自動跟隨智能小車設(shè)計與運動控制

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科畢業(yè)生設(shè)計2緒論1.1引言隨著5G時代的到來，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相較十幾年前已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。全球智能化的浪潮使得現(xiàn)代社會逐漸朝著智能社會不斷發(fā)展，人工智能的逐漸普及，讓智能化的生活離我們越來越近。許多智能小車的設(shè)計都具有自主巡線的功能，自動尋跡小車等各種各樣的智能小車在大學(xué)生的課余科技活動中扮演著不可缺少的角色，但是大部分的小車只是實現(xiàn)了關(guān)于智能化的功能，即按照既定路線行駛的基本功能，而在跟隨性方面的考慮較少，大多數(shù)都沒有實現(xiàn)跟隨性的方面的功能。本文將研究設(shè)計一款能夠?qū)崿F(xiàn)小車跟隨主人的自動跟隨智能小車，利用控制器系統(tǒng)，按照小車進行系統(tǒng)設(shè)計，如智能小車車體的便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計以及對小車進行路徑規(guī)劃設(shè)計。同時與定位系統(tǒng)結(jié)合最終實現(xiàn)小車對目標的跟隨。1.2選題的現(xiàn)狀研究1.2.1智能小車設(shè)計與運動控制的概念本著對自動跟隨智能小車的承載力、穩(wěn)定性、可行性的原則，對其進行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在單片機系統(tǒng)下實現(xiàn)小車調(diào)速、驅(qū)動的運動控制功能。1.2.2智能小車國外研究現(xiàn)狀第一臺智能小車在1972年研制而成。自從那以后，一些發(fā)達國家開始進行無人駕駛汽車的研究，主要方向是軍事、高速公路和城市環(huán)境[1]。美國的國防部在研究自主陸地的車輛ALV方面投入了大量資金，取得了巨大的發(fā)展。在歐洲，許多國家開始對關(guān)于智能小車多方面功能進行研究，控制車距離，加強感知周邊道路環(huán)境，充分利用傳感器進行識別等。例如，通過改進汽車的調(diào)節(jié)速度提高其靈活性與可靠性，使得汽車整體安全性有了保障。通過包括道路標志、衛(wèi)星定位、車輛裝載地圖等綜合信息的方式，自動控制車輛導(dǎo)航和車輛的速度[2]。隨著智能小車的研發(fā)成為主流，其智能汽車的自動控制系統(tǒng)、前車距離控制系統(tǒng)、障礙報警系統(tǒng)、車輛監(jiān)控系統(tǒng)和夜間行人報警系統(tǒng)等智能控制系統(tǒng)越來越完善和提高[3]。在國外市場上，如圖1.1所示，有人設(shè)計出了自動跟隨高爾夫球球童車，這款高爾夫球球童自動跟隨車車上可以攜帶高爾夫球袋及各種日常用品并自動跟隨主人行駛。當當主人戴上一個發(fā)射器向小車持續(xù)發(fā)送無線信號，小車收到信號時，就會自動跟著主人行駛。這樣的自動跟隨高爾夫球球童車更夠極大的減輕人的負擔，也能節(jié)約對于球童的人力開支。圖1.1國外的自動跟隨高爾夫球球童車1.2.3智能小車國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國對智能小車研究在近幾十年來也取得巨大進步。隨著智能汽車的發(fā)展，適用場合不僅僅局限在道路上，關(guān)于采用無人駕駛技術(shù)的清潔能源電動游覽車也相繼研發(fā)而成，其時速可達50km/h的[4]。在國內(nèi)市場上，主要是有軌跟隨，如圖1.2所示，類似于電影拍攝的自動跟隨攝影小車，或者比賽場地上的跟隨攝影車。圖1.2自動跟隨攝影軌道車另外如圖1.3所示，有公司推出了自動跟隨理念的行李箱，能夠通過與手機或者遙控器與行李箱之間的無線連接實現(xiàn)5米范圍內(nèi)行李箱的自動跟隨。以上幾種產(chǎn)品雖然實現(xiàn)了自動跟隨的功能，但是它們都有著十分昂貴的售價，使得自動跟隨的產(chǎn)品不容易在大眾間普及。圖1.3自動跟隨行李箱1.3選題的研究意義現(xiàn)代社會逐漸注重智能化發(fā)展，近年來快遞、物流行業(yè)發(fā)展迅速，在快遞倉庫中許多AGV小車占據(jù)了絕大部分的重量，它們具備電子或光學(xué)等自動導(dǎo)航系統(tǒng)，可以沿著指定的導(dǎo)航路線駕駛，具有安全、多樣化的運輸工具傳遞功能，且工業(yè)應(yīng)用程序不需要驅(qū)動程序，而且還可以將充電電池作為電源使用[5]。只需要按照規(guī)定的軌跡進行移動即可，它的出現(xiàn)很好的幫助快遞行業(yè)運輸貨品。這類小車的工作原理就和尋跡小車大致相同，但是造價昂貴。本文選題的自動跟隨智能小車，基于使用現(xiàn)代化的智能設(shè)備，降低人類勞動力的理念，設(shè)計出可以自動跟隨指定的被跟隨物體自動行走的小車。如果添加載物功能，便能極大的方便倉庫工作人員對于貨品的管理甚至是組建運輸小車陣列，這樣就能夠替代造價高昂的AGV小車?；蚴窃诳爝f派送的時候為快遞員減輕負擔，或是改造成無需人力推動的跟隨式購物小車，方便人們在超市里購物。自動跟隨智能小車具有較為廣泛的應(yīng)用前景及商業(yè)市場。1.4本文的主要工作本文將研究設(shè)計一款注重要求小車跟隨主人的自動跟隨智能小車。研究其車體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計、運動控制，從而設(shè)計出自動跟隨智能小車的核心硬件系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)。（1）搭建自動跟隨智能小車的車體結(jié)構(gòu)通過對小車運動環(huán)境分析，研究小車上坡能力、地面粗糙耐磨能力、硬度能力、載物能力，選取合適的小車車體結(jié)構(gòu)材料。（2）搭建自動跟隨智能小車的硬件系統(tǒng)通過對各種傳感器、無線模塊進行調(diào)查研究，為小車自動避障系統(tǒng)和定位跟隨系統(tǒng)的搭建選擇合適的元器件，通過元器件與STM32單片機的連接，構(gòu)建出小車的自動避障系統(tǒng)和定位跟隨系統(tǒng)。（3）設(shè)計自動跟隨智能小車運動控制系統(tǒng)結(jié)合單片機與電機，對小車進行PWM調(diào)速設(shè)計，實現(xiàn)控制小車能夠順利地完成自動轉(zhuǎn)向或倒車，避免小車與未知障礙物間發(fā)生碰撞，從而實現(xiàn)避障的功能。

2自動跟隨小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1小車系統(tǒng)方案設(shè)計根據(jù)自動跟隨智能小車的功能設(shè)計要求，對小車進行避障、跟隨系統(tǒng)設(shè)計以及直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。通過對各個傳感器的數(shù)據(jù)進行采集，并進行處理分析，可以得到小車與障礙物的間隔長度，然后根據(jù)距離數(shù)據(jù)斷，判斷小車是否需要停車、后退或者轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)小車的避障功能。而定位與跟隨系統(tǒng)的實現(xiàn)基于被跟隨物體和自動跟隨智能小車之間的藍牙通信，通過對于被跟隨物體或自動跟隨智能小車的藍牙模塊的RSSI（接收信號強度指示）進行計算，測定自動跟隨智能小車（信號點）與被跟隨物體（接收點）二者間的距離。或者使用超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊，利用三角定位算法計算出小車與被跟隨物體間的距離，實現(xiàn)小車對于目標物體的準確定位。小車的調(diào)速功能實現(xiàn)可通過stm32單片機控制PWM信號從而來改變電機電壓實現(xiàn)速度調(diào)整。2.1小車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計本文設(shè)計的自動跟隨智能小車底座如圖2.1所示，采用亞克力材質(zhì)板組裝而成。亞克力是一種高分子材料，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和透光性。由于良好的透光性，能夠讓在對各種電子元件調(diào)試的時候進行更好的觀察。此外亞克力板的硬度高，耐磨性好。亞克力板的堅固程度能夠很好的支撐起整個小車的重量而且不易產(chǎn)生變形。圖2.1自動跟隨智能小車底座底板兩側(cè)為2個電機的安裝留有位置。底板前部為扇形結(jié)構(gòu)，留有多個M3孔洞便于各種傳感器和電子元件的安裝。后部為萬向輪的安裝留有4個M3孔洞位置。相比較于驅(qū)動小車行駛的大車輪，萬向輪的體積較小。為了保持小車底板的水平，在萬向輪和小車底板間使用4根長度為10mm的M3銅柱進行連接。在自動跟隨智能小車底座的左右兩側(cè)預(yù)留了用于固定電機的亞克力板插槽位置。電機與底座之間通過螺栓、螺母和亞克力板進行固定。小車的車輪選用直徑65mm的橡膠車輪。車輪內(nèi)部輪轂為塑料材質(zhì)，塑料材質(zhì)堅硬的特點可以保證車輪能夠承受小車的整體重量。車輪胎面為橡膠材質(zhì)，橡膠的特性既可以車輪保證承重的能力，一定的柔韌程度又可以為小車行駛的時候提供足夠的摩擦力。小車上層板為一塊PCB萬用板。用于放置單片機等核心控制的電子元件。以及布置各種元器件之間的跳線。上層PCB板通過M3銅柱與底層亞克力底座連接，使用螺絲、螺母進行固定。智能小車車輪設(shè)置分為三輪式和四輪式兩種，本次設(shè)計出自對經(jīng)濟實惠以及對小車靈活性的考慮選擇三輪式小車。智能小車車體的基本部分主要由車架、總電源、直流減速電機、車輪等組成。智能小車根據(jù)車輪數(shù)目分為兩種轉(zhuǎn)向控制方式，一種是使用舵機控制方向，前輪是通用輪子，后輪是驅(qū)動輪子，由電機驅(qū)動，而舵機是控制方向。另外一種控制方法是利用差速控制轉(zhuǎn)向，兩個驅(qū)動電機相當于左右車輪，相對獨立。它是靠控制小車左右輪的速度來實現(xiàn)的，后輪則選用萬向輪以確保小車順利轉(zhuǎn)彎[6]。如圖2.2所示，A、B為小車電機驅(qū)動車輪，C為小車萬向輪。圖2.2小車結(jié)構(gòu)示意圖2.3自動跟隨智能小車的優(yōu)點（1）成本低廉本文設(shè)計的自動跟隨智能小車使用的各種傳感器的成本低廉，使用簡單的傳感器就能達到非常不錯的效果。（2）核心控制技術(shù)成熟小車核心控制芯片為STM32芯片，是現(xiàn)在較為普及的單片機芯片，可編程程度高，被廣泛運用于各種商業(yè)產(chǎn)品當中。（3）反應(yīng)時間迅速小車通過無線通訊與被跟隨物體進行無線數(shù)傳，通訊延遲時間短，數(shù)據(jù)傳輸速率快。2.4小車系統(tǒng)硬件設(shè)計2.4.1控制器模塊控制器選型：本次智能小車系統(tǒng)需要完成主要實現(xiàn)小車目標跟隨、自動避障、PWM電機調(diào)速等任務(wù)，若采用普通51單片機難以滿足該系統(tǒng)正常實現(xiàn)及運行，需要高性能DSP處理器才能實現(xiàn)基本的功能需求。因此從需求、性能、價格這三個因素綜合考慮最終選用由意法半導(dǎo)體公司設(shè)計的高性能處理器STM32F407。相較于古老的89C51單片機，STM32單片機是商用范圍更廣，性價比更高，功能符合開發(fā)的需求。而51單片機能基本實現(xiàn)多個邏輯位操作功能，但其運行速度慢，I/O的高電平并不穩(wěn)定，其輸出時有時無，可使用的功能少，一些功能需要通過擴展實現(xiàn)。根據(jù)本文對于自動跟隨智能小車的實際功能研究和開發(fā)需求，選擇STM32單片機作為本次自動跟隨智能小車的核心控制芯片。STM32使用串口通信接口實現(xiàn)串行通信，支持IIC、USART、SPI、CAN、USB等多種通訊協(xié)議。本文選用STM32F407VET6作為控制器模塊，32位處理器內(nèi)核，增強了應(yīng)用程序的可靠性。工作頻率高達168MHz，閃存最大可達1MB以及192KB的SRAM。工作所需電壓1.8v~3.6v。可實現(xiàn)PWM信號控制，外圍設(shè)備可通過特定的存儲器進行訪問。STM32F407VET6的材料很好，可以承受-40~85的工作溫度。STM32F407微型控制器系列產(chǎn)品可用于發(fā)動機驅(qū)動器及應(yīng)用程序控制、醫(yī)療器械、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用程序、打印機及掃描儀、家庭音響設(shè)備等[7]。STM32F104VET6控制器系統(tǒng)具體設(shè)計實現(xiàn)：STM32F104VET6是本次智能小車設(shè)計的核心主控芯片，主要實現(xiàn)小車目標跟隨、自動避障、PWM電機調(diào)速等任務(wù)。其工作頻率高，運行速度快。內(nèi)部的資源豐富，減少了系統(tǒng)外圍的電路設(shè)計，提高了內(nèi)部系統(tǒng)的集合度與可靠性。STM32F104VET6控制系統(tǒng)主要由電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG接口電路等組成。（1）控制器主電路：如圖所示為STM32F104VET6控制器電路，主要由主芯片和部分電容電阻組成，其中主芯片引腳數(shù)為100個，I/0數(shù)量為82個。圖2.3主電路（2）晶振電路：晶振作為振蕩器，具有高精度和穩(wěn)定性。其外接電路可形成頻率和峰值穩(wěn)定的正弦波，是單片機正常工作的必要條件之一。本次晶振電路設(shè)計采用控制器內(nèi)部提供的電路，即晶振Y1、Y2分別連接管腳8、9和12、13，其中Y2是32.768k的RTC時鐘晶振，每秒可振蕩一次。圖2.4晶振電路（3）復(fù)位電路單片機在運行過程中，受外部環(huán)境因素的影響，寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)混亂，無法正常運行，若程序執(zhí)行出現(xiàn)故障，則需要單片機進行復(fù)位，使寄存器的數(shù)值加載為默認值從而讓程序重新正常運行。單片機復(fù)位方式有多種。本文采用手動低電平復(fù)位，按下鍵時，rstset端為低電平，系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)位，若按鍵釋放，rstset端為高電平，復(fù)位結(jié)束。圖2.5復(fù)位電路（4）系統(tǒng)電源電路STM32F104VET6工作電壓為1.6v~3.6v之間，一般需要通過電源降壓穩(wěn)壓供電否則若不在芯片所能承受的工作電壓范圍之內(nèi)很可能會導(dǎo)致控制器無法正常工作。因此本文選用AMS1117-3.3V芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為STM32F104VET6工作電壓。AMS1117是一種輸固定電壓型穩(wěn)壓芯片，輸入電壓為5v，產(chǎn)生3.3v的輸出電壓供給STM32F104VET6使用。圖2.6系統(tǒng)電源電路（5）JTAG調(diào)試接口電路JTAG主要是將目標文件燒錄下載到處理器中并進行硬件調(diào)試。JTAG內(nèi)部有一個TAP端口，可通過JTAG測試工具測試內(nèi)部節(jié)點。在DSP開發(fā)中，JTAG接口不可或缺，其作用是將仿真器和微機聯(lián)系起來。圖2.7JTAG調(diào)試接口電路2.4.2電機模塊自19世紀末起，一位來自比利時的工程師格拉姆發(fā)明了直流電動機，它的問世徹底改變了人類的生活。不同類型的電動機也開始逐漸進入社會生產(chǎn)當中，為人類帶來許多便利，對世界的經(jīng)濟發(fā)展以及人類的生產(chǎn)力有重大意義。常見電機分類（1）伺服電動機：伺服電動機是作為控制系統(tǒng)運行的組件。其原理是控制電壓輸入后，轉(zhuǎn)子就開始旋轉(zhuǎn)，如果不輸入控制電壓，轉(zhuǎn)子就會停止。根據(jù)控制電壓的方向和大小，決定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。伺服器分為DC和AC伺服器，需要較高的變速準確度，優(yōu)秀的穩(wěn)定性，較高的位置準確度，快速的應(yīng)答，寬闊的速度范圍以及優(yōu)秀的系統(tǒng)穩(wěn)定性。AC電機與DC電機相比，構(gòu)造簡單，價格比DC電機便宜，轉(zhuǎn)子慣量較小，容量更大。DC數(shù)據(jù)馬達一般適合小的電力范圍，一般使用電磁控制和磁場控制。（2）步進電動機：步進電動機的主要優(yōu)勢在于可高精度開環(huán)定位、實現(xiàn)靜止鎖定功能、控制簡單、壽命長、可靠性高。其劣勢在于若控制不當會容易產(chǎn)生共振，重量較大，能量使用率低，負荷時影響同步，電機在工作中產(chǎn)生震動和噪音。根據(jù)操作員的特性，其應(yīng)用主要在數(shù)控機床制造領(lǐng)域，將脈沖信號直接轉(zhuǎn)換為角度變換的優(yōu)點，適用于數(shù)控機床執(zhí)行元件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種領(lǐng)域電機的需求正在增加，比如打印機、繪圖機、各類醫(yī)療器械通訊設(shè)備、自動送料機、電子電動驅(qū)動器等產(chǎn)品。（3）力矩電動機：力矩電動機在低速環(huán)境下或轉(zhuǎn)子無法運行時依然維持運轉(zhuǎn)提供穩(wěn)定的力矩給負載。力矩電動機工作方式分為恒功率和恒轉(zhuǎn)矩，保持負載轉(zhuǎn)矩不變或者負載功率保持不變從而改變轉(zhuǎn)速。其特性是低速，大扭動，過載過重，快速應(yīng)答，良好的線性和小波動。由于轉(zhuǎn)子電阻高、損耗大，因此可以低速、長時間驅(qū)動或堵住不動，但很容易產(chǎn)生熱量，需要增加鼓風機降溫，因此，使用力矩電機時，要確認送風機是否正常運轉(zhuǎn)，周圍環(huán)境是否保持良好的通風狀態(tài)，禁止旁邊放置干燥易燃物，比如易燃粉塵或者揮發(fā)性可燃油類易燃物。主要廣泛運用于傳送帶、擠壓器等摩擦負載以及機床主軸和造紙、紡織工業(yè)等。（4）開關(guān)磁阻電動機：開關(guān)磁阻電動機是一種結(jié)合了DC和AC速度控制系統(tǒng)優(yōu)點的新型調(diào)速電機。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，電源線路簡單穩(wěn)定，系統(tǒng)性能高，速度快。轉(zhuǎn)子上沒有任何繞組，因此不會有短線問題，高強度的機械性能可以高速啟動，速度可以每分鐘旋轉(zhuǎn)數(shù)萬次。電路結(jié)構(gòu)簡單，提高了工作可信度。從電機電磁結(jié)構(gòu)來看，各位相電路相互獨立工作，分工明確。，若發(fā)生故障并不影響其它相正常運行，只需停止該相工作即可。電機可控制的參數(shù)較多，調(diào)速性能優(yōu)秀，根據(jù)工作要求控制不同參數(shù)，使電機達到最佳運作狀態(tài)。由于社會經(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對于機械化、自動化的要求程度不斷提升，開關(guān)磁阻電機的優(yōu)勢符合行業(yè)的要求，使之其在市場的需求量逐漸增加。目前開關(guān)磁阻電機廣泛運用于電動車驅(qū)動、紡織工業(yè)、焦炭工業(yè)、家電行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，是傳統(tǒng)電動機的強有力競爭者。（5）同步、異步電動機：異步轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子磁場得到轉(zhuǎn)動力矩，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。它分為鼠籠式和繞線式異步電機。相比之下，同步電動機的穩(wěn)定性和工作效率優(yōu)于異步電動機，但異步電機構(gòu)造較為簡單，制造及維護更為便捷，費用低廉。異步電機主要用于驅(qū)動工作機械、水泵、升降機、農(nóng)產(chǎn)品加工機械及家電產(chǎn)品等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療設(shè)備。電扇、空調(diào)、冰箱、真空吸塵器等家電產(chǎn)品被廣泛使用。同步電動機是一個容性負載，可以改變供電系統(tǒng)因素，可作為調(diào)相機使用，向電網(wǎng)輸送電感性或者電容性無功率，除此之外廣泛運用于軋機機、壓縮機、球磨機等大型機械以及微型儀器設(shè)備或作為控制元件。（6）直流電動機：直流電動機的優(yōu)勢體現(xiàn)在3個方面，第一電勢波形好，電磁干擾更小。第二，速度范圍寬，速度平滑。第三種是超負荷容量大，啟動和制動轉(zhuǎn)矩大。因為其需要有整流電刷，所以在制作和維修方面較為復(fù)雜，不太適合高速大力矩運轉(zhuǎn)。直流電機選型電機選擇因素：本次電動機的選著從性能、電池電壓、成本。三方面因素考慮。首先電動機作為控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其性能要求是選型的首要考慮因素，電動機的轉(zhuǎn)速、工作扭力、調(diào)速性能等。其次是電壓要求，選用的電池需要與電機相匹配，電池的電流容量會影響到電機的輸出功率和輸出扭力。最后是成本因素，由于本次設(shè)計是可攜帶的智能小車，電機的尺寸不需太大，避免占用多余空間。綜合以上因素考慮，最終選擇直流電機作為整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。（1）轉(zhuǎn)速選?。罕疚男≤嚨乃俣纫蟠蟾乓阅苓_到與人正常步行的速度為標準，即大約1m/s。小車選取的輪胎直徑為66mm，小車的直流電機轉(zhuǎn)速換算如下：C=Πd=3.14*66*10-3=n=1/0.20724≈4.8轉(zhuǎn)/秒≈288轉(zhuǎn)/分式中C為周長，n為轉(zhuǎn)速，因此選擇直流電機時，可參考轉(zhuǎn)速為200~300轉(zhuǎn)/分這個區(qū)間。由于一般小型直流電機轉(zhuǎn)速每分鐘可達上萬轉(zhuǎn)以上，所以需要在前面加一個減速箱才能實現(xiàn)。（2）電壓選?。盒≤囉?8650鋰電池供電，電池充滿電的電壓為8v。本文選擇大概6v作為電機工作的額定電壓。（3）扭矩選?。罕疚脑O(shè)計的小車不僅能實現(xiàn)平地行走且能夠在一定坡度上正常行走，考慮小車的運行環(huán)境，小車扭矩的計算需要參數(shù)如下表2-1：小車重量（自重加載物）5kg最大車速1m/s加速時間1.5s坡度30°驅(qū)動輪直徑66mm驅(qū)動輪數(shù)量2表2-1小車參數(shù)外部的啟動靜摩擦阻力、加速阻力、上坡的坡道阻力與扭矩有關(guān)。①啟動時的靜摩擦阻力F1:F1=μMg=39.2N式中：μ-靜摩擦系數(shù)（0.8）注：靜摩擦系數(shù)與地面情況，輪胎材料等因素有關(guān)。g-重力加速度（9.8m/s^2）②加速時的加速阻力F2：a=vF2=Ma=3.35式中：a-加速度③上坡時的坡道阻力F3：F3=Mgsin式中α-爬坡坡度角，30°④則小車啟動時受到的總阻力為：F=F1+⑤小車所需的總扭矩為：T=F×R=2.21265N.式中：R-驅(qū)動輪半徑⑥小車在每個驅(qū)動輪上的驅(qū)動扭矩：T1=T2=1.106325⑦小車電機的扭矩：T2=T1i≈式中:i-減速比,假設(shè)本文選用減速電機的減速比為1：40綜上所述，最終選擇電機型號為DC3V-6V直流減速電機作為小車驅(qū)動部件，其主要的參數(shù)如下表2-2：工作電壓DC3VDC5VDC6V工作電流100mA100mA120mA減速箱減速比48：1空載（加輪子）100轉(zhuǎn)/分190轉(zhuǎn)/分240轉(zhuǎn)/分輪胎直徑6.6cm空載速度20米/分39米/分48米/分重量50g外形尺寸70*20*18mm噪聲<65db表2-2直流減速電機參數(shù)直流減速電機通過齒輪傳動比進行減速從而降低輪胎的速度，以達到減速和扭力更改的目的。它讓直流電機在自動化工業(yè)中的應(yīng)用更加有效。圖2.8DC3V-6V直流減速電機2.4.3L298N電機驅(qū)動模塊L298N電機驅(qū)動可以通過單片機的IO引腳對于模塊的邏輯輸入實現(xiàn)對于2個電機的運動控制。電機驅(qū)動模塊可以將12V的輸入電壓通過穩(wěn)壓芯片將至5V進行輸出，其滿足直流電機的大電流驅(qū)動條件。它的特點是良好的啟動性能和巨大的啟動轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)正、反向馬達回轉(zhuǎn)和調(diào)速。在6v到46v電壓區(qū)間可提供2安培電流，并且具有過熱自斷和反饋檢測功能。是高校學(xué)生進行機器人設(shè)計和智能小車設(shè)計的重要模塊。圖2.9L298N電機驅(qū)動模塊（1）L298N電機驅(qū)動模塊產(chǎn)品參數(shù)如下表2-3所示：驅(qū)動芯片L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片驅(qū)動部分喘子供電范圍vs+5V~+35V如需要板內(nèi)取電，則供電范圍vs：+7V～+35V驅(qū)動部分峰值電流i02A邏輯部分端子供電范圍vss+5V~+7V（可板內(nèi)取電+5V）邏輯部分工作電流范圍0～36mA控制信號輸入電壓范圍低電平：一0·3V<Vin<1.5V高電平：2·3V<Vin<Vss使能信號輸入電壓范圍高電平：2·3V<Vin<Vss（控制信號有）低電平：一0·3V<Vin<1.5V控制信號無效）大功耗20w（溫度T=75℃時）存儲溫度一25℃~+130℃其他擴展控制方向指示燈、邏輯部分板內(nèi)取電接口表2-3L298N電機驅(qū)動模塊產(chǎn)品參數(shù)（2）L298N電機驅(qū)動模塊電路原理圖圖2.10L298N電機驅(qū)動模塊電路原理圖（3）引腳介紹圖2.11L298N的引腳介紹引腳編號名稱功能1電流傳感器A在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流2輸出引腳1內(nèi)置驅(qū)動器A的輸出端1，接至電機A3輸出引腳2內(nèi)置驅(qū)動器A的輸出端2，接至電機A4電機電源端電機供電輸入端。電壓可達46v5輸入引腳1內(nèi)置驅(qū)動器A的邏輯控制輸入端16使能端A內(nèi)置驅(qū)動器A的使能端7輸入引腳2內(nèi)置驅(qū)動器A的邏輯控制輸入端28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端為5v10輸入引腳3內(nèi)置驅(qū)動器B的邏輯控制輸入端111使能端B內(nèi)置驅(qū)動器B的使能端12輸入引腳4內(nèi)置驅(qū)動器B的邏輯控制輸入端213輸出引腳3內(nèi)置驅(qū)動器B的輸出端1，接至電機B14輸出引腳4內(nèi)置驅(qū)動器B的輸出端2，接至電機B15電流傳感器B在該引腳和地之間接小阻值電阻可用來檢測電流表2-4引腳介紹（4）直流電機的驅(qū)動本文選用L298N驅(qū)動2個直流電機，通道A和通道B可以直接連接電機的正負極。通過4個邏輯輸入的引腳可以控制通道A和通道B的正負極?？刂颇Ｊ脚c直流電機狀態(tài)表2-5如下所示：表2-5直流電機狀態(tài)表直流電機在執(zhí)行PWM速度控制時，設(shè)定IN1和IN2，確定電機的旋轉(zhuǎn)方向，然后將PWM脈沖輸出到活動終端，實現(xiàn)速度調(diào)整。若使能信號為0，則電機處于停止狀態(tài)，若使能信號為1，且IN1和IN2為00或11，則電機處于停止狀態(tài)，不能轉(zhuǎn)動。。2.4.4電源模塊智能小車系統(tǒng)的硬件部分需要電源供電，本次小車選擇18650型鋰電池作為系統(tǒng)的總電源。根據(jù)不同的用電器件所需的電壓，設(shè)計出不同的穩(wěn)壓電路。14500型鋰電池單節(jié)電壓為3.6v或3.7v，最小放電終止電壓一般為：2.75v，其容量范圍是1200~3100mAh。主要廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域以及電子設(shè)備。其主要優(yōu)點有以下4點：（1）安全性高無毒，不會爆炸；可耐高溫，65度下放電效率大100%；自帶保護板，具有過充過放和短路保護等功能。（2）容量大相比于普通800mah左右的電池，18650鋰電池容量可高達3600mah[8]。（3）內(nèi)阻小聚合物電池的內(nèi)部電阻可不大于35歐，減少了電池的自耗，延長等待時間（4）使用壽命高使用周期壽命為500倍以上，比普通電池高出2倍以上與其它普通電池相比，14500電池（5號）外形尺寸最為相似，但它們的電壓值不同。鋰電池電壓一般可達3.7v，而5號電池一般為1.5v或1.2v。從循環(huán)利用上看，18650鋰電池可循環(huán)充電而普通5號電池多數(shù)為一次性電池。選擇18650鋰電池最為合適。硬件器件主要需要被供電的電壓為3.3v、5v和12v。其中stm32需要3.3v供電，紅外距離傳暗器和超聲波距離傳感器需要5v供電，電機驅(qū)動器需要12v供電。除了電機驅(qū)動器可直接與電池連接，其它硬件器件電壓需由穩(wěn)壓電源進行轉(zhuǎn)換。本次使用LM2596SDC-DC直流可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊板，主要實現(xiàn)12v到5v和3.3v的轉(zhuǎn)換。LM2596SDC-DC芯片效率高最可達92%，發(fā)熱量小，能很輕松帶起3A短時間電流以內(nèi)的電流使用，輸出功率可達10w以上。使用低ESR的原裝三洋濾波電容，可將重復(fù)電壓降低到30mV。2.3.5紅外距離傳感器模塊紅外距離傳感器模塊對外部環(huán)境光線敏感，硬件上由一堆紅外線發(fā)射和接收管[9]。啟動原理是當發(fā)信管放出特定頻率的紅外線時，如果向釋放方向出現(xiàn)障礙物，紅外線反射后就會被接收管接收，并輸出信號。模塊的感知距離范圍2-30厘米，感知角度為35°，感知距離可通過電位差調(diào)整。將電位器放在順時針方向調(diào)整，增加感應(yīng)距離;若將電位器放在逆時針方向調(diào)整，減少感應(yīng)距離。傳感器的“感知規(guī)則”是，黑色感知距離最小，白色最大，小面積距離小，大面積距離大。紅外線感應(yīng)器的連接方法是VCC-VCC,GND-GND，OUT-IO。輸出端口OUT將直接連接到stm32IO端口。紅外距離傳感器最低有效工作電壓為3V，最高有效電壓為5V。當外接電源電壓低于3V時，無法驅(qū)動紅外距離傳感器的正常工作。當外接電源電壓高于5V時，容易使得紅外距離傳感器中的芯片和二極管等元件發(fā)生損壞。圖2.12紅外距離傳感器模塊紅外線距離傳感器的優(yōu)點是可以通過電位差來調(diào)整感應(yīng)距離，干擾少，組裝簡單，使用方便，而且在機器人和小車避障、流水線計數(shù)和黑白線條追蹤等多種情況下都可以廣泛使用。2.3.6超聲波距離傳感器超聲波的能量比普通的聲波集中的多。這樣的特點賦予了超聲波許多的特性。在醫(yī)學(xué)研究方面，B超就是超聲波探測的最廣泛的應(yīng)用。超聲波通過對于內(nèi)臟器官等的探測，能夠?qū)⒎答伒慕Y(jié)果經(jīng)過計算機的數(shù)據(jù)處理顯示在屏幕上，能夠使醫(yī)生直觀的觀察人體內(nèi)部的健康情況。在工業(yè)領(lǐng)域中，超聲波探傷廣泛運用在各種各樣的工程現(xiàn)場，超聲波探傷是一種對于被檢測對象沒有損害和影響的檢測手段。超聲波探傷的原理是通過對金屬材料發(fā)射超聲波，超聲波在遇到金屬材料中的裂隙、空洞等缺陷時，會產(chǎn)生不同的超聲波回波，通過超聲波探傷儀器對特殊的回波進行處理分析，就能確定金屬材料中的缺陷位置。在機器人和自動化等領(lǐng)域中超聲波測距有著不可缺少的地位。因為超聲波的能量不容易在傳輸過程中被消耗，而且超聲波的定向發(fā)送能力比較出色，這使得超聲波經(jīng)常被用做測距的工具。在我們許多家用轎車的倒車系統(tǒng)中，防碰撞的報警器就是用超聲波測距的原理實現(xiàn)防碰撞的如圖2.13所示，本文選用的是HC-SR04超聲波模塊，其測定距離數(shù)據(jù)較為準確，其測量精度可以達到最小3mm的距離，最低有效工作距離為30毫米，最高有效工作距離為4000毫米盲區(qū)相較于其他模塊小，價格低廉。當小車遇到了障礙物時，超聲波接收端口向單片機的IO口輸入信號，輸入信號時間越長所檢測到的距離就越遠測，反續(xù)時間越短的所檢測到的距離越近。測試距離=（高電平*聲速（340m/s）/2）[10]。超聲波距離傳感器可能會受到環(huán)境溫度的干擾，從而會出現(xiàn)對于距離測量時產(chǎn)生一定的微小誤差。圖2.13HC-SR04超聲波模塊產(chǎn)品參數(shù)電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC5v工作電流15mA工作頻率40kHz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10Us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm表2-6超聲波傳感器產(chǎn)品參數(shù)超聲波的時序圖如圖2.14所示：圖2.14超聲波的時序圖超聲波模塊原理圖如圖2.15所示：圖2.15超聲波模塊原理圖2.3.7藍牙模塊現(xiàn)代較為常見的無線通訊技術(shù)有藍牙、WLAN、ZIGBEE等通訊技術(shù)。WLAN技術(shù)的覆蓋范圍一般比藍牙技術(shù)的覆蓋范圍更大，信號頻段的干擾會比藍牙更少。但是比起WLAN復(fù)雜的設(shè)置過程而言，藍牙的搭建顯得更加的簡單。藍牙技術(shù)和WLAN技術(shù)相比于ZIGBEE，傳輸速度更快。WLAN技術(shù)相較與藍牙技術(shù)和ZIGBEE0技術(shù)的安全性更高。當前最常見的藍牙模塊為藍牙2.0和藍牙4.0模塊?，F(xiàn)在的藍牙5.0具備更快更遠的傳輸能力，傳輸速率和有效傳輸距離得到了極大地提高。如圖2.7所示，本文選用藍牙2.0的HC-05藍牙芯片進行單片機與手機之間的通信?？梢允箚纹瑱C與手機之間搭建無線數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)耐ǖ?，使使用者能夠通過手機上的控制信號對小車進行無線的控制。圖2.16HC-05藍牙數(shù)傳模塊2.4本章小結(jié)本章主要內(nèi)容講述了智能小車系統(tǒng)硬件設(shè)計，給出智能小車的車體組成圖并講述了車體對環(huán)境的承受能力，介紹了控制器模塊、電機模塊、L298N電機驅(qū)動模塊、電源模塊、紅外距離傳感器模塊等重要模塊的工作原理及選型因素及性能介紹。

3直流電機PWM調(diào)速設(shè)計3.1直流電機速度控制原理直流電機速度控制是由勵磁控制和電樞電壓控制所區(qū)分的。考慮到勵磁控制的不穩(wěn)定性，一般勵磁控制法使用較少，所以電樞電壓控制法使用場合較多，也是在電機調(diào)速中常用的方法。因為直流電機的結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子部分，在這兩者的空隙中電機的電路和磁場發(fā)生相對運動使得轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)動。直流電機主要結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1直流電機結(jié)構(gòu)示意圖電壓控制原理是將控制電壓信號添加到電樞上，以達到勵磁電壓在不改變的情況下控制電機轉(zhuǎn)速的目的。本文使用脈沖寬度變調(diào)來改變電壓實現(xiàn)速度調(diào)整。3.2PWM調(diào)速原理PWM控制方法通過改變電機電樞電壓的占空比實現(xiàn)不同電樞電壓從而達到調(diào)速的效果，其重要參數(shù)為頻率和占空比。如下圖3.2、圖3.3所示：圖3.2原理圖圖3.3波形圖如圖3.2原理圖所示，在電路中，按照一定頻率接通或者關(guān)斷半導(dǎo)體器件VT，電樞可以得到斬波電壓。通過調(diào)整電壓的"占空比"獲得平均輸出電壓Ud來控制直流電機的速度Vd，如圖3.3所示。從圖中可分析得出：當電機得電時，轉(zhuǎn)速為Vmax；根據(jù)公式Vd=Vmax*D，電機的平均速度與占空比有關(guān)。由此可見，只要占空比D改變時，電機的平均速度Vd就進行變動，實現(xiàn)了調(diào)速。從波形圖中可得出，頻率F的值為1/(t1+t)，占空比D的值為t1/(t1+t)。單位時間內(nèi)脈沖數(shù)可以達到頻率變調(diào)，還可以改變占空比D的大小對電機電壓進行調(diào)整。綜上所述，占空比在電機調(diào)速中其重要作用，電樞端電壓可由占空比控制，通過連接單片機PWM接口，執(zhí)行程序進而調(diào)節(jié)占空比。定頻調(diào)寬法改變占空比從而改變直流電機電樞兩端電壓是目前直流電機PWM調(diào)速使用的最優(yōu)方法{11]。本文運用此方法，利用單片機定時器，調(diào)整脈沖寬度達到調(diào)速目的。3.3直流電機驅(qū)動技術(shù)直流電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)調(diào)速是通過H橋電路實現(xiàn)[12]。如圖3.4所示：圖3.4H型橋式電路原理圖H橋電機驅(qū)動電路包括4個晶體管和一個電機，其形狀類似于H，故以H橋電路命名。調(diào)速方法具有優(yōu)秀的調(diào)速特性、柔和、寬闊的調(diào)速范圍、強大的過載容量，能承受頻繁的負重沖擊。電機工作過程：如下圖3.5所示，直流電機成功啟動需要給對角線上一對晶體管電源。電流通過直流電機從右向左或從左向右流動，從而改變發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)方向。圖3.5H橋式部分電路（1）電機正轉(zhuǎn)運行當q1和q4處于飽和狀態(tài)時，q2和q3處于阻隔狀態(tài)時，直流電機的電流從左向右流，如下:VCC→Q1→發(fā)動機→Q4→GND。此時，直流電機(M)電線圈的兩側(cè)電壓基本與電源電壓相同，馬達實現(xiàn)正旋轉(zhuǎn)。在此情況下自需給q4的基極加載PWM信號即可實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。（2）電機反轉(zhuǎn)運行當q2與q3處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，q1和q4處于截至狀態(tài)，直流電機電流從右到z左，流向如下：VCC→Q3→電機→Q2→GND。此時直流電動機M電樞繞組兩端電壓基本與電源電壓一致，電機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。在此情況下自需給q2的基極加載PWM信號即可實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。驅(qū)動電機時H橋上的q1、q2或q3、q4不能同時啟動，若同時導(dǎo)通電流會從正極通過兩個晶體管直接流到負極。電路中除了晶體管以外沒有其他負荷，所以供電系統(tǒng)會因過大電流而短路，其相關(guān)器件會被燒壞。為了避免這種情況發(fā)生，在電路中應(yīng)該使用控制邏輯改進電路?？稍贖橋電路的基礎(chǔ)上增加4個與門和2個非門。4個與門同一個”使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)臂上都只有一個三極管能導(dǎo)通。3.4本章小結(jié)本章內(nèi)容講述了智能小車在運動控制方面所涉及的調(diào)速以及轉(zhuǎn)向的設(shè)計。包括直流電機PWM調(diào)速原理以及電機驅(qū)動技術(shù)。

4路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃是解決小車在未知環(huán)境中運動時，對障礙物進行判斷識別，并正常避開障礙物到達目的地的一種運動策略。一般來說，經(jīng)常使用的路徑規(guī)劃方法有人工勢場法、柵格法以及遺傳算法等。其中人工勢場法其直觀性很強，但是這種方法也存在缺乏全局信息，極有可能發(fā)生在障礙物之間發(fā)現(xiàn)不了合適路徑等問題。利用柵格法進行路徑規(guī)范可以有效地避免進行復(fù)雜運算，但是這種方法規(guī)劃出來的路線經(jīng)常存在不精確的缺點。利用遺傳算法進行路徑規(guī)劃，其結(jié)果具有較強的適應(yīng)能力和魯棒性，但是其計算量太大，以至于超過車載單片機的計算能力，造成機器人難以實現(xiàn)路徑規(guī)劃的要求。本文運用基于幾何算法對小車進行路徑規(guī)劃，計算合理的路徑，并對路徑上出現(xiàn)的障礙物進行判斷并計算合適的作用范圍。根據(jù)小車、障礙物與目標點的位置規(guī)劃出小車到目標點的較優(yōu)無碰撞路線。4.1運動學(xué)模型建立本文選用笛卡爾坐標系建立智能小車的運動學(xué)模型，采用4個輪子安裝模式，運用差速驅(qū)動進行轉(zhuǎn)向。小車的運動動態(tài)根據(jù)笛卡爾坐標中的位置和相對于全局參照系的方位來確定。圖4.1笛卡爾坐標系中的智能小車模型其中，V表示平移速度，ω表示角速度，(x,y)在坐標中表示小車的質(zhì)心，作為小車軌跡跟蹤的控制輸入，θ作為小車行駛方向與x軸的夾角，（x,y,θ）T表示位姿，智能小車的運動學(xué)模型如下:xyθ如圖所示，智能小車當前位姿，期望軌跡br=x圖4.2位姿坐標誤差模型小車的非完整約束條件：xrsinθ小車在目標位姿處的期望狀態(tài)為ar=be=利用變換矩陣將全局坐標變成為局部坐標，結(jié)合非完整約束條件式（2），計算誤差的導(dǎo)數(shù)：be=x設(shè)計控制率可獲得有界輸入V，ω，使系統(tǒng)在該控制輸入作用下，對于任意誤差狀態(tài)下，be有界limt4.2基于幾何學(xué)的路徑規(guī)劃小車在行走過程中，若小車與目標點之間沒有存在障礙物時，二者的連線為最短路徑。由于小車有初始角度，需要進行角度調(diào)整，其可在行走過程中調(diào)整角度形成連續(xù)曲線路徑或者調(diào)整到最終角度后向目標點移動，可形成近似直線路徑。小車在行走時，當傳感器識別到障礙物時，其行走路線開始進行調(diào)整。為方便計算，考慮到障礙物形狀不規(guī)則，將障礙物簡化視作圓柱形，其作用范圍大于障礙物，其作用半徑為r，r的選取不必過大。若假設(shè)的作用范圍過大，可能影響到小車找不到路徑。若過小，實現(xiàn)避障的可靠性無法保證。以下對小車避障可行性進行分析：（1）根據(jù)幾何法確定小車與目標點的位置，其中：（xa，ya）為小車當前坐標，（圖4.3障礙物示意圖（2）當存在障礙物時，對小車、目標點以及障礙物的位置進行討論：圖4.4障礙物位置示意圖①當h>r時，小車可沿著最短路徑行走，小車與目標點之間形成最短路徑方程：（yb-ya）x-（xb-xa）y+yaxb-xaxb=0（1）②當h<r時，若小車按照最短路徑行走會發(fā)生與障礙物碰撞現(xiàn)象，所以小車需另外生成新的路徑。圖4.5小車移動軌跡示意圖首先生成以障礙物為中心，r為半徑關(guān)于圓的方程。計算出最短路徑與圓的交點C1、C3，然后過障礙物中點作出交于C2、C4的垂線，計算出交點C2、C4。如圖4.5所示，當C2點離墻的距離大于小車通過所需寬度，則連接小車、C1、C2、C3和目標點形成路徑。反之，當C2點離墻的距離小于小車通過所需的寬度，則選C4點，連接小車、C4和目標點形成路徑。若小車滿足邊界條件，則計算出最短路徑與圓的交點如圖4.5所示，D1、D2、D3，連接小車、D1、D2、D3和目標點形成路徑。當小車、障礙物和目標點在同一條直線上，根據(jù)小車的朝向確定路徑，若小車朝向方向偏上方，則連接小車、C4、目標點形成軌跡。反之，連接小車、C2、目標點形成理想的運動軌跡。4.3方向調(diào)整小車實際運行過程中會出現(xiàn)角度偏差，當實際方向與理想方向存在偏差，則需調(diào)整小車運動方向與目標點之間的角度。圖4.6坐標系定義圖4.6中，小車與目標點在原始坐標系中坐標分別為（xa，ya）、（xb，yb），α為小車的朝向角。為了便于計算，以小車的中心為原點，小車的運動方向為縱軸，小車的輪軸方向為橫軸建立新的xc=dx×cos（α-πyc=-dx×sin小車的運動方向與目標點的角度θ為：θ=tan-1xc設(shè)定θ<10°為小車正常的偏向角度，若θ>10°,則認為小車跑偏，則需進行調(diào)整。4.4本章小結(jié)本文簡要介紹了小車運動學(xué)模型，介紹了基于幾何學(xué)的路徑規(guī)劃方法，以及通過對理論和算法的結(jié)合，規(guī)劃出小車較為有效的路徑軌跡。

5總結(jié)與展望本文設(shè)計的自動跟隨智能小車能夠攜帶某些基本物品并跟隨移動到離目標保持一段距離，其次，它可以代替他人完成跟隨任務(wù)，還可以有效解決人工跟隨工作產(chǎn)生的疲勞以及不確定性，提高了工作效率降低了人力勞動。通過對自動跟隨智能小車進行避障、跟隨系統(tǒng)設(shè)計以及直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，結(jié)合單片機系統(tǒng)，根據(jù)運動控制原理，實現(xiàn)小車跟隨目標移動的功能。以下對本次工作進行總結(jié)：首先，在緒論中，介紹了國內(nèi)外對自動跟隨智能小車技術(shù)的發(fā)展狀況，闡述該主題的研究意義，并簡要介紹本文的研究內(nèi)容。接下來是系統(tǒng)硬件設(shè)計，本節(jié)介紹系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，介紹小車車身結(jié)構(gòu)的選擇，然后介紹實現(xiàn)符合其功能的系統(tǒng)硬件設(shè)計。主要包括控制器模塊，電源模塊，紅外距離傳感器模塊，超聲波收發(fā)器模塊、藍牙模塊、電機驅(qū)動模塊。同時，根據(jù)電機的選擇對小車進行基于單片機系統(tǒng)的PWM調(diào)速設(shè)計，實現(xiàn)小車的運動控制。在設(shè)計過程中依然存在一些不足：（1）紅外避障傳感器受自然光線的影響較大，很容易誤觸發(fā)避障系統(tǒng)。（2）小車是在實內(nèi)環(huán)境進行設(shè)計的，當使用超聲波技術(shù)進行定位時，在實際環(huán)境調(diào)試中忽略掉許多因素，例如環(huán)境溫度等，因此以后這方面需多加謹慎?？傮w而言，本次我們小組設(shè)計的自動跟隨智能小車實現(xiàn)了最初對功能實現(xiàn)的預(yù)測，也符合人性化的設(shè)計要求，希望我們小組的產(chǎn)品的能夠帶來使用價值。

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致謝四年的大學(xué)讀書生活即將畫上句號，畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)四年中的最后一門課。經(jīng)過了數(shù)個月的不斷努力后，畢業(yè)設(shè)計的工作逐漸進入了尾聲。自動跟隨智能小車的基本功能都已經(jīng)實現(xiàn)了。盡管沒有達到最好的預(yù)期目標，但是至少我很盡力的去完成了這一次的畢業(yè)設(shè)計。非常感謝尹新彥老師在畢業(yè)設(shè)計中對我的指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計的制作過程中，尹新彥老師在理論方面提供了很多實用的建議，在論文撰寫方面給了很多的有用指導(dǎo)。最后感謝我的組員對我的支持和指導(dǎo)，通過我們的共同努力，終于完成了這次的畢業(yè)設(shè)計。十分感謝大學(xué)四年里所有教過我的老師們。老師們不僅教會了我許多的知識，還教會了我學(xué)習的方法和許多為人處世的道理。最后，感謝各位答辯老師們在百忙之中抽出時間來閱讀我的論文，祝所有老師們都身體健康，工作順利。

附錄1控制電機轉(zhuǎn)向部分程序代碼：#include"stm32f4xx.h"#include"sys.h"#include<stdio.h>staticEXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;staticGPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;staticNVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;staticUSART_InitTypeDef USART_InitStructure;staticuint8_tk;staticuint8_tnum1=0;staticuint8_tnum2=0;staticuint8_tdat_right[2];staticuint8_tdat_left[2];staticuint16_tdistance_right;staticuint16_tdistance_left;#pragmaimport(__use_no_semihosting_swi)struct__FILE{inthandle;/*Addwhateveryouneedhere*/};FILE__stdout;FILE__stdin;//printf重定向intfputc(intch,FILE*f){ USART_SendData(USART3,ch); while(USART_GetFlagStatus(USART3,USART_FLAG_TXE)==RESET); USART_ClearFlag(USART3,USART_FLAG_TXE); returnch;}void_sys_exit(intreturn_code){}voiddelay_us(uint32_tn){ SysTick->CTRL=0; //DisableSysTick，關(guān)閉系統(tǒng)定時器 SysTick->LOAD=(168*n)-1;//配置計數(shù)值(168*n)-1~0 SysTick->VAL=0; //Clearcurrentvalueaswellascountflag SysTick->CTRL=5; //EnableSysTicktimerwithprocessorclock while((SysTick->CTRL&0x10000)==0);//Waituntilcountflagisset SysTick->CTRL=0; //DisableSysTick }voiddelay_ms(uint32_tn){ while(n--) { SysTick->CTRL=0; //DisableSysTick，關(guān)閉系統(tǒng)定時器 SysTick->LOAD=(168000)-1; //配置計數(shù)值(168000)-1~0 SysTick->VAL=0; //Clearcurrentvalueaswellascountflag SysTick->CTRL=5; //EnableSysTicktimerwithprocessorclock while((SysTick->CTRL&0x10000)==0);//Waituntilcountflagisset } SysTick->CTRL=0; //DisableSysTick }voidcar_work(void); //車輪初始化voidcar_stop(void);//停車voidcar_go(void);//前進voidcar_back(void);//后退voidcar_left1(void);//左轉(zhuǎn)1voidcar_right1(void);//右轉(zhuǎn)1voidcar_left2(void);//左轉(zhuǎn)2 voidcar_right2(void);//右轉(zhuǎn)2voidcar_auto(void);//自動跟隨voidcar_auto(void) //自動跟隨{ while(30<=distance_left&&distance_left<6800&&30<=distance_right&&distance_right<6800) { if(distance_left>=distance_right+5) { car_right1(); } if(distance_right>=distance_left+5) { car_left1(); } else { if(distance_left>1200&&distance_right>1200) { car_go(); } else { car_stop(); } } if(k==0) break; } car_stop();}voidcar_work(void)//PD0、PD1、PD2、PD3引腳初始化{ //端口D硬件時鐘使能 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD,ENABLE); //配置PD0、PD1、PD2、PD3為輸出模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3; //第0、1、2、3根引腳 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT; //輸出模式 GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP; //推挽輸出，增加輸出電流能力。 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_100MHz;//高速響應(yīng) GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_NOPULL; //沒有使能上下拉電阻 GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);}voidcar_stop(void)//停車{ GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0);//控制右邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);//控制左邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);}voidcar_go(void)//前進{ GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0);//控制右邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1); GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);//控制左邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);}voidcar_back(void)//后退{ GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1);//控制右邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0); GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);//控制左邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);}voidcar_left1(void)//左轉(zhuǎn)1{ GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0);//控制右邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);//控制左邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);}voidcar_right1(void)//右轉(zhuǎn)1{ GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0);//控制右邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1); GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);//控制左邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);}voidcar_left2(void)//左轉(zhuǎn)2{ GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0);//控制右邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1); GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);//控制左邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);}voidcar_right2(void)//右轉(zhuǎn)2{ GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1);//控制右邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2); GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2);//控制左邊輪胎 GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3);}

附錄2小車實體圖

附錄3英文文獻DevelopmentofintelligentcarbasedonSTM32HuangJianXiJingUniversity,Xi’an710123,China;565200245@Keywords:Smartcar;colorrecognition;wirelessremotecontrolAbstract:Withthedevelopmentofindustrialautomation,smartcarhasbeenwidelyusedinindustrialproduction.Smartcarwithautomatictracking,automaticobstacleavoidance,colorrecognition,wirelessremotecontrolandotherfunctions.Abletoworkinhumid,dusty,greasyspotsandotherharshenvironments.Thispaperstudieshowtorealizetheautomatictrackingandobstacleavoidance,colorrecognition,andcanrealizeremotewirelessremotecontrol.Realizetheintelligentworkofthecar,canreplacepeopletoharshenvironmentwork.Thehardwarecircuitdiagramandsoftwareprogramaregiveninthispaper,andtheintelligentcontrolofthecarisrealized.IntroductionIntheelectronicdesigncompetitionandtheinnovationandtrainingofcollegestudents,manykindsofsmartcarsoftenappear.Withautomatictracking,automaticobstacleavoidance,colorrecognitionandwirelessremotecontrolfunction.Theautomatictrackingandobstacleavoidanceisthebasicfunction.Thephotoelectricsensortrackingorgraphicimagerecognitiontechnology.Obstacleavoidancecanalsobedonebyphotoelectricsensorsorultrasonicsensors.Colorrecognitionisalsousedingraphics,imagerecognition,orphotoelectricsensors.Wirelessremotecontrolcanrealizetheremotecontrolofthecar.Hardwarecircuitdesign。DrivecircuitdesignofDCmotorThepindiagramoftheTB6612isshowninfigure1.InfigurePWMA,AIN2,AIN1controlthewholemotor,PWMB,BIN2andBIN1controltheotherwaymotor.PWMAandPWMBoutputPWMwavetocontrolthespeedofthemotor.AIN2=1,AIN1=0controlmotorclockwiserotation,AIN2=0,AIN1=1controlmotorcounterclockwiserotation,BIN2andBIN1controllogicwithAIN2,AIN1.Figure1TB6612pindiagramCopyright?2017,theAuthors.PublishedbyAtlantisPress.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NClicense(/licenses/by-nc/4.0/).MotorcontrolcircuitdiagramThemotorcontrolcircuitisshowninfigure2.YoucanseefromFigure2,BIN2,BIN1,AIN2,AIN1,PWMA,PWMBisconnectedwiththemicroprocessor,themicroprocessorsendsoutthecontrollogicandPWMwave,A01,A02driveDCmotorrotation,B01,B02andDCmotordrivenrotaryroad.Fig.2DiagramofmotorcontrolcircuitDuetothelimitedspace,thearticleonlygivessomehardwarecircuitdiagram。SoftwareprogrammingInthisdesign,underKEIL5,programmingwithClanguage.CompletetheinitializationoftheTB6612andthemotorspeedmeasurementandtracking,obstacleavoidance,colordetection,wirelessremotecontrolsoftwareprogramming.Somecodeisgivenbelow:voidTIM3_PWM_Set(u16T_PWM,u16psc_PWM,u8re_map,u8channel,u16PWM_duty){ RCC->APB2ENR|=1; switch(re_map) { case0: AFIO->MAPR&=0XF8FFFFFF; AFIO->MAPR|=0X04000000; AFIO->MAPR&=0XFFFFF3FF; AFIO->MAPR|=0<<10; RCC->APB2ENR|=1<<2; RCC->APB2ENR|=1<<3; GPIOA->CRL&=0X00FFFFFF; GPIOA->CRL|=0XBB000000; GPIOB->CRL&=0XFFFFFF00; GPIOB->CRL|=0X000000BB; break; case2: AFIO->MAPR&=0XF8FFFFFF; AFIO->MAPR|=0X04000000; AFIO->MAPR&=0XFFFFF3FF; AFIO->MAPR|=2<<10; RCC->APB2ENR|=1<<3; GPIOB->CRL&=0XFF00FF00; GPIOB->CRL|=0X00BB00BB; break; case3: AFIO->MAPR&=0XF8FFFFFF; AFIO->MAPR|=0X04000000; AFIO->MAPR&=0XFFFFF3FF; }}Intheabovecode,theoutputcontrolofthePWMwaveformisrealizedandtheparametersareadjustedtorealizetheregulationofthedutycycleofthePWM.Realizetheadjustmentofthemotorspeed.SummaryThispaperdescribesthemethodofthesmartcar,thehardwarecircuitdesignisgiven,andtheKEILisdonewithClanguageprogramming,toachievethecarautomatictrackingandobstacleavoidance,colordetection,wirelessremotecontrolfunction.Becauseofthelimitedspace,onlythecodetoadjustthePWMwaveformisgiven.Throughthetest,itmeetsthedesignrequirements,andhascertainpracticalvalue.ReferenceYuChiye,songYue,LeiRuiting.TheresearchandexplorationofintelligenttrackingcarbasedonSTC12C5A60S2[J].laboratory,2014,33(11):46-49.WangZihui,YeYunyue.CMOSsensorintelligenttrackingcarimagerecognitiontechnologyresearch[J].Journalofsensortechnologybasedon2009,22(4):484-488.PengJianxue,YeYinzhong,ShiWei,PengLei.Metaldetectionmethodbasedontransconductancemeasurement[J].electricalmeasurementandinstrumentation,2013,50(4):82-85.Jin,JiaCunliang,WangMei,LiuEnpeng.Intelligenttrackingcardesign[J].PICmicrocontrollerbasedonindustrialautomation,2010,(8):129-132.MoTaiping,YangHongguang,LiuDongmei.Andtherealizationof[J].automationandinstrumentation,designofintelligenttrackingcarorientedmultiroute2014,(4):6-9.

附錄4英文文獻翻譯基于STM32的智能小車的開發(fā)黃鍵西京學(xué)院，西安710123，中國；565200245@關(guān)鍵詞：智能小車；顏色識別；無線遙控隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，智能車在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。智能小車具有自動跟蹤、自動避障、顏色識別、無線遙控等功能。能夠工作在潮濕，灰塵，油膩的斑點和其他惡劣的環(huán)境中。本文研究了如何實現(xiàn)自動跟蹤和避障、顏色識別，并可以實現(xiàn)遠程無線遙控。實現(xiàn)汽車的智能化工作，可以取代人們對惡劣環(huán)境的工作。給出了硬件電路圖和軟件程序，實現(xiàn)了汽車的智能控制。說明在電子設(shè)計競賽和大學(xué)生的創(chuàng)新訓(xùn)練中，經(jīng)常出現(xiàn)各種智能車。具有自動跟蹤、自動避障、顏色識別和無線遙控功能。自動跟蹤和避障是基本功能。光電傳感器跟蹤或圖形圖像識別技術(shù)。避障也可以通過光電傳感器或超聲波傳感器來完成。顏色識別也用于圖形、圖像識別或光電傳感器。無線遙控可實現(xiàn)對汽車的遠程控制。硬件電路設(shè)計直流電機驅(qū)動電路設(shè)計TB6612的引腳圖如圖1所示。在圖PMAMA，AI2，AIN1控制中整個電機、PWMB、BI2和BI1控制另一個電機。PWMA和PWMB輸出PWM波來控制電機的速度。AIN2＝1，AIN1＝0控制電機順時針旋轉(zhuǎn)，AIN2＝0，AIN1＝1控制電機逆時針旋轉(zhuǎn)，BI2和BI1控制邏輯與AI2，AIN1。圖1TB6612引腳圖電機控制電路如圖2所示。從圖2可以看出，BIN、BIN、AIN2、AI1、PWMA、PWMB與微處理器相連，微處理器發(fā)出控制邏輯和PWM波形，A01、A02驅(qū)動直流電機旋轉(zhuǎn)、B01、B02和直流電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)道路。圖2電機控制電路圖由于篇幅有限，文中僅給出了一些硬件電路圖。軟件編程在本設(shè)計中，在Keil5下，用C語言編程。完成了TB612的初始化和電機轉(zhuǎn)速的測量與跟蹤、避障、顏色檢測、無線遙控軟件的編程。下面給出一些代碼：虛空TIM3APWMSESET（U16TYPWM，U16PSCHPWM，U8ReadMAP，U8通道，U16PWM1占空比）{RCC＞APB2Enr＝1；開關(guān)（重新映射）{案例0：AFIO->MAPR＝0xF8FFFFF；AFIO->MAPR＝0x0400萬；AFIO->MAPR&＝0xFFFFF3FF；AFIO->MAPR＝0＜10；RCC＞APB2Enr＝1＜2；RCC＞APB2Enr＝1＜3；GPIOA-＞CRL&＝0x00FFFFFF；GPIOA-＞CRL＝0xBBM00；GPIOB->CRL&＝0xFFFFFF00；GPIOB->CRL＝0x00000BB；斷裂；案例2：AFIO->MAPR＝0xF8FFFFF；AFIO->MA