智能避障小车设计方案

1智能汽车作为曾经在科幻电影中出现的场景，目前已经在逐步走进活。从最简单的倒车雷达到现在的自动驾驶，汽车智能化的概念已经深深的被社会接收，而且汽车智能化的需求也越来越明显。如何真正的使汽车能够自动无人驾驶是现在科研的主要方向。而智能小车作为智能汽车的一个缩影，无论是在国内还是国际的各种比赛中，它的身影永远是最亮眼的一耳光，众多的方案也层出不穷。本文的研究目的即是设计一种可以自动避障的小车，自动避障顾名思义，即是能够自动躲避行进路上的障碍物。件系统设计分别进行阐述。在硬件系统设计中，主要针对超声波测距IC和主控MCU进行讲解。软件系统设计中，主要针对系的要求进行了论证。最后，讨论关键词：STM32,无线传输，超声波测距2IntelligentvehicleasappearedinthesciisthemaindirectionofscientificfKeywords:STM32,wirelesstran3智能避障小车设计目录 2 7 9 10 4智能避障小车设计 4.2.2GM3101简介 5第一章绪论机器人曾经是科幻电影中的形象，可目前已经渐渐走入我们的生活。机器人技术以包含机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域为代表，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此，它的发展与众多学科发展密切相关，代表了高科技发展的前沿。随着电子技术的不断发展，人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人，从机器人的构想到今天机器人的相对普及，机器人的应用已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等多个领域。并且随着机器人的智能化水平不断提高，并且迅速的改变着人们的生活方式，随着它在人类生活领域中的应用不断扩大，将会给人们的生产生活带来了巨大的影响。在国外机器人的发展有如下趋势。一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，并向着技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展。在我国机器人主要应用在及其领域，我国工业机器人现在的总装机量约为120000台，其中国产机器人为1/3,即40000多台。与世界机器人总装机台数7500万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。与普遍意义上的机器人相比，智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性。1.2课题主要研究内容智能汽车作为曾经在科幻电影中出现的场景，目前已经在逐步走进我们的生活。从最简单的倒车雷达到现在的自动驾驶，汽车智能化的概念已经深深的被社会接收，而且汽车智能化的需求也越来越明显。如何真正的使汽车能够自动无人驾驶是现在科研的主要方向。6而智能小车作为智能汽车的一个缩影，无论是在国内还是国际的各种比赛中，它的身影永远是最亮眼的一耳光，众多的方案也层出不穷。本文的研究目的即是设计一种可以自动避障的小车，自动避障顾名思义，即是能够自动躲避行进路上的障碍物。目前智能小车的避障方法有很多，有应用在高级轿车上的多普勒雷达测距，它可以间接的实现汽车的自动驾驶。红外避障可以在阳光不影响的情况下实现。而超声波避障作为倒车雷达的引申已经在许多方面得到了应用个，目前个别车型也已经应用。超声波避障的技术基础是超声波测距，超声波测距发展至今技术已经相当成熟，技术方案多种多样。本论文以智能避障小车作为研究对象，采用超声波测距集成芯片作为超声波测距处理单元作为设计方案。本论文的主要研究内容包括：1)多传感信号系统下主控器的处理。2)电机的PWM控制3)无线模块的应用7第二章系统设计2.1.1方案选择本设计的智能小车可以在指定的跑道上行驶，其中跑道的宽度足够宽，跑道的两侧有硬纸壁作为阻挡。在跑道的任意位置会放置障碍物，智能小车在感知到障碍物后，可以绕过障碍物继续前行。同时，小车具有无线通信功能，可以将障碍物的信息实时发送至上位机中。因此，根据系统需求，所设计系统需要具有无线通信功能，自动壁障功能，电机驱动功能以及控制核心单元。以下将根据这四个主要功能进行模块的选型。2.1.1.1无线通信功能。目前无线通信技术较流行的有2.4G无线技术和IrDA.1.2.4G无线技术科学和医用频段。按照常规来说世界各国均保留了一些无线频段，用来发展本国的工业，科学研究和微波医疗方面的应用。普通民众应用这些频段时并不需许可证，只需要保证应用时遵守一定的发射功率(一般低于1W),并且不要对其他ISM频段在各国的规定并不统一。而2.4GHz为各国共同的IZigBee是一种基于IEEE802.15.14标准的低功耗个域网协议。这个协议里面规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBe协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。8IrDA标准的无线通讯设备仅能在1m范围内在可视范围内的速率仅为IrDA在应用中的主要优点是无需申请频率的使用权这样对于很多小型设备和低成本设备来说就会更多的倾向于此。此外，红外还据哟体积小，结构简单，简单易用等优点。而且由于数据传输率高，因此在对于较大型数据的传输方面具有很大的优势。而且，由于红外传输的点对点性，在一定程度上来讲，红外的传输安全性能也最高。但是红外的缺点在于它的可视传输，也就是两台设备在进行数据传输时必须保证两台设备的红外端子距离较近且可视。这个是阻挡红外应用的最大障碍。因此，本设计在综合考虑了成本和实现性能方面。选择了2.4GHz的9根据系统设计的要求，小车在行驶过程中要能准确的避开途中遇到的障碍物，因此智能小车的探测距离需要有一定的长度，以留给智能小车足够的时间进行转向，又考虑到在测障过程中小车车速及避障反应堆小车速度的限制，小车应在距障碍物较远的范围内做出反应，这样才能在顺利绕过障碍物的同时还为下一步转向做准备。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。障碍物检测可以有多种方法：红外光检测、超声波检测、甚至机械接触。这些方法都有各自的优缺点。常用的有红外检测和超声波检测，两种方案的区别见表2-1。红外检测超声波检测距离精确度受外界干扰程度易受外界干扰不易受外界干扰硬件电路所需原件少稍复杂成本8元左右8元左右图2-1于小车需要在行驶过程中检测障碍物，颠疲，光照方面可能会对检测产生影响。所以需要选择稳定性较好的，故本设计选择超声波检测。而目前在超声波测距方面应用较多的方案有三种。1)使用控制器发出40KHz的方波信号，在接收端使用中周将信号放大，然后经过至少两级放大后输入到控制器的模拟输入端，控制器根据接收的信号幅度进而判断是否是回波信号。2)使用控制器发出40KHz的方波信号，在接收端使用中周将信号放大，然后经过至少两级放大后经过整波电路后变成当有回波信号时，将回波信号转换成低电平信号，这样可以直接连接到处理器的数字引脚，在中断程序中进行回波的判断。3)使用集成芯片进行控制。通过控制集成芯片的使能便可以控制超声波信号的发送，然后集成芯片反馈给控制器的是标准的中断信号，当控制器检测到中X综上而言，本设计选用了集成的芯片GM3101,它有4路超声波信号，而且要好的多。两种。1)直流电机是将处理器输出的TTL信号经过功率放大后接到直流电机的两端，功率放大芯2)步进电机具体差别见表2-2。直流电机步进电机调速性能较好较差位置控制精度较差好驱动简单复杂稳定性较好好，仅与控制脉冲有关表2-2由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直1流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机揚于控制，驱动电路十分简单。综上所示，本系统的智能小车由于不需要进行步进脚的精确控制，因而采用价格相对便宜，使用相对简单的直流电机。此部分电路为系统的核心，系统的所有控制信号和指令信息均由此发出。可以说是整个系统的大脑。因此，对于主控制器的选择尤为重要。TI的低功耗系列，M0、M3内核的ARM系列以及NXP的ARM系列等。同样作为面世很久的一款单片机，在汽车控制领域具有无可替代的地位，但是内核，工作频率为72MHz,内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM),丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个STM32F103xx增强型系列工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.2系统整体方案根据以上章节的分析，系统决定采用STM32F103RBT6作为主控制器，GM3101作为超声波处理电路的主芯片，Nrf24101作为无线模块，L298N作为电机驱动芯片。系统框图如图2-1所示。超声波探头超声波探头超声波探头图2-1适合本系统的模块。工第三章硬件系统设计主控单元采用STM32F103RBT6作为主控制器。若要使主控器工作，计主控器的最小系统单元。最小系统单元即是可以使主控器工作起来的最小硬件系统，包括时钟电路，电源电路和复位电路。系统时钟选用12MHz的外部晶振，由于STM32具有内部锁相环，因而在进行更高频率的应用时，可通过内部软件位，因而设计的电路为最简单的RC复位电路，可以通过系统上电复位和手动复可以通过串口对芯片程序进行烧写，但是无法进行调试。另一种是通过标准的JTAG口对芯片进行程序烧写和在线仿真。具体电路见图3-1和3-2。图3-1时钟电路F智能避障小车设计图3-2复位电路bDDUbDDUPA13PA12PA11高123456789PWRUPNRSTNDk3.2超声波避障单元设计3.2.1超声波简介在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在很多领域上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。因为超声波具有较强的方向性，根据其通过反射原理进行的距离判断，超声技术主实现，存在体积大，实现复杂，调试麻烦，稳定性和可靠性差。GM3101是成都国腾电子设计研发的专用于倒车雷达的超声波测距芯片，该芯片具有4路超声波探头的驱动，并根据了倒车雷达的具体应用环境对4路探头的应用进行了智能化的处理。测试结果编码后采用双线差分方式输出，提高了信号传输的抗干扰性。其管脚图如图3-3所示。F图3-3GM3101具有以下特征：●四路超声波探头接口，探头发送驱动信号5V@2mA●四路探头检测结果输出周期80ms●具备自动增益控制，实现分级放大●具有防声波衍射误报处理，提高报警信号的准确性●报警信号输出采用双线差分方式，提高抗干扰性●工作环境温度：-40℃~+85℃由于GM3101具有数字和模拟输出两种方式，为了使系统设计的更加简单，采用数字接口进行设计。具体电路如图3-4所示。KIeCCR NC4CURR= 图3-4控制器对GM3101的复位信号进行控制，由于系统只需要3路超声通道，一个周期的设计。因而控制器就需要每隔60ms便对GM3101进行复位，然后在当有电平变化时便可对其检测距离进行换算。3.3电机驱动设计●工作电压最高工作电压可达46V;●输出电流的瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;●内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动车和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；●采用标准TTL逻辑电平信号控制；●具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许和禁止器件工●有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；●可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路其具体电路见图3-5。赢94231高6857MMDDDDDDDD图3-5其中CTL1~CTL4为方向控制信号，ENA和ENB为使能信号。当CTL1为为高电平时，电机的转动为反方向。CTL3和CTL4为同样的道理。Nif24L01是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发芯片，20个引脚K798612)IREF,模拟输入引脚，为参考电流输入引脚。KBL3NFR₂6图3-5nRF24LO1的控制接口为SPI接口，主控MCU端采用模拟SPI接口来实现。3.5状态指示电路R4连接的LED为电源指示灯，当系统上电时，该指示灯由暗变亮。与R2连接的LED为状态指示灯，当系统正常工作时，该LED按照5秒为一周期进行明暗入入图3-63.6下载电路Z2控MCU的程序需要实时更新以便进行调试，当系统发布后，需要预留接口以便产品升级方便。本系统中采用串口进行程序下载，串口下载不需要专门的下载器，方便使用。具体电路见图3-7。2C2-786C1-1345P2.8J25图3-72第四章软件系统设计系统主程序主要进行超声波距离处理，电机控制和无线通讯的实现。具体流程图见图4-1。处理超声波数据超声波数据处理电机控制无线发送数据图4-1距离处理程序如下所示。{{2}{{{}}TxBuf[4]=(unsignedchar)((Distance2*0.0173)-30);TxBuf[5]=(unsignedchar)((Distance3*0.0173)-30);}{}{{}{{}{}}}运行期间，时刻判断GM3101反馈的中断信号，当有中断信号发生时，系统根据复位GM3101的时间差和端口进行距离的计算，当障碍物的距离信息小于临2界值时，便会驱动电机进行左转或右转。智能车在行驶过程中，前方有个超声波探头，左侧一个超声波探头，右侧一个超声波探头。左右两侧的超声波探头主要实现保证智能车在跑道中间行驶，当任何一方的距离片小时，智能车便会驱动相反的电机转动进行专项。前方的探头主要进行障碍物的检测。由于超声波探头具有个55度的视角，因而基本可以将前方的障碍物信息探测完全。4.2.1超声波介绍超声波的波长比一般声波要短，超声波具有非常好的方向性，而且能穿透不透明物质，因此，应用超声波的这一特点，在探伤、测距、遥控和超声成像技术等领域应用较多。超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图4-2所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。仓±abC图4-2超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电2极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。由镍或镍合金制成；一种压电换能器，由锆钛酸铅或其他陶瓷制成。将压电材料放入电压变化的电场中时，它会发生变形，这就是所谓的“压电效应”。相对来说，磁力换能器是用会在变化的磁场中发生变形的材料制成的。性，表4-3示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz,这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。表4-3种类特性MA40S2S发送标称频率灵敏度—74dB以上100dB以上带宽6kHz以上(-80dB)7kHz以上(90dB)电容绝缘电阻100MQ以上温度特性—20~+60℃范围内灵敏度变化在10dB以内超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。图4-5表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。2图4-53)超声波传感器系统构成超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图4-6所示。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振放大电路放大电路收发信切换电路放大电路控制输出电路逻辑积电路脉冲产生电路禁止电路检波电路十图4-62出。对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为12~24V±10%,再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路3。GM3101提供4路超声波探头接口，芯片通过探头发送和接收超声波信号，根据发送和接收的时间差计算障碍物的距离，输出相应报警信号。报警信号编码后采用双线差分方式输出，输出信号的内容包括：最大输出距离为3.15米，输出精度为0.05米。4.2.3超声测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即：s=340t/2。这就是所谓的时间差测距超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=C×T,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s(20℃室温),忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μs。达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。已知超声波速度与温度的关系如下：式中：r—气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40,R—气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1,M—气体分子量，空气为28.8×10-3kg·mol-1,T—绝对温度，273K+T℃。式中：C0为零度时的声波速度332m/s;对于超声波测距精度要求达到1mm时，就虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s,温度变化引Z3起的超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m,测量1m误差将达到5mm。4.2.4信号发送和接收芯片接通电源后，由控制器对GM3101进行复位控制。首先控制器对GM3101进行复位，GM3101经过复位后，4组超声引脚探头驱动引脚向超声波探头发送驱动信号，超声探头发出40KHz的超声波信号。系统发射完成后，便可以等等回波信号，当系统接收到回波信号后，经过两级放大电路和一级信号处理电路后，将整形后的信号送到处理器中，处理器根据时间差来计算障碍物的距离。超声波探头驱动以80ms为一周期，每隔80ms相应的探头就发射一次超声波信号。若前一探头在本工作周期内没有接收到返回的超声波信号，则芯片也转入控制下一个探头的工作。四探头检测周期80四探头检测周期80ms有效接收信号图4-734.2.5探头余震处理控制信号余振屏蔽时间T(ms)00011011图4-8发送脉冲开始16个40KHz方波余振屏蔽时间T余振屏蔽时间T探头返回信号冲开始图4-9GM3101的反馈信号为一个中断电平，当系统检测到系统中断信号响应时，便进入到中断处理程序中，对距离信息进行处理换算。程序代码如下所示。{//Timer2_Stop;//定时器2停止计数3{}{})}IE=0xff;//开所有的中断EX0=0;//IE&=~0x01;//将外部中断关闭}对电机的控制为了实现电机的转动越来越精细，采用了PWM控制。通过主控器输出不同占空比的波形来实现对电机转速的调整，进而调整智能车的转动和移动。外部中断入口读取时国值计算距障碍柳的距离，并让液晶亚示N维续前行小于1a汽车于姓自动减V关闭外中渐图4-104.4无线通讯实现Nif24L01使用MCU的SPIO端口进行操作。因此只需要配置相应的寄存器和读写函数即可。Nrf24101的操作主要涉及以下几个函数。各函数的实现如下所{}{//CSNlow,initSPItrucharreg_val;至3//CSNlow,initializeSPIc//Selectregistertoreadfrom..//..thenreadregistervalue//CSNhigh,terminateSPIcommu