智能避障小車設(shè)計

摘要智能汽車作為曾經(jīng)在科幻電影中出現(xiàn)的場景，目前已經(jīng)在逐步走進(jìn)我們的生活。從最簡單的倒車?yán)椎竭_(dá)現(xiàn)在的自動駕駛，汽車智能化的概念已經(jīng)深深的被社會接收，而且汽車智能化的需求也越來越明顯。如何真正的使汽車能夠自動無人駕駛是現(xiàn)在科研的主要方向。而智能小車作為智能汽車的一個縮影，無論是在國內(nèi)還是國際的各種比賽中，它的身影永遠(yuǎn)是最亮眼的一耳光，眾多的方案也層出不窮。本文的研究目的即是設(shè)計一種可以自動避障的小車，自動避障顧名思義，即是能夠自動躲避行進(jìn)路上的障礙物。本文首先對系統(tǒng)方案進(jìn)行了詳細(xì)的論述。然后就方案中的硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計分別進(jìn)行闡述。在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，主要針對超聲波測距IC和主控MCU進(jìn)行講解。軟件系統(tǒng)設(shè)計中，主要針對系的要求進(jìn)行了論證。最后，討論了本系統(tǒng)的可延展性。關(guān)鍵詞：STM32，無線傳輸，超聲波測距AbstractIntelligentvehicleasappearedinthesci-fimoviescene,atpresenthasbeengraduallycameintoourlife.Fromreversingradar,themostsimpletotheautomaticdrivingnow,conceptcarintelligenthasdeepsocialreception,andtheintelligentcardemandismoreandmoreobvious.Howtomakethecarcanautomaticallyunmannedisthemaindirectionofscientificresearchtoday.Theintelligentcarasanepitomeofintelligentvehicle,whetherindomesticorinternationalcompetitions,itsshadowisalwaysaslapinthefaceofthemostbrisk,manyoftheprogramsarealsoemergeinanendlessstream.Thepurposeofthisstudyistodesignakindofautomaticobstacleavoidancecar,automaticobstacleavoidanceasthenameimplies,isabletoautomaticallyavoidobstaclesalongtheway.Thisarticlefirsthascarriedonthedetailedelaborationtothesystemscheme.Thenthehardwaredesignandsoftwaredesignschemearedescribed.Inthedesignofthehardwaresystem,mainlyinultrasonicrangingICandMCUcontroltoexplain.Thedesignofsoftwaresystem,mainlyforsystemrequirementsarediscussed.Finally,thesystemscalabilityisdiscussed.Keywords:STM32,wirelesstransmission,ultrasonicranging目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要1Abstract2目錄3第一章緒論41.1課題背景41.2課題主要研究內(nèi)容5第二章系統(tǒng)設(shè)計62.1系統(tǒng)方案設(shè)計62.1.1方案選擇62.1.1.1無線通信功能。72.1.1.2自動壁障模塊82.1.1.3電機驅(qū)動模塊92.1.1.4主控單元102.2系統(tǒng)整體方案112.3本章小結(jié)12第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計123.1主控制單元設(shè)計123.2超聲波避障單元設(shè)計143.2.1超聲波簡介143.2.2GM3101介紹153.3電機驅(qū)動設(shè)計163.4無線通訊設(shè)計183.4.1引腳說明183.4.2nRF24L01與MCU的連接193.5狀態(tài)指示電路193.6下載電路20第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計214.1系統(tǒng)控制流程214.2超聲波避障實現(xiàn)244.2.1超聲波介紹244.2.2GM3101簡介274.2.3超聲測距原理274.2.4信號發(fā)送和接收294.2.5探頭余震處理304.2PWM電機控制實現(xiàn)314.4無線通訊實現(xiàn)324.5狀態(tài)指示燈驅(qū)動設(shè)計35第五章總結(jié)與展望36致謝37參考文獻(xiàn)38附錄39第一章緒論1.1課題背景機器人曾經(jīng)是科幻電影中的形象，可目前已經(jīng)漸漸走入我們的生活。機器人技術(shù)以包含機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域為代表，是多種高新技術(shù)開展成果的綜合集成，因此，它的開展與眾多學(xué)科開展密切相關(guān)，代表了高科技開展的前沿。隨著電子技術(shù)的不斷開展，人們創(chuàng)造了各式各樣的具有感知，決策，行動和交互能力的機器人，從機器人的設(shè)想到今天機器人的相對普及，機器人的應(yīng)用已經(jīng)普及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等多個領(lǐng)域。并且隨著機器人的智能化水平不斷提高，并且迅速的改變著人們的生活方式，隨著它在人類生活領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，將會給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。在國外機器人的開展有如下趨勢。一方面機器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強，并向著技術(shù)和裝備成套化的方向開展；另一方面，機器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向開展。在我國機器人主要應(yīng)用在及其領(lǐng)域，我國工業(yè)機器人現(xiàn)在的總裝機量約為120000臺，其中國產(chǎn)機器人為1/3，即40000多臺。與世界機器人總裝機臺數(shù)7500萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比，智能小車制作本錢低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便，具有很強的趣味性。1.2課題主要研究內(nèi)容智能汽車作為曾經(jīng)在科幻電影中出現(xiàn)的場景，目前已經(jīng)在逐步走進(jìn)我們的生活。從最簡單的倒車?yán)椎竭_(dá)現(xiàn)在的自動駕駛，汽車智能化的概念已經(jīng)深深的被社會接收，而且汽車智能化的需求也越來越明顯。如何真正的使汽車能夠自動無人駕駛是現(xiàn)在科研的主要方向。而智能小車作為智能汽車的一個縮影，無論是在國內(nèi)還是國際的各種比賽中，它的身影永遠(yuǎn)是最亮眼的一耳光，眾多的方案也層出不窮。本文的研究目的即是設(shè)計一種可以自動避障的小車，自動避障顧名思義，即是能夠自動躲避行進(jìn)路上的障礙物。目前智能小車的避障方法有很多，有應(yīng)用在高級轎車上的多普勒雷達(dá)測距，它可以間接的實現(xiàn)汽車的自動駕駛。紅外避障可以在陽光不影響的情況下實現(xiàn)。而超聲波避障作為倒車?yán)走_(dá)的引申已經(jīng)在許多方面得到了應(yīng)用個，目前個別車型也已經(jīng)應(yīng)用。超聲波避障的技術(shù)根底是超聲波測距，超聲波測距開展至今技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，技術(shù)方案多種多樣。本論文以智能避障小車作為研究對象,采用超聲波測距集成芯片作為超聲波測距處理單元作為設(shè)計方案。本論文的主要研究內(nèi)容包括:多傳感信號系統(tǒng)下主控器的處理。電機的PWM控制無線模塊的應(yīng)用第二章系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)方案設(shè)計2.1.1方案選擇本設(shè)計的智能小車可以在指定的跑道上行駛，其中跑道的寬度足夠?qū)?，跑道的兩?cè)有硬紙壁作為阻擋。在跑道的任意位置會放置障礙物，智能小車在感知到障礙物后，可以繞過障礙物繼續(xù)前行。同時，小車具有無線通信功能，可以將障礙物的信息實時發(fā)送至上位機中。因此，根據(jù)系統(tǒng)需求，所設(shè)計系統(tǒng)需要具有無線通信功能，自動壁障功能，電機驅(qū)動功能以及控制核心單元。以下將根據(jù)這四個主要功能進(jìn)行模塊的選型。2.1.1.1無線通信功能。目前無線通信技術(shù)較流行的有2.4G無線技術(shù)和IrDA.根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，2.4GHz是工作在ISM頻段的一個頻段。ISM的頻段是工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)用頻段。按照常規(guī)來說世界各國均保存了一些無線頻段，用來開展本國的工業(yè)，科學(xué)研究和微波醫(yī)療方面的應(yīng)用。普通民眾應(yīng)用這些頻段時并不需許可證，只需要保證應(yīng)用時遵守一定的發(fā)射功率〔一般低于1W〕，并且不要對其他頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一。而2.4GHz為各國共同的ISM頻段。因此，無線局域網(wǎng)〔IEEE802.11b/IEEE802.11g〕，藍(lán)牙，ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)，均可工作在2.4GHz頻段上。ZigBeeZigBee是一種基于IEEE802.15.14標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。這個協(xié)議里面規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBe協(xié)議從下到上分別為物理層〔PHY〕、媒體訪問控制層〔MAC〕、傳輸層〔TL〕、網(wǎng)絡(luò)層〔NWK〕、應(yīng)用層〔APL〕等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBe網(wǎng)絡(luò)的主要特點是功耗低、本錢相對低廉、速度較快，支持多借點操作，支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其他這里主要介紹挪威著名芯片廠商的NRF24L01無線收發(fā)芯片。nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段。工作電壓為1.9～3.6V，有多達(dá)125個頻道可供選擇?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá)2Mb/s，并且有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。和上一代nRF2401相比，nRF24L01數(shù)據(jù)傳輸率更快，數(shù)據(jù)寫入速度更高，內(nèi)嵌的功能更完備。芯片能耗非常低，以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9mA，接收時工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便。這就不難發(fā)現(xiàn)為什么絕大局部甚至微軟、羅技這樣的知名鍵鼠企業(yè)都普遍采用NRF24L01芯片作為收發(fā)芯片的原因。2IrDA紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會IrDA(InfraredDataAssociation)成立于1993年。起初，采用IrDA標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊設(shè)備僅能在1m范圍內(nèi)在可視范圍內(nèi)的速率僅為115.2Kb/S，但很快就開展到了4Mb/S的速率，后來，速率又到達(dá)了16Mb/S。紅外是一種利用紅外線進(jìn)行點對點通信的技術(shù)，實現(xiàn)過程中兩個設(shè)備必須保持在可視范圍內(nèi)是直對的、IrDA也是第一個成功實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)〔PersonalAreaNetwork,PAN〕的技術(shù)。目前紅外的應(yīng)用已經(jīng)開展了20多年，無論是軟件還是硬件技術(shù)都很成熟，在許多小型移動設(shè)備，如PDA\上被廣泛使用。IrDA在應(yīng)用中的主要優(yōu)點是無需申請頻率的使用權(quán)這樣對于很多小型設(shè)備和低本錢設(shè)備來說就會更多的傾向于此。此外，紅外還據(jù)喲體積小，結(jié)構(gòu)簡單，簡單易用等優(yōu)點。而且由于數(shù)據(jù)傳輸率高，因此在對于較大型數(shù)據(jù)的傳輸方面具有很大的優(yōu)勢。而且，由于紅外傳輸?shù)狞c對點性，在一定程度上來講，紅外的傳輸平安性能也最高。但是紅外的缺點在于它的可視傳輸，也就是兩臺設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時必須保證兩臺設(shè)備的紅外端子距離較近且可視。這個是阻擋紅外應(yīng)用的最大障礙。因此，本設(shè)計在綜合考慮了本錢和實現(xiàn)性能方面。選擇了2.4GHz的nRF24L01無線通訊模塊。2.1.1.2自動壁障模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求,小車在行駛過程中要能準(zhǔn)確的避開途中遇到的障礙物,因此智能小車的探測距離需要有一定的長度，以留給智能小車足夠的時間進(jìn)行轉(zhuǎn)向，又考慮到在測障過程中小車車速及避障反響堆小車速度的限制,小車應(yīng)在距障礙物較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)做出反響,這樣才能在順利繞過障礙物的同時還為下一步轉(zhuǎn)向做準(zhǔn)備。否那么，如果范圍太大,那么可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤;范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現(xiàn)理想定向方案。障礙物檢測可以有多種方法:紅外光檢測、超聲波檢測、甚至機械接觸。這些方法都有各自的優(yōu)缺點。常用的有紅外檢測和超聲波檢測,兩種方案的區(qū)別見表2-1。紅外檢測超聲波檢測距離4~10m0.3~3m精確度1m20cm受外界干擾程度易受外界干擾不易受外界干擾硬件電路所需原件少稍復(fù)雜本錢8元左右8元左右圖2-1從上表可以看出,相對紅外檢測,超聲波檢測距離遠(yuǎn),不易受外界環(huán)境干擾,由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物,顛疲,光照方面可能會對檢測產(chǎn)生影響。所以需要選擇穩(wěn)定性較好的,故本設(shè)計選擇超聲波檢測。而目前在超聲波測距方面應(yīng)用較多的方案有三種。使用控制器發(fā)出40KHz的方波信號，在接收端使用中周將信號放大，然后經(jīng)過至少兩級放大后輸入到控制器的模擬輸入端，控制器根據(jù)接收的信號幅度進(jìn)而判斷是否是回波信號。使用控制器發(fā)出40KHz的方波信號，在接收端使用中周將信號放大，然后經(jīng)過至少兩級放大后經(jīng)過整波電路后變成當(dāng)有回波信號時，將回波信號轉(zhuǎn)換成低電平信號，這樣可以直接連接到處理器的數(shù)字引腳，在中斷程序中進(jìn)行回波的判斷。使用集成芯片進(jìn)行控制。通過控制集成芯片的使能便可以控制超聲波信號的發(fā)送，然后集成芯片反響給控制器的是標(biāo)準(zhǔn)的中斷信號，當(dāng)控制器檢測到中斷信號發(fā)生時，便可以進(jìn)行超聲波距離的計算。綜上而言，本設(shè)計選用了集成的芯片GM3101，它有4路超聲波信號，而且價格廉價。并且集成芯片與放大器的電路相比，在量產(chǎn)過程中的調(diào)試和穩(wěn)定性都要好的多。2.1.1.3電機驅(qū)動模塊目前應(yīng)用在智能小車上的主要有直流電機和步進(jìn)電機兩種。因而使用方案也兩種。直流電機直流電機，顧名思義，只要對電機的兩端通上直流電后，電機即運動，運動的方向與通電的方向相關(guān)，運動的速度受通電的電流影響。對直流電機的驅(qū)動即是將處理器輸出的TTL信號經(jīng)過功率放大后接到直流電機的兩端，功率放大芯片一般選擇L298等專用芯片。而直流電機的轉(zhuǎn)速一般通過PWM波控制的方式，處理器輸出不同占空比的PWM信號，直流電機兩端的電壓不同，那么電機的轉(zhuǎn)速就不同，直流電機的優(yōu)點是性能好，電路簡單，控制靈活。步進(jìn)電機步進(jìn)電機，顧名思義，即是通過對步進(jìn)電機輸入電脈沖信號來控制電機的運動步伐。因而可以對電機的行程進(jìn)行精確的控制，常用的步進(jìn)電機有三相六拍等多種方式。電機的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動的大小主要受控制器對其輸入的脈沖頻率決定，而不受其他環(huán)境因素影響，但步進(jìn)電機的驅(qū)動過程相對復(fù)雜。具體差異見表2-2。直流電機步進(jìn)電機調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好驅(qū)動簡單復(fù)雜穩(wěn)定性較好好，僅與控制脈沖有關(guān)表2-2由上表可以看出步進(jìn)電機和直流電機都有各自的優(yōu)點。步進(jìn)電機能進(jìn)行精確的位置控制,但驅(qū)動電路麻煩,鑒于本設(shè)計中小車的位置控制不要求十分精確,直流電機即可滿足小車要求的精度。且直流電機揚于控制,驅(qū)動電路十分簡單。綜上所示，本系統(tǒng)的智能小車由于不需要進(jìn)行步進(jìn)腳的精確控制，因而采用價格相對廉價，使用相對簡單的直流電機。2.1.1.4主控單元此局部電路為系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的所有控制信號和指令信息均由此發(fā)出。可以說是整個系統(tǒng)的大腦。因此，對于主控制器的選擇尤為重要。目前，市面上流行的單片機主要有STC的51系列單片機，PIC系列單片機，TI的低功耗系列，M0、M3內(nèi)核的ARM系列以及NXP的ARM系列等。按照系統(tǒng)設(shè)計需要，主控MCU需要具有主頻快，存儲容量大，片上資源豐富以及價格廉價可以大面積推廣等特點。STC系列的51單片機具有價格廉價，開發(fā)資源豐富等優(yōu)點，但是，當(dāng)STC系列的單片機的主頻和存儲器容量到達(dá)本設(shè)計的要求時，那么它此時的價格就已經(jīng)不太具有高競爭力了。PIC系列單片機，同樣作為面世很久的一款單片機，在汽車控制領(lǐng)域具有無可替代的地位，但是PIC單片機具有一個最大的平安隱患，就是容易解密。目前市面上的很多編程器就可以直接解密PIC單片機的程序。M3內(nèi)核和NXP系列的單片機在主頻和存儲容量以及片上資源方面均滿足本設(shè)計的需求，因此，本設(shè)計決定使用M3系列的單片機，采用ST的STM32F103RBT6。STM32F103xx增強型系列使用的是高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。STM32F103xx增強型系列工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓至，其一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。2.2系統(tǒng)整體方案根據(jù)以上章節(jié)的分析，系統(tǒng)決定采用STM32F103RBT6作為主控制器，GM3101作為超聲波處理電路的主芯片，Nrf24l01作為無線模塊，L298N作為電機驅(qū)動芯片。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-12.3本章小結(jié)本章主要對系統(tǒng)的方案設(shè)計進(jìn)行了論述，針對系統(tǒng)功能的幾個需求，選擇了適合本系統(tǒng)的模塊。硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1主控制單元設(shè)計主控單元采用STM32F103RBT6作為主控制器。假設(shè)要使主控器工作，需要設(shè)計主控器的最小系統(tǒng)單元。最小系統(tǒng)單元即是可以使主控器工作起來的最小硬件系統(tǒng)，包括時鐘電路，電源電路和復(fù)位電路。系統(tǒng)時鐘選用12MHz的外部晶振，由于STM32具有內(nèi)部鎖相環(huán)，因而在進(jìn)行更高頻率的應(yīng)用時，可通過內(nèi)部軟件編程使用其內(nèi)部鎖相環(huán)，最高頻率可達(dá)72MHz。由于STM32同樣的是低電平復(fù)位，因而設(shè)計的電路為最簡單的RC復(fù)位電路，可以通過系統(tǒng)上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式對電路進(jìn)行復(fù)位。STM32可以使用兩種方式進(jìn)行程序下載。一種是可以通過串口對芯片程序進(jìn)行燒寫，但是無法進(jìn)行調(diào)試。另一種是通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG口對芯片進(jìn)行程序燒寫和在線仿真。具體電路見圖3-1和3-2。圖3-1時鐘電路圖3-2復(fù)位電路CPU處理器電路如下圖。3.2超聲波避障單元設(shè)計3.2.1超聲波簡介超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它具有方向性好，穿透能力強等特點，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在很多領(lǐng)域上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。因為超聲波具有較強的方向性，根據(jù)其通過反射原理進(jìn)行的距離判斷，超聲技術(shù)主要應(yīng)用在遙感測控領(lǐng)域。目前的超聲波應(yīng)用系統(tǒng)多以分立元件作為模擬驅(qū)動，單片機做控制的方式來實現(xiàn)，存在體積大，實現(xiàn)復(fù)雜，調(diào)試麻煩，穩(wěn)定性和可靠性差。3.2.2GM3101介紹GM3101是成都國騰電子設(shè)計研發(fā)的專用于倒車?yán)走_(dá)的超聲波測距芯片，該芯片具有4路超聲波探頭的驅(qū)動，并根據(jù)了倒車?yán)走_(dá)的具體應(yīng)用環(huán)境對4路探頭的應(yīng)用進(jìn)行了智能化的處理。測試結(jié)果編碼后采用雙線差分方式輸出，提高了信號傳輸?shù)目垢蓴_性。其管腳圖如圖3-3所示。圖3-3GM3101具有以下特征：供電電壓：3.3~5V四路超聲波探頭接口，探頭發(fā)送驅(qū)動信號5V@2mA四路探頭檢測結(jié)果輸出周期80ms具備自動增益控制，實現(xiàn)分級放大具有防聲波衍射誤報處理，提高報警信號的準(zhǔn)確性報警信號輸出采用雙線差分方式，提高抗干擾性工作環(huán)境溫度：-40℃~+85℃由于GM3101具有數(shù)字和模擬輸出兩種方式，為了使系統(tǒng)設(shè)計的更加簡單，采用數(shù)字接口進(jìn)行設(shè)計。具體電路如圖3-4所示。圖3-4控制器對GM3101的復(fù)位信號進(jìn)行控制，由于系統(tǒng)只需要3路超聲通道，并且為了保持系統(tǒng)的實時性，因而采用60ms一個周期，而不是系統(tǒng)規(guī)定的80ms一個周期的設(shè)計。因而控制器就需要每隔60ms便對GM3101進(jìn)行復(fù)位，然后在60ms檢測周期內(nèi)，處理器需要時刻檢測GM3101的輸出端口是否有電平的變化，當(dāng)有電平變化時便可對其檢測距離進(jìn)行換算。3.3電機驅(qū)動設(shè)計電機模塊智能小車在檢測到障礙物后能夠及時避讓的關(guān)鍵，當(dāng)智能小車將障礙物的距離和位置信息進(jìn)行計算后，便將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電機控制的電平信號，進(jìn)而控制智能車的左右轉(zhuǎn)動。電機控制模塊采用的是L298N芯片，L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片具有如下特點：工作電壓最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流的瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動車和步進(jìn)電動機、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許和禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路局部在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反響給控制電路其具體電路見圖3-5。圖3-5其中CTL1~CTL4為方向控制信號，ENA和ENB為使能信號。當(dāng)CTL1為高電平，CTL2為低電平是，那么電機的轉(zhuǎn)動為正方向。當(dāng)CTL1為低電平，CLT2為高電平時，電機的轉(zhuǎn)動為反方向。CTL3和CTL4為同樣的道理。3.4無線通訊設(shè)計Nrf24L01是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片，20個引腳4mm*4mmQFN封裝。其引腳圖如圖3-4所示。圖3-43.4.1引腳說明CE，數(shù)字輸入引腳，RX或TX模式選擇。CSN,數(shù)字輸入引腳，SPI片選信號。SCK，數(shù)字輸入引腳，SPI時鐘信號。MOSI，數(shù)字輸入引腳，從SPI數(shù)據(jù)輸入引腳。MISO，數(shù)字輸出引腳，從SPI數(shù)據(jù)輸出引腳。IRQ，數(shù)字輸出引腳，可屏蔽中斷腳。VDD，電源輸入腳，可接3.3V電壓。VSS，電源引腳，接電源地。XC1，XC2引腳，晶體振蕩器連接引腳。VDD_PA，電源輸出引腳。給RF的功率放大器提供+1.8V電源。ANT1，ANT2引腳，天線引腳。IREF，模擬輸入引腳，為參考電流輸入引腳。3.4.2nRF24L01與MCU的連接nRF24L01與MCU的連接圖見圖3-5。圖3-5nRF24L01的控制接口為SPI接口，主控MCU端采用模擬SPI接口來實現(xiàn)。主控MCU采用查詢方式來實時讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。3.5狀態(tài)指示電路狀態(tài)指示電路主要是對系統(tǒng)運行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，此處設(shè)置兩個發(fā)光管。與R4連接的LED為電源指示燈，當(dāng)系統(tǒng)上電時，該指示燈由暗變亮。與R2連接的LED為狀態(tài)指示燈，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，該LED按照5秒為一周期進(jìn)行明暗變化，以標(biāo)志系統(tǒng)正常運行，否那么表示系統(tǒng)運行不正常。具體電路見圖3-6.圖3-63.6下載電路下載電路主要針對主控MCU的程序更新和下載。當(dāng)系統(tǒng)在調(diào)試階段時，主控MCU的程序需要實時更新以便進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)布后，需要預(yù)留接口以便產(chǎn)品升級方便。本系統(tǒng)中采用串口進(jìn)行程序下載，串口下載不需要專門的下載器，方便使用。具體電路見圖3-7。圖3-7軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1系統(tǒng)控制流程系統(tǒng)主程序主要進(jìn)行超聲波距離處理，電機控制和無線通訊的實現(xiàn)。具體流程圖見圖4-1。圖4-1距離處理程序如下所示。voidTimerWork_Check(void){unsignedchari;if(b60ms_symbol){b60ms_symbol=0;Init_Varila();Time_Num=0;Reset_GM3101();//Timer2_Start;EX0=1;}if(bSend){bSend=0;for(i=0;i<3;i++){if(TxBuf[i+3]<35){TxBuf[i+3]=30;}}TxBuf[3]=(unsignedchar)((Distance1*0.0173)-30);TxBuf[4]=(unsignedchar)((Distance2*0.0173)-30);TxBuf[5]=(unsignedchar)((Distance3*0.0173)-30);TX_PackagePacket(TxBuf);}if(b15ms_symbol==1){b15ms_symbol=0;TX_PackagePacket(TxBuf);}if(bNumof500Ms){bNumof500Ms=0;if(bBuzzer){BUZZER=~BUZZER;LED_RED=1;LED_BULL=1;}if(bLED){BUZZER=0;if(numi%2){LED_RED=0;LED_BULL=1;}else{LED_RED=1;LED_BULL=0;}}numi++;numi=numi%2;}}系統(tǒng)主要采用的時間片的方式，在規(guī)定的時間執(zhí)行指定的動作。系統(tǒng)在整個運行期間，時刻判斷GM3101反響的中斷信號，當(dāng)有中斷信號發(fā)生時，系統(tǒng)根據(jù)復(fù)位GM3101的時間差和端口進(jìn)行距離的計算，當(dāng)障礙物的距離信息小于臨界值時，便會驅(qū)動電機進(jìn)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。智能車在行駛過程中，前方有個超聲波探頭，左側(cè)一個超聲波探頭，右側(cè)一個超聲波探頭。左右兩側(cè)的超聲波探頭主要實現(xiàn)保證智能車在跑道中間行駛，當(dāng)任何一方的距離片小時，智能車便會驅(qū)動相反的電機轉(zhuǎn)動進(jìn)行專項。前方的探頭主要進(jìn)行障礙物的檢測。由于超聲波探頭具有個55度的視角，因而根本可以將前方的障礙物信息探測完全。4.2超聲波避障實現(xiàn)4.2.1超聲波介紹原理超聲波的波長比一般聲波要短，超聲波具有非常好的方向性，而且能穿透不透明物質(zhì)，因此，應(yīng)用超聲波的這一特點，在探傷、測距、遙控和超聲成像技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用較多。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖4-2所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。假設(shè)在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。假設(shè)外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。圖4-2超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起局部支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。超聲清洗系統(tǒng)最重要的局部是換能器?，F(xiàn)存兩種換能器，一種是磁力換能器，由鎳或鎳合金制成；一種壓電換能器，由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。將壓電材料放入電壓變化的電場中時，它會發(fā)生變形，這就是所謂的“壓電效應(yīng)”。相對來說，磁力換能器是用會在變化的磁場中發(fā)生變形的材料制成的。特征現(xiàn)以MA40S2R接收器和MA40S2S發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表4-3示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標(biāo)稱頻率為40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自使用并聯(lián)諧振頻率。表4-3種類特性MA40S2R接收MA40S2S發(fā)送標(biāo)稱頻率40kHz靈敏度－74dB以上100dB以上帶寬6kHz以上(－80dB)7kHz以上(90dB)電容1600pF1600pF絕緣電阻100MΩ以上溫度特性－20~+60℃范圍內(nèi)靈敏度變化在10dB以內(nèi)超聲波傳感器的帶寬較窄，大局部是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可防止的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。MA40S2R/S傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標(biāo)稱頻率。圖4-5表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。另外，對于這種傳感器，一般來說溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時，不僅在外部進(jìn)行溫度補償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補償。圖4-5超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制局部以及電源局部構(gòu)成，如圖4-6所示。發(fā)送器常使用直徑為15mm左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機械振動，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測。圖4-6控制局部判斷接收器的接收信號的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號的時間或?qū)挾龋梢宰杂筛淖儥z測物體的范圍。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為12~24V±10%，再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路。可有多種方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路[3]。4.2.2GM3101簡介GM3101提供4路超聲波探頭接口，芯片通過探頭發(fā)送和接收超聲波信號，根據(jù)發(fā)送和接收的時間差計算障礙物的距離，輸出相應(yīng)報警信號。報警信號編碼后采用雙線差分方式輸出，輸出信號的內(nèi)容包括：最大輸出距離為3.15米，輸出精度為0.05米。4.2.3超聲測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。這就是所謂的時間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×T式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能到達(dá)百米，但測量的精度往往只能到達(dá)厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要到達(dá)毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能到達(dá)毫米級的測量精度。超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)超聲波速度C=344m/s(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344)≈0.000002907s即2.907μs。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在到達(dá)微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。超聲波傳播速度誤差超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高那么超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表1所示。超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中：r—氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，R—氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T—絕對溫度，273K+T℃。近似公式為：C=C0+0.607×T℃式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；T為實際溫度(℃)。對于超聲波測距精度要求到達(dá)1mm時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s,30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。假設(shè)超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將到達(dá)5m，測量1m誤差將到達(dá)5mm。4.2.4信號發(fā)送和接收芯片接通電源后，由控制器對GM3101進(jìn)行復(fù)位控制。首先控制器對GM3101進(jìn)行復(fù)位，GM3101經(jīng)過復(fù)位后，4組超聲引腳探頭驅(qū)動引腳向超聲波探頭發(fā)送驅(qū)動信號，超聲探頭發(fā)出40KHz的超聲波信號。系統(tǒng)發(fā)射完成后，便可以等等回波信號，當(dāng)系統(tǒng)接收到回波信號后，經(jīng)過兩級放大電路和一級信號處理電路后，將整形后的信號送到處理器中，處理器根據(jù)時間差來計算障礙物的距離。超聲波探頭驅(qū)動以80ms為一周期，每隔80ms相應(yīng)的探頭就發(fā)射一次超聲波信號。假設(shè)前一探頭在本工作周期內(nèi)沒有接收到返回的超聲波信號，那么芯片也轉(zhuǎn)入控制下一個探頭的工作。圖4-74.2.5探頭余震處理圖4-8圖4-9GM3101的反響信號為一個中斷電平，當(dāng)系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)中斷信號響應(yīng)時，便進(jìn)入到中斷處理程序中，對距離信息進(jìn)行處理換算。程序代碼如下所示。voidINT0_ISR(void)interruptINTERRUPT_INT0{unsignedinttime;EX0=0;//關(guān)外部中斷IE=0x00;//關(guān)其他中斷Timer2_Stop;time=TMR2H;time=(time<<8)+TMR2L;//Timer2_Stop;//定時器2停止計數(shù)Timer2_Start;if(bGroup1_symbol){Distance1=time;}if(bGroup2_symbol){Distance2=time-20000;}if(bGroup3_symbol){Distance3=time-40000;}IE=0xff;//開所有的中斷EX0=0;//IE&=~0x01;//將外部中斷關(guān)閉//Dis[dis1++]=Time_Num-18;}PWM電機控制實現(xiàn)對電機的控制為了實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動越來越精細(xì)，采用了PWM控制。通過主控器輸出不同占空比的波形來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整智能車的轉(zhuǎn)動和移動。圖4-104.4無線通訊實現(xiàn)Nrf24L01使用MCU的SPI0端口進(jìn)行操作。因此只需要配置相應(yīng)的存放器和讀寫函數(shù)即可。Nrf24l01的操作主要涉及以下幾個函數(shù)。各函數(shù)的實現(xiàn)如下所示。ucharSPI_RW_Reg(ucharreg,ucharvalue){ucharstatus;CSN0;//CSNlow,initSPItransactionstatus=SPI_RW(reg);//selectregisterSPI_RW(value);//..andwritevaluetoit..CSN1;//CSNhighagainreturn(status);//returnnRF24L01statusbyte}ucharSPI_Read(ucharreg){ ucharreg_val;CSN0;//CSNlow,initializeSPIcommunication...SPI_RW(reg);//Selectregistertoreadfrom..reg_val=SPI_RW(0);//..thenreadregistervalueCSN1;//CSNhigh,terminateSPIcommunication return(reg_val);//returnregistervalue}ucharSPI_Read_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes){ucharstatus,byte_ctr;CSN0;//SetCSNlow,initSPItranactionstatus=SPI_RW(reg);//Selectregistertowritetoandreadstatusbytefor(byte_ctr=0;byte_ctr<bytes;byte_ctr++)pBuf[byte_ctr]=SPI_RW(0);//SPI_RWtoreadbytefromnRF24L01CSN1;//SetCSNhighagainreturn(status);//returnnRF24L01statusbyte}ucharSPI_Write_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes){ ucharstatus,byte_ctr;CSN0;//SetCSNlow,initSPItranactionstatus=SPI_RW(reg);//Selectregistertowritetoandreadstatusbytefor(byte_ctr=0;byte_ctr<bytes;byte_ctr++)SPI_RW(*pBuf++);CSN1;//SetCSNhighagainreturn(status);//returnnRF24L01statusbyte}voidRX_Mode(void){CE0;SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_AD