一个倒车程序，但单片机检测到前方存在障碍物时，单片机向驱动电路输出一个反向PWM信号，可以使得直流电机反向转动，从而大大的提高了智能小车的安全性。[7]。障碍避免模块程序流程图显示在图8中。图8避障模块程序流程图5仿真图9仿真图图9为仿真图。本设计中一个电机使用双PWM通道控制，即两个PWM信号控制一个电机转动。如果使用单个PWM信号控制一个电机，当电机需要改变转速，只能通过改变单一信号的PWM占空比来改变电机转速，因为电机转动具有惯性，所以这种方法不能并不能做到及时改变转速，而且电机转向还无法改变[8]。使用两个PWM信号控制一个电机，则可以在电机需要改变转速时，通过同时改变两个PWM信号来及时改变电机转速，同时还可以改变电机转向，极大的提高了小车的稳定性和灵活性[9]。红外对管反射传感器作用于单片的的原理是，检测到黑线或者障碍物向单片机传递一个高或者低的数字开关信号。由于Proteus软件中没有红外对管传感器，所以我们可以选用按键开关来替代红外传感器，按键按下表示检测到黑线或者障碍物，按键弹出则表示为检测到黑线或者障碍物，以此来模拟红外传感器的效果[10]。如图9所示，左一和右一分别表示小车底盘最左侧和最右侧红外传感器，左二和右二则表示小车底盘中间两个红外传感器，避一和避二表示小车上方避障模块所用的红外传感器。当左一右一按键弹出，左二或右二按键按下，表示小车最左和最右侧传感器未检测到黑线信号，中间两个传感器其中之一检测黑线信号。说明小车正在预定轨道上正常行驶，未偏离轨道方向。当左二或右二按键按下，左一按键按下，右一按键弹出，表示小车中间两个传感器其中之一检测黑线信号，最左侧传感器检测到黑线信号，最右侧传感器未检测到黑线信号，说明小车向右侧偏移。当左二或右二按键按下，左一按键弹出，右一按键按下，表示小车中间两个传感器其中之一检测黑线信号，最右侧传感器检测到黑线信号，最左侧传感器未检测到黑线信号，说明小车向左侧偏移。当四个按键同时弹出，表示小车四个传感器均未检测到黑线信号，说明小车以偏离跑道行驶。当避一和避二按键弹出，表示小车上方两个避障模块红外传感器均未检测到前方有障碍物，当避一或避二按下，则表示小车检测到前方有障碍物，此时小车停下并发出声光报警，直至前方无障碍物为止。6结论在目前人工智能的大趋势下，智能汽车这个课题必然会成为当下热门研究内容。伴随着汽车制造技术与人工智能技术的飞速发展，能够实现自动驾驶的人工智能汽车的发展速度也随之加快，本文则主要以智能汽车的自主循迹和自主避障两方面功能展开了深入的研究工作。本文设计的智能小车主控芯片选用STM32系列单片机中的STM32F103R6T6芯片，此芯片用作系统的数据处理和信号输出的功能；传感器则选用红外对管光电传感器，用于采集轨道和障碍物信息；TB6612芯片做电机驱动器，用于驱动小车电机；在配合MDK软件与C语言作为智能小车系统的开发环境，实现了一种基于传感器和数据通信的车辆轨迹自动规划系统。

参考文献:[1]徐友春,章永进,王肖,舒飞.智能车的研究现状与发展趋势[A].中国智能交通协会.第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与新能源汽车创新发展论坛论文集（上册）——智能交通[C].中国智能交通协会:中国智能交通协会,2011:6.[2]彭登峰.具有避障及循迹功能的智能小车系统设计[J].数字技术与应用,2020,38(11):7-9.[3]李帅男.基于STM32的循迹避障智能小车的设计[J].数字技术与应用,2018,36(08):163-164.[4]周生远,王浩,于汇鑫.基于单片机的智能小车避障循迹系统设计[J].科技传播,2017,9(07):47-48.[5]李美艳.基于单片机的直流电机调速系统的设计[J].电子设计工程,2016,24(22):158-160.[6]王鹤君，黄建清，任英杰，等.基于大棚运输车的智能化小车的设计[