[经验] 循迹避障智能车系统设计（全套论文+程序）

2019-07-21 02:54发布

本系统的功能为通过传感器对小车行驶的周边环境进行探测，遇到障碍物要进行有效的避障处理，并进行相应的危险状况播报，同时还可以根据预定的进行寻迹行驶等。
系统总体结构框图如下：

超声波模块采集小车前面障碍物的距离信息；红外传感器采集小车前部下方预设轨迹的变化信息。STM32主控芯片采集红外传感器及超声波传感器输出的信号，对它们的信息进行融合处理，经过数据分析之后发出相应控制指令传给L298N驱动模块及语音模块，对电机作出相应的驱动处理，对危险信息进行播报，实现对小车行驶的自动控制。

1.电机驱动模块电路设计

本次设计中的电机驱动芯片选用了L298N，它是一款接受高电压的电机驱动器，直流电机和步进电机都可以驱动。一片驱动芯片可同时控制两个直流减速电机做不同动作，在6V到46V的电压范围内，提供2安培的电流，并且具有过热自断和反馈检测功能。L298N可对电机进行直接控制，通过主控芯片的I/O输入对其控制电平进行设定，就可为电机进行正转反转驱动，操作简单、稳定性好，可以满足直流电机的大电流驱动条件。

2.超声波模块电路设计

根据智能小车控制器的避障需求，环境探测传感器应具有精确的探测功能，以获得周边环境的完整信息，同时还要为小车运动提供实时的信息。具有处理速度快，低功耗，容易使用等优点，且不受到外界环境的影响。但也有一些局限：检测角度较小，方向性较差，所以单个超声波模块的准确性并不理想，测量范围存在盲点。在实际开发应用中，会采取一些措施进行补偿处理，然后利用信息汇总技术对准确度进行提高。

超声波距离测量原理非常简单，一般采用回波时间法，即检测超声波往返所测距离的时间，当发射器发出一个短脉冲时，定时器启动;当接收器接收到返回脉冲时，定时器立即停止。此时记录的时间值为D = CT / 2，其中D为超声波传感器与测量对象之间的距离，C为介质中声波的传播速度（C = 331.4+t273 / 1m / s，t是摄氏温度），T是超声波发射回波的时间间隔。理论上，超声波在正常空气中传播速度随着介质温度的升高而有所加快，温度提高了一度，速度提高0.6 m/s左右。原理结构如图3.12所示。

超声波传感器主要由三部分组成：控制部分，总线部分，超声波发射接收部分。主控芯片通过I/O口发送信号，通过总线发送到两个发生电路中，控制着两个超声波的发射，然后再由两个信号接收电路对接收超声波信号进行放大，最后通过总线传送到主控芯片的输入端口，然后根据发射接收时间差T，计算出传感器与障碍物之间的距离，最后根据距离对小车的行驶安全性进行判断，并做出相应动作。

3.语音模块电路设计

本设计中采用的是ISD1820语音模块，它是美国ISD公司于2001年推出的一款单芯片8至20秒单段语音录放电路模块，基本结构与之前的ISD1110和ISD1420原理几乎相同，都是采用了CMOS技术，配置振荡器、滤波器、增益控制、话筒前置放大、扬声驱动及FLASH阵列。

4.红外模块电路设计

本次选用的红外对管模块适应环境光的能力很强，具有一对发射接收管，发射管发射一定频率的红外线，当检测到黑线时，不能反射回接收管，比较电路处理完后，绿 {MOD}灯亮，信号输出接口不能输出数字信号。可以通过电位器的旋钮调节灵敏度，有效检测距离范围为2到30厘米，正常工作电压为3.3到5V。具有抗干扰，易安装使用等特点，广泛应用于自动避障循迹。

红外模块电路原理如图所示，图中10K限流电阻，不同性能的限流电阻决定了红外发射功率，限流电阻越小，发射功率越大。当光反射回来三极管导通，LM393两个输入端，同相输入端用“+”表示，反相输入端用“-”表示。用于比较两个电压，任一个输入端加一个固定电压做参考电压，即阈值电平。另一端加上比较电压。当反相输入电压低于同相输入电压时，输出截止。否则输出端饱和，输出接地。只要LM393的两个输入电压差大于10mv，就可以确保输出从现状态可靠转换到另一状态。使用比较器就可以不用AD转换电路，经过LM393后在主控芯片控制端口产生高电平，从而完成检测的目的。模块的灵敏度可以通过变阻器VR1进行调整。

5.显示模块电路设计

LCD1602模块的命令操作端有RS、RW和EN，单片机的P2^5、P2^6、P2^7脚分别与之相连。数据端口DB0～DB7分别接在单片机的P0^0～P0^7。为了保持LCD1602液晶具有较高的亮度，一般电路设计中都会将VL端串联一个2K的电阻接地。

6.主程序设计

开始先是对单片机的初始化，其中包括对外部中断初始化和液晶的初始化。然后调用超声波测距子程序，判断前方300mm处是否存在障碍物，如果存在进行避障处理，如果不存在则进行红外对管检测，并做出相应动作。

7.电机驱动程序设计

开始通过超声波模块和红外模块的检测，判断中断请求,如果没有中断请求则保持原状态，如果有中断请求则调控PWM进行避障或者循迹运动。通过P1^3电平检测，把它赋给temp，根据P1低四位电平，给出相应的驱动电平送到L298N，从而控制小车的直走停止，左右转等动作。

8.超声波避障程序设计

超声波避障程序的设计思想主要是依据超声波测距原理。首先，单片机给超声波模块Trig端发送一个高电平且持续20us，再给Trig端发送一个低电平，启动超声波模块，随即超声波模块会发送8个40KHZ的方波，等待信号返回，如果有信号返回则超声波模块的Echo端输出一个高电平，接收高电平的时间就是超声波从发射到接收的时间，测试距离就等于（接收高电平时间*340）/ 2，单位为m。计算出障碍物和智能小车的距离，取前方多个方向的值，然后进行多次采样，以此减小数据误差，最后进行数据处理，通过软件算法判断最优路线，智能小车向目标方向行驶。

9.语音模块程序设计

它的工作状态和检测障碍存在信号是同步的，当检测到前方存在障碍物，语音模块就会进行障碍信息播报。

10.红外循迹程序设计

首先对小车状态进行检测，如在轨迹上，则调用直走子程序，即两电机都正转；如偏向轨迹左边，则调用右转子程序，即左电机正转右电机反转；如偏向轨迹右边，调用左转子程序，左电机反转右电机正转；如到轨迹终点，则调用停止子程序，即两电机都不转。

11.显示模块程序设计

LCD1602液晶显示程序的设计流程为先调用定义字符库，然后将DDRAM地址设置在第一行显示位置上，再根据系统数据对显示数据首地址及程序循环量进行设置，在循环显示程序中，要不断地提取相关字符代码直至第一行数据显示任务完成，同理，第二行数据显示任务与第一行完成过程是一样的，当两行数据全部显示完毕即可结束显示子程序。

主程序核心部分如下：

int main()
{
  Sys_Delay_Init(72);
  Car_GPIO_Config();
  Xunji_GPIO_Config();
  Chaoshengbo_Init();
  timer_Init();
TIM3_PWM_Init(2000);
  while(1)
  {
      TIM3_PWMoutPA6_Config(1500);
      TIM3_PWMoutPA7_Config(1500);
      Chaoshengbo_ReadJuli();
   if( juli>300)
      { Ctrl();}
      else
      { Stop();}
}
}

电机PWM占空比设置核心程序如下：

//TIM3 Channel1 duty cycle = (TIM3_CCR1/ TIM3_ARR)* 100 = 50%
//TIM3 Channel2 duty cycle = (TIM3_CCR2/ TIM3_ARR)* 100 = 37.5%
//TIM3 Channel3 duty cycle = (TIM3_CCR3/ TIM3_ARR)* 100 = 25%
//TIM3 Channel4 duty cycle = (TIM3_CCR4/ TIM3_ARR)* 100 = 12.5%
void TIM3_PWMoutPA6_Config(u16 CCR1_Val)
{
TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
/* PWM1 Mode configuration: Channel1 */
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
//配置为PWM模式1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR1_Val;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
  //使能通道1
  TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
  // 使能TIM3重载寄存器ARR
}
void TIM3_PWMoutPA7_Config(u16 CCR2_Val)
{
TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
/* PWM1 Mode configuration: Channel2 */
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
//配置为PWM模式1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR2_Val;
   TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
   //当定时器计数值小于CCR1_Val时为高电平
  TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
  //使能通道2
  TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
   // 使能TIM3重载寄存器ARR
}
void TIM3_PWMoutPB0_Config( u16 CCR3_Val)
{
TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
/* PWM1 Mode configuration: Channel2 */
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
//配置为PWM模式1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR3_Val;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
//当定时器计数值小于CCR1_Val时为高电平
  TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
//使能通道3
  TIM_OC3PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
// 使能TIM3重载寄存器ARR
}
void TIM3_PWMoutPB1_Config(u16 CCR4_Val)
{
TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
/* PWM1 Mode configuration: Channel2 */
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
//配置为PWM模式1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR4_Val;
   TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
//当定时器计数值小于CCR1_Val时为高电平
  TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
//使能通道4
  TIM_OC4PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
// 使能TIM3重载寄存器ARR
}

超声波读距核心程序如下：

void Chaoshengbo_ReadJuli()
{
  GPIO_SetBits(TRIG_PORT,TRIG_PIN);
//送>10US的高电平?RIG_PORT,TRIG_PIN这两个在define中有
  Delay_1us(20);
  //延时20US
  GPIO_ResetBits(TRIG_PORT,TRIG_PIN);
   while(!GPIO_ReadInputDataBit(ECHO_PORT,ECHO_PIN));                      //等待高电平
  TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);                                                    //开启时钟
  while(GPIO_ReadInputDataBit(ECHO_PORT,ECHO_PIN));                            //等待低电平
  TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);                                                    //定时器2失能
  juli=(TIM_GetCounter(TIM2)*5*34/200);
   //计算距离 juli=TIME/(计数频率)*(344/2)m
TIM_SetCounter(TIM2,0);
}

循迹功能核心程序如下：

void Ctrl()
{
u8 Temp=(u8)(GPIO_ReadInputData(GPIOB)&0xf0);
switch (Temp)
{
case 0x00:Go();
      break;
case 0x10:Right();
      break;
case 0x20:Right();
      break;
case 0x30:Right();
      break;
case 0xE0:Right();
      break;
case 0xD0:Right();
      break;
case 0x40