基于STM32的自動劃線小車設計

1、    基于stm32的自動劃線小車設計    張偉 胡斌 王子文摘 要：目前市面上的劃線設備仍需依賴人的視覺觀測、手動操縱，沿基準線噴涂標線。為了提高劃線效率，降低人工成本，提出一種基于stm32的自動劃線小車系統(tǒng)。該系統(tǒng)由遙控器及行進控制兩大部分構成。首先將擬劃線路徑按比例縮放，依據(jù)遙控器模塊上液晶屏分度值，通過遙控器按鍵將路徑輸入至液晶屏，也可直接調出標準路徑;然后將數(shù)據(jù)打包成數(shù)組形式，通過無線傳輸模塊nrf發(fā)送至小車控制器;最后啟動小車，小車按照預定軌跡實現(xiàn)劃線任務。多次實驗驗證表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動劃線任務，具有劃線穩(wěn)定、作業(yè)高效等優(yōu)點。關鍵詞

2、：自動劃線; stm32; 遠程遙控; 路徑設計; 模式識別doi：10. 11907/rjdk. 201121中圖分類號：tp399文獻標識碼：a 文章編號：1672-7800（2020）010-0174-05abstract： the main marking equipment on the market still relies on human visual observation， manual manipulation， and spraying marking along the baseline. in order to improve the marking efficie

3、ncy and reduce the cost， an automatic dash car system based on stm32 is proposed. the system is mainly composed of remote control module and travel control module. firstly， the planning path is scaled， and it is entered into the lcd screen through the remote control button， according to the lcd divi

4、sion value of the remote control module， or the standard path is called directly. then， the data is packaged into a group form， and is sent to the car controller through the wireless transmission module nrf. finally， the dash car will achieve the marking task according to the predetermined trajector

5、y. based on the experiment studies， it is proved that the designed system can realize the dash task automatically， which has the advantages of consistent line stability and efficient operation.key words： automatic scribing; stm32; remote control; path design; pattern recognition0 引言國務院關于全民健身計劃（20162

6、020年）通知1要求提供更加完備的公共體育服務，為建設體育強國奠定堅實基礎。隨著標準化運動場館建設與維護頻率提高，場地劃線工作越來越多2-3，劃線技術受到學者關注4-6。張明松等6對各種場地劃線技術優(yōu)缺點進行分析，探討未來智能劃線車定位系統(tǒng)發(fā)展趨勢;majd等7和李鑫等8對智能車路徑識別算法進行研究，為提高智能車尋跡精度提供算法支撐;文獻9通過樹莓派搭建一個視頻采集平臺，與移動小車相結合實現(xiàn)行人檢測;文獻10基于改進人工勢場法實現(xiàn)動態(tài)障礙物環(huán)境下的路徑規(guī)劃。以上文獻多側重于路徑識別算法與路徑規(guī)劃算法研究，未從實際使用角度進行設計。場地劃線車分為手推式和自行式兩種。手推式劃線車完全依賴施工者感覺

7、與技術，不僅產(chǎn)生較大誤差，還會造成資源浪費;自行式劃線車11-12造價高，國產(chǎn)冷漆噴涂售價人民幣3萬元左右，以燃油為動力，不僅污染環(huán)境，而且噪音較大。自動式劃線車擺脫傳統(tǒng)劃線方式對人的過度依賴，同時降低系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)遠程控制，達到高效節(jié)能、省時省力、方便快捷等目的;楊誠等13提出一種單片機控制的道路自動劃線系統(tǒng)，但不能進行劃線軌跡設計和更改，系統(tǒng)精度與靈活度還需提高。本文設計一種基于stm32的自動劃線小車系統(tǒng)，由遙控器與行進控制兩大部分構成，可實現(xiàn)遠程操控及預設路徑等功能，具有劃線穩(wěn)定、作業(yè)高效等優(yōu)點，相比現(xiàn)有劃線方式，在節(jié)能、精確度及效率等方面都有明顯優(yōu)勢，具有廣闊的應用及發(fā)展前景。1 系

8、統(tǒng)總體設計1.1 系統(tǒng)整體架構系統(tǒng)總體架構如圖1所示。系統(tǒng)由遙控器系統(tǒng)與行進控制系統(tǒng)兩部分組成。遙控器系統(tǒng)由stm32f103zet6（基于arm cortex-m3核心的32位微控制器）的最小系統(tǒng)、電源裝置、輸入（按鍵）模塊、顯示（tft液晶屏）模塊、通信模塊及報警模塊5個部分組成。行進控制系統(tǒng)由stm32f103zet6的最小系統(tǒng)、電源裝置、通信模塊、mpu6050運動處理組件、驅動模塊、舵機及帶編碼器的電機組成。1.2 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作流程：首先在遙控器上依據(jù)劃線圖形縮放比例及液晶屏分度值，將擬劃線路徑通過遙控器按鍵順序輸入至tft液晶屏，通過遙控器對繪圖數(shù)據(jù)進行存儲，操作者也可直接

9、調用存儲的標準路徑。繪制結束后按發(fā)送鍵，遙控器通過無線傳輸模塊nrf24l01將圖紙數(shù)據(jù)全部發(fā)送至小車控制器。小車控制器對數(shù)據(jù)進行處理計算得到指令，控制小車按照規(guī)劃路線劃線。劃線結束后，遙控小車返回，標線工作完畢。2 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件包括控制器模塊、遙控器模塊、通信模塊、運動處理模塊、驅動模塊及顯示模塊等。2.1 控制器模塊結構與原理控制器模塊包括控制器選用及最小控制系統(tǒng)設計?？紤]成本與效率因素，遙控器選用意法半導體公司的32位arm微控制器stm32f103zet6。該芯片具有功耗低、內存大、頻率高等優(yōu)點。stm32f103zet6有144個引腳，可作為io口使用的就有112個引腳，最高

10、工作頻率可達72mhz。多達8個16位定時器，有2個高級定時、2個基本定時、4個通用定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/pwm或脈沖計數(shù)的通道，1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車功能，用于電機控制的pwm高級控制定時器，以及其它豐富的外設資源。stm32f103zet6高速處理性能與豐富的外設資源，可使系統(tǒng)不需要額外擴充外部ram數(shù)據(jù)存儲器與flash程序存儲器。stm32的最小系統(tǒng)電路設計包括復位電路設計、外部時鐘電路設計、boot啟動電路設計、串口下載電路設計等。2.2 遙控器模塊遙控器電路設計采用5×5的按鍵矩陣，將25個按鍵按照5行5列方式進行排列連接，每行與每列

11、的一端連接單片機的io口，每條水平線與垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵連接。每一個按鍵對應一個變量輸入，對小車行進路線與模式進行控制與設計。2.3 通信模塊nrf24l01是nordic公司生產(chǎn)的一款無線通信芯片，采用fsk調制，內部集成nordic的enhanced short burst協(xié)議，可實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信14，無線通信速度可達2m（bps）。本設計對nrf24l01采用5v供電，cs為芯片模式控制線，連接stm32的f8引腳，控制nrf24l01收發(fā)模式;csn為芯片片選線，sck為芯片控制時鐘線，連接stm32的spi2_sck（pb13引腳）;mosi和mi

12、so為芯片控制數(shù)據(jù)線，分別連接在stm32的spi2_mosi（pb14引腳）、spi2_miso（pb15引腳）控制數(shù)據(jù)傳輸;irq為中斷信號引腳，無線通信中stm32主要通過irq與nrf24l01進行通信。本設計將stm32引腳與直插式底座相連，方便nrf24l01直接與stm32連接。2.4 運動處理模塊本設計選用mpu6050六軸加速度陀螺儀對小車前進方向進行監(jiān)測。mpu6050模塊體積小、功耗低、檢測精度高，能夠檢測x、y、z三個方向上的角速度與加速度。通過濾波融合算法15-16得到歐拉角，用歐拉角中的轉向角監(jiān)測小車前進的方向角度。2.5 驅動模塊選用tb6612fng電機驅動模塊

13、用于驅動小車的兩個直流電機，使小車不斷處于新舊交替的平衡狀態(tài) 17。驅動主要通過控制器輸出的pwm波對劃線車的速度與轉向進行控制。電機選用帶編碼器的減速電機，為劃線車提供行進動力。電機模塊帶有ab相增量式霍爾磁編碼器18，可實時檢測小車當前的速度與行進距離，控制劃線準確度。支持高達100khz的pwm信號頻率。2.6 顯示模塊顯示模塊選用3.5寸的tft-lcd，在-2050的溫度范圍正常使用，顯示設計的劃線路徑、當前模式和輸入坐標，以及當前劃線車位置等信息，監(jiān)控當前輸入數(shù)據(jù)與小車狀態(tài)。3 系統(tǒng)軟件設計3.1 控制系統(tǒng)整體設計整體設計分為遙控器和行進控制系統(tǒng)，通過nrf24l01進行數(shù)據(jù)通信，

14、工作流程分別如圖2和圖3所示。3.2 下位機軟件設計3.2.1 矩陣按鍵工作原理遙控器輸入鍵盤采用5×5的按鍵矩陣設計，每行與每列的一端與stm32的io口連接。采用定時10ms掃描方式判斷是否有按鍵按下。首先將每行io口電平設置為高電平，每列io口設置為低電平，對按鍵矩陣狀態(tài)進行掃描。當有按鍵按下時，對應行的電平被拉低，再設置每行io口電平為低電平，每列電平為高電平，檢測按下按鍵時哪一列被拉低。在軟件中定義同樣的5×5二維數(shù)組，當檢測到對應i行j列的按鍵被按下時，就返回二維數(shù)組中對應的數(shù)值，通過行數(shù)與列數(shù)確定被按下的按鍵，并返回對應鍵值。每個按鍵對應不同的數(shù)值以判斷按下的

15、按鍵，響應對應的事件。3.2.2 模式控制軟件設計系統(tǒng)有接收、發(fā)送、遙控、自動4種模式。接收模式與發(fā)送模式通過軟件自動控制。遙控器初始化為發(fā)送模式，行進系統(tǒng)初始化為接收模式，之后按照數(shù)據(jù)的收發(fā)自動設置收發(fā)模式。遙控模式與自動模式通過遙控器上的模式按鍵進行切換。每種模式都有對應的標志位，當某種模式被觸發(fā)時，對應標志位就會置1，該模式啟動，同時另一種模式標志位被清零。同時在發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)組中存儲模式控制標識，這樣不會導致模式混亂。模式控制程序代碼設計如下：/*模式控制*/if（key=z）/按下自動鍵key_automatic=1;key_control=0;send_buff00= a;if（ke

16、y=k）/按下遙控鍵key_control=1;key_automatic=0;nrf24l01_init（）;nrf24l01_tx_mode（）;buff0= b;3.2.3 路徑規(guī)劃軟件設計劃線車路徑規(guī)劃依靠遙控器鍵盤進行坐標繪圖。坐標繪圖就是通過輸入規(guī)劃路線的重要坐標點，如路線的轉折點、起始點、終止點等，將對應坐標點按照順序連線以實現(xiàn)繪圖。繪圖只能在自動模式下進行，按下鍵盤上的“自動”按鍵后，劃線小車進入自動模式，開始小車路徑規(guī)劃，屏幕上有對應的坐標系作為參考，進行圖形尺寸設計。按下“a”輸入的數(shù)值為坐標點x的坐標值，按下“b”輸入值為坐標點y的坐標值。通過“直線”和“圓/弧”按鍵確定

17、劃線類型。按下“直線”表明與上一個點的連線為直線，按下“圓/弧”表明與上一個點的連線為圓或者弧，再按下“c”輸入圓/弧半徑。一個坐標點輸入完成后按下“確定”按鍵，就會在屏幕對應坐標位置顯示繪制的坐標點，并與上一個坐標自動畫線連接。如果不按“直線”“圓/弧”按鍵，輸入坐標后直接按下確定鍵，則表示該段不劃線，在屏幕上不顯示連線。通過坐標點輸入就能完成規(guī)劃路徑的設計。本文通過一個200×10的二維數(shù)組對所有劃線數(shù)據(jù)進行存儲。如果路線繪制錯誤，按下“退格”鍵就能對上一條連線進行刪除，同時也會刪除數(shù)組中對應的數(shù)據(jù)。當路線全部設計完成后按下“發(fā)送”鍵，就能將規(guī)劃路線的全部數(shù)據(jù)發(fā)送到劃線小車控制系

18、統(tǒng)中。3.3 驅動電路原理與軟件設計3.3.1 b6612電機驅動軟件設計通過stm32的兩個io口控制一個電機，控制io口電平輸出，控制電機的正反轉。通過調節(jié)pwm波的占空比調節(jié)電機轉速，pwm占空比越大，電機轉速越快。程序如下：gpio setbits（gpiof， gpio_pin_2）;gpio setbits（gpiof， gpio_pin_4）;gpio resetbits（gpiof， gpio_pin_1）;gpio resetbits（gpiof， gpio_pin_3）;tim_setcompare1（tim3， 500）;      /右輪t

19、im_setcompare2（tim3， 500）;      /左輪systick_delay1ms（50）;3.3.2 速度與路程記錄設n為單位時間內行駛一定距離s所記錄的脈沖數(shù)，則小車速度為通過速度對時間積分得到時間t內行駛路程為實現(xiàn)代碼如下：a1=read_encoder（2）;  /編碼器a的計數(shù)值b1=read_encoder（4）;  /編碼器b的計數(shù)值encoder=（a1+b1）/2;speed = （float）encoder/1024）*7.5;  /速度t=speed*10;s=s+t;   

20、0;  /路程積分3.3.3 方向控制算法為保證小車在前進過程中保持方向穩(wěn)定，不偏離規(guī)劃路線，需要對小車兩個電機轉速進行控制，控制使用增量式pid算法19-20。通過計算與規(guī)劃路線的行駛偏差角進行pid控制，使小車兩輪轉速保持相等，達到前進方向與路線方向一致。3.3.4 舵機電路軟件設計舵機通過周期為20ms的pwm波控制轉角電機，stm32時鐘頻率為72mhz，通過對定時器分頻產(chǎn)生周期為20ms的周期波。本文用舵機模擬劃線車的顏料控制閥，通過改變pwm的占空比改變舵機的轉動角度。當小車行駛在需要劃線路段時，舵機旋轉控制劃線筆放下，開始劃線。當行駛在不需要劃線路段時，舵機控制劃線筆抬

21、起不劃線。通過接收到的規(guī)劃路線數(shù)據(jù)判斷是否劃線，當需要劃直線時，對應標志位為1，圓或者弧時對應標志位為2，不需要劃線對應標志位則為0。4 系統(tǒng)模型展示及運行結果分析4.1 系統(tǒng)模型展示劃線小車軌跡顯示、遙控器及未封裝實物如圖4和圖5所示。預設長方形軌跡自動劃線實驗結果如圖6所示。本實驗用舵機模擬劃線車的顏料控制閥，通過改變pwm占空比改變舵機的轉動角度。4.2 運行結果與分析通過按鍵輸入路徑規(guī)劃，小車順利按照規(guī)定路徑行駛。小車運行穩(wěn)定、轉向平穩(wěn)、噪音很小。在保證小車初始位置條件下，劃線操作不需要人為干涉，提高了劃線效率，降低了人工成本。動作結束，小車報警提示。在運動場等操作環(huán)境下，加裝外置天線

22、，遙控小車可自行返回，方便快捷。5 結語基于stm32的智能劃線小車具有能耗低、噪音小、效率高、劃線穩(wěn)定迅捷等特點，適用于各類運動場及部分交通劃線。小車測試展現(xiàn)了良好的系統(tǒng)性能。但在實際應用過程中，如何有效保障小車位姿準確性是一個難題。同時，該項目目前只適應于運動場停車位等標準劃線，對于復雜道路狀況劃線還需要拓展研究。參考文獻：1 國務院. 關于印發(fā)全民健身計劃（2016-2020年）的通知z. 國發(fā)201637號，2016.2 范瑋琦，王慧利. 道路劃線車基準線檢測方法與檢測裝置的研究j.  儀表技術與傳感器， 2008，40（8）： 101-103.3 岳文言.  論公

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