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1、基于嵌入式STM32的飞思卡尔智能车设计摘要飞思卡尔智能车大赛是面向全国大学生举办的应用型比赛，旨在培养创新精神、协作精神，提高工程实践能力的科技活动。大赛主要是要求小车自主循迹并在最短时间内走完好个赛道。针对小车所安装传感器的不同，大赛分为光电组、电磁组和摄像头组。本文介绍了本院自动化系第一届大学生智能汽车竟赛的智能车系统。包括总体方案设计、机械构造设计、硬件电路设计、软件设计以及系统的调试与分析。机械构造设计部分主要介绍了对车模的改良，以及舵机随动系统的机械构造。硬件电路设计部分主要介绍了智能车系统的硬件电路设计，包括原理图和PCB设计智能车系统的软、硬件构造及其开发流程。该智能车车模采用
2、学校统一提供的飞思卡尔车模，系统以STM32F103C8T6作为整个系统信息处理和控制命令的核心，使用激光传感器检测道路信息使小车实现自主循迹的功能关键字：飞思卡尔智能车STM32F103C8T6激光传感器第一章概述1.1专业课程设计题目基于嵌入式STM32的飞思卡尔智能车设计1.2专业课程设计的目的与内容1.2.1目的让学生运用所学的计算机、传感器、电子电路、自动控制等知识，在教师的指导下，结合飞思卡尔智能车的设计独立地开展自动化专业的综合设计与实验，锻炼学生对实际问题的分析和解决能力，提高工程意识，为以后的毕业设计和今后从事相关工作打下一定的基础。1.2.2内容本次智能车大赛分为光电组和创
3、新做，我们选择光电组小车完成循迹功能。该智能车车模采用学校统一提供的飞思卡尔车模，系统以STM32F103C8T6作为整个系统信息处理和控制命令的核心，我们对系统进行了创造性的优化：其一，硬件上采用激光传感器的方案，软件上采用keil开发环境进行调试、算法、弯道预判。其二，传感器能够随动跟线，提高了检测范围。其三，独立设计了控制电路板，充分利用STM32单片机现有模块进行编程，同时拨码开关、状态指示灯等方便了算法调试。1.3方案的研讨与制定1.3.1传感器选择方案方案一：选用红外管作为赛道信息收集传感器。由于识别赛道主要是识别黑白两种不同的颜色，而红外对管恰好就能实现区分黑白的功能，当红外光照
4、在白色KT板上时，由于赛道的漫反射作用，使得一部分红外光能反射回来，让接收管接的输出引脚的电压发生变化，通过收集这个电压的变化情况来区分红外光点的位置情况，以到达区分赛道与底板的作用。红外管的优点在于价格便宜，耐用；缺点却用很多：1、红外光线在自然环境中，无论是室内还是室外均比拟常见，就使得其抗干扰能力不强，容易受环境变化的影响。2、调试不方面，由于红外光是不可见光，调试的时候需要采用比较费事的方法来判定光电的位置。3、由于红外管光线的直线性不好，就使得红外传感器所能准确的判定的最远距离比拟小，也就是通常所讲的前瞻不够远。方案二：选用激光作为途径识别传感器。激光传感器的工作原理和红外传感器的工
5、作原理基本一样，也是利用光线在赛道上发生漫反射后接收反射回来的光线来识别赛道的。激光传感器用很多优点：1、激光光束的直线性特别好，发射出去的光线发生散射的程度能够忽略；2、经过调制后的激光受环境其他光线干扰的程度也特别低。3、激光传感器能够让赛车的前瞻到达80CM到100CM左右，为赛车的高速运时所需的准确及时的赛道信息提供了保障。不过激光也用缺点：容易衰减。最终选择的方案：激光传感器相对于红外传感器有很明显的优势：1、抗干扰能力强；2、前瞻远；3、调试效果直观。而在赛车需要的高速的情况下，看得足够远和准确显得尤为重要，在这样的要求下，激光传感器较于红外传感器有十分明显的优势，所以最终我们选择
6、的是拥有绝对优势的激光传感器作为途径识别传感器。1.3.2传感器安装方式方案一：传感器角度和高度不可变化的固定式。方案二：传感器能够活动的可动式。传感器可动式主要是依靠舵机带动而活动，也就是近期这两届比赛中开场出现的“摇头又称“摆头式。通过控制相应的舵机到达控制传感器角度的效果，调节传感器的角度能够让传感器发出的光线始终落在赛道上你想要的位置，这样大大地增加了对赛道信息的准确性和及时性，为赛车速度的提升有很大的帮助，在第六届的竞赛中，我们就能体会到摇头光电车的速度较以往的光电车有了很大的提高。最终确定的方案：经过各方面的考虑，最终选择单摇头作为传感器的固定方式。安装图如图1-1：图1-1传感器
7、安装图1.4项目功能模块化设计1MC9S12XS128主控模块:作为整个智能汽车的“大脑，将收集光电传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机完成对智能汽车的控制。2激光传感器模块:是智能汽车的“眼睛，能够通过一定的前瞻性，提前感悟预测前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑做出决策提供必要的根据和充足的反响时间。3电源模块:为整个系统提供适宜而又稳定的电源。4电机驱动模块:驱动直流电机完成智能汽车的加减速控制和转向控制。5舵机控制：一方面，控制传感器检测道路弯道，控制传感器的转向。另一方面，控制小车的整体的转向。第二章项目硬件方案2.1系统方框图舵机控制激光传感器STM32F103C8T
8、6最小系统电源模块电机驱动模块图2-1智能车整体框图整个智能车系统包括：激光传感器、舵机转向控制、电机驱动控制、电源供电模块和STM32F103C8T6。具体如下：1激光传感器：该智能车通过激光传感器对道路信息进行收集。原理：当激光照射到黑线时，黑线将大部分光吸收掉，激光不能反射回来。当激光照射到白色赛道时，由于漫反射作用接收管能够将激光接收回来。由此来对道路信息收集与处理。2舵机控制：本车采用摇头舵机和转向舵机互相协调的方式控制车模在不同的弯道给出适宜的转角。摇头舵机作用是追寻赛道，转向舵机根据所收集到的信息给出不同的打角。3电机驱动控制：想要智能车以最快的速度跑完全程则必须对电机有很好的控
9、制策略。我们的控制策略是：直道时以最快速度行驶，入弯时减速，出弯加速。这样小车以最快的速度顺利的跑完全程。4电源模块：电源智能车工作的必要前提，它为各个电路模块提供稳定电源，保证各模块正常工作，这也是智能车设计需要考虑的一个很关键的问题。5MC9S12XS128最小系统：这部分是整车的核心。它主要实现对收集的道路信息进行分析与处理，给舵机和电机不同的占空比来控制小车的转向和加速减速。2.2系统器件选型小车的车模、电机、舵机及电池均由学校统一提供，而单片机和传感器则经过讨论，我们选用了STM32F103C8T6和激光传感器。2.1.1车膜整体构造图2-2车模实物图硬件资源：11个HL-380H车
10、模的基本支架；21个RS380高速电机；31个MG995舵机；41个配套电机齿轮；51套螺丝包；6轴承若干。2.2.2转向舵机的安装H型前支架配置合适4.5MM板子序号1234567名称前支架H型杯式轴承4*11*4双通铜柱M3*16双通铜柱M3*20双通铜柱M4*30螺丝M3*8螺丝M3*12数量1224212+11+1备注大小部件共12个891011121314螺丝M4*12螺丝M4*25螺帽M4*12普通螺帽M4自锁螺帽M3自锁舵机MG99565mm车轮表2-16+12+14+12+11+1122.2.3车轮及底盘调整540后支架配置序号1234567891011121314151617
11、18名称540后支架540电机3.17齿轮11T数量11112321+124+12+11222+18+12+12固定轮子在联轴器短销的1+1长销的是2+1检查齿轮有没有坏齿检查轴承和光轴能否有配套备注共4个部件检查螺丝能否上在电机上5*120mm光轴5*11*4杯式轴承5.1mm锁紧扣5mm_72齿轮齿轮插销5mm联轴器机米M3*3机米M3*63mm机米扳手M3*25双通铜柱M3*30双通铜柱M3*12螺丝M3*8螺丝M4*6螺丝65mm橡胶轮表2-22.2.4RS540电机图2-3电机实物图电压3V4.5V6V7.5V转数转/分8400124001650020800表2-3电流1.30A1.
12、47A1.60A1.70A2.2.5电池电源图2-4电池实物图主要参数：电池厚：15MM宽：35MM长：67MM电池重：70G持续放电电流：20C霎时放电电流：40C放电终止电压：单体208V2.2.6单片机单片机是系统设计的核心，根据设计要求，本设计采用STM32F103C8T6单片机作为控制器，选择购买单片机最小系统，此系统稳定且非常可靠，所有引脚均引出，能知足设计要求，详细实物如图2-3所示:图2-3STM32F103C8T6实物图2.2.7激光传感器针对激光传感器的优点我们选用了12个激光头，对应6个接收管。实物图如图2-4：图2-4激光传感器实物图2.3系统整体原理图2.3.1整体原
13、理综述整个小车系统由单片机最小系统、电机驱动电路、传感器电路、电源供电电路以及单片机的下载在口构成，总的主控制电路图如下列图2-5：调制管、接收激光管调制管激光管、激光接收激光接收激光接收激光接收激光接收激光接收前轮打角舵激光排舵电机图2-5主控制电路图2.3.2各模块原理综述1单片机最小系统单片机最小系统的三要素是：电源、晶振、复位电路构成。如图2-6为单片机最小系统电路图：图2-6单片机最小系统1微控制器，STM32F103C8T6微控制单元作为STM32系列的32位单片机，由标准片上外围设备组成，包括32位中央处理器、64KB的Flash存储器、20KB的RAM、两个12位ADC，三个通用16位定时器加一个PWM定时器，以及标准和先进的通讯接口：上两I2CS和SPI接口，三个串行外设接口，一个USB和CAN，组8通道的输入捕捉或输出捕捉的加强型捕捉定时器、两组8通道10机机管管管管管管管