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1、. 本科生毕业设计（论文）论文题目 基于STM32单片机的超声波智能避障小车设计作者姓名 李千专 业 测控技术与仪器指导教师 郑龙江 教授2019年6月燕山大学本科生毕业设计（论文）基于STM32单片机的超声波智能避障小车设计学院：电气工程学院专业：测控技术与仪器姓名：李千学号：150103020008指导教师：郑龙江答辩日期：2019年6月摘 要随着我国经济的高速发展,汽车已经成为人们生活中必不可少的出行工具。但汽车数量的不断增加,也导致了各种交通事故。车辆追尾、刮蹭以及疲劳驾驶事故等类似事故的频繁发生,严重的影响了安全秩序并造成经济损失,如何有效避免交通事故成为问题的关键。此外，随着智能汽
2、车的研究不断加深，基于人工智能的半自动驾驶或是全自动驾驶正在潜移默化影响着未来人们的驾驶习惯，安全、高效并且减少驾驶员压力等诸多元素逐渐成为未来智能车的发展趋势。本次设计了一款智能超声波避障小车模型,采用STM32编程环境的单片机,结合超声波测距系统与步进电机控制系统,实现智能车自主避障功能。拟解决的主要问题为:智能车超声波传感器对道路环境进行信息采集,单片机进行实时的数据处理和程序执行,完成误差计算并对电机进行PWM脉冲调制进行转向避障。另外，还设计了单片机主控系统、基于红外传感器的黑线循迹系统、基于光敏电阻的智能寻光系统、基于光电对射传感器的车速检测显示系统以及红外遥控系统。重点研究信息采
3、集过程和电机驱动过程,对提高超声波传感器测量精度、测量范围以及不同转弯方案进行了分析讨论。针对障碍物超过超声波传感器检测范围时小车软件程序的不执行,采用了舵机平台式超声波检测法。针对多方向同时遇到障碍物的情况小车易发生刮蹭问题,采用了后退式检测法。针对不同速度下的转弯方式进行分析讨论，计算设计了两种安全距离下的转弯流程。此外，重点分析其它传感器模块的选型设计部分，完成基本功能要求。后期对各模块系统进行了整合调试，记录数据分析并进行方案优化。关键词：自动驾驶；超声波避障；PWM脉冲调制；舵机平台式；电机控制IAbstractWith the rapid development of Countr
4、ys economy, cars have become an essential travel tool in peoples life. However, the increasing number of cars has also led to various traffic accidents. The frequent occurrence of similar accidents such as rear-end collision, scraping and fatigue driving accidents seriously affect the social safety
5、order and cause economic losses. How to effectively and usefully avoid traffic accidents becomes the key to the problem. In addition, with the deepening of the research on the smart cars, semi-automatic driving or automatic driving based on artificial intelligence is influencing peoples driving habi
6、ts in the future, and many elements such as safety, high efficiency and reducing driver pressure are gradually becoming the development trend of smart cars in the future.This time we design a intelligent ultrasonic obstacle avoidance car model , which uses a single chip microcomputer in STM32 progra
7、mming environment and combines ultrasonic ranging system and stepping motor control system , to realize the autonomous obstacle avoidance function of the intelligent car. The main problems to be solved are: intelligent vehicle ultrasonic sensor collects information on road environment, single chip m
8、icrocomputer carries out real-time data processing and program execution, completes error calculation and carries out PWM pulse modulation on motor for steering and obstacle avoidance. In addition, the MCU control system, black line tracking system based on infrared sensor, intelligent light-finding
9、 system based on photosensitive resistor, speed detection and display system based on photoelectric counter sensor and infrared remote control system are also designed.The information acquisition process and motor driving process are mainly studied, and the improvement of measurement accuracy, measu
10、rement range and different turning schemes of ultrasonic sensors are analyzed and discussed. Aiming at the non-execution of the car software program when the obstacle exceeds the detection range of the ultrasonic sensor, the steering gear platform ultrasonic detection method is adopted. In view of t
11、he fact that the car is easy to scratch when encountering obstacles in multiple directions at the same time, the backward detection method is adopted. The turning modes at different speeds are analyzed and discussed, and the turning processes at two safe distances are calculated and designed. In add
12、ition, the selection and design of other sensor modules are mainly analyzed to fulfill the basic functional requirements. In the later period, the system of each module was integrated and debugged, the data was recorded and analyzed, and the scheme was optimized.Key words: automatic driving; Ultraso
13、nic obstacle avoidance; PWM pulse modulation; Steering gear platform type; Motor controlII目录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1课题研究意义与发展趋势11.2国内外智能车研究发展现状21.2.1国内智能车研究现状21.2.2国外智能车的发展现状4第2章 传感器选型与模型搭建方案72.1传感器选型72.1.1超声波测距传感器72.1.2直流电机模块92.1.3红外发射传感器112.1.4光敏电阻模块122.1.5槽形对射光电传感器132.1.6红外遥控模块132.1.7单片机的选
14、型142.2 模型搭建方案152.2.1 电机安装及其驱动电路搭建152.2.2 超声波舵机云台搭建152.2.3其它传感器模块的安装16第3章 系统方案的设计与调试173.1系统总体设计173.1.1智能车设计总体要求173.1.2 避障系统设计173.1.3 电机控制系统设计213.1.4其它传感器系统设计253.1.5 单片机控制系统设计293.2避障系统测试与调试303.2.1 测距系统测试与调试303.2.2 电机控制系统测试与调试32第4章 误差分析与方案优化334.1 实际避障环境测试334.2 数据记录与结果分析35结论37参考文献39III第1章 绪 论1.1课题研究意义与发
15、展趋势随着社会经济的不断提升,科技创新成为新的竞争要素。科技给人们带来的智能化体验,更是以后发展的大趋势。智能化是按照提前设定的模式形态下自主运行,无需人为管理,就能够实现预定目标或者是更好的效果。21世纪,人们更加重视智能化技术的开发与应用,单片机技术的发展进入一个新的历史阶段,在智能仪表、自动测量、信息交流和自动控制等智能化的电子领域中有了更加广泛的应用。我国作为世界大国,在科技高新领域占据领先地位具有重要的现实意义。对于那些不易测量测试环境,往往是未知的,所以,智能探测车要在这种环境下实时地、安全地完成各种探测任务,避障控制系统的设计是智能探测车设计的关键部分之一,也是智能探测车智能化的
16、重要体现。本次设计充分发挥了小车的智能性，设计的新点可以为自动勘察以及家庭智能等自动化提供一定的参考意义。超声波测量是基于声波传感的一种避障手段,其实际操作搭建方便,运行原理简单,能够做到实时控制,测量中的精度也能够满足避障需求,那么这种方式一定能够在未来汽车的发展中广泛化。这次设计最主要的功能是防范因为驾驶人员疲劳驾驶而引起的事故。当驾驶人员由于疲劳驾驶而导致车距过近或者是两车之间的距离相距太近，超声波模块则对其进行安全距离测定，当小于安全距离时，汽车发出警报或者自动调整距离进行相应的安全措施。还有当车速过快导致车距太近而追尾的现象,也可以通过超声波传感器检测安全距离来避免事故的发生。其它场
17、合中,危险路段的勘测情况、需要无人状态下的自主管理都能很好体现智能避障车的特点。在汽车产业方面,我国该方面的经济不断快速提升。目前我国自驾车的数量接近三亿，能够创造出巨大的价值效应。而个家庭的汽车拥有率也将不断提升，逐步渗透到各个驾驶年龄段。根据媒体预测，在2025年前智能汽车市值将达到420亿美元；到2035年，自动驾驶技术则将运用超过2000万。到2040年，自主无人驾驶汽车将占绝大多数，未来的智能车会改变人们的出行方式。未来的智能 车也将很好的服务一些特殊群体，例如年纪较大的人员以及身体有残疾的群体，这都将极大的改善他们的生活质量。未来的汽车行业竞争很激烈，现在为了在未来的市场中占据份额
18、，不少的厂家已经开始着手研究该方向的领域。例如特斯拉的辅助驾驶技术，现在已经能够运用在自家的汽车产品中，利用新型传感器搭配自家系统设计，让这家的产品创新走在行业前列。而谷歌公司则更是倡导未来，它提倡的是一种真正的无人驾驶技术，它是基于一个庞大的物联网系统，将行驶在不同位置的车辆进行规范化、行驶准确化。另一方面,我国对于汽车新技术的研发也在不断进行，例如现在市面上的新能源汽车。对于新型智能汽车的期望较高，加之汽车的普及化，我国的新型汽车行业市场经济也是不断上涨。据调查，采访人群中的大多数 对于新型智能汽车的使用普及化表示支持，并且愿意体验尝试类似于辅助驾驶，无人驾驶系统等功能。对于未来智能车的发
19、展方向，除了可靠的无人或者辅助驾驶，还会有更多的娱乐元素。在出行的同时，既安全可靠，又能够与家人朋友进行互动娱乐。所以未来汽车行业的发展会趋于智能化,辅助驾驶、无人驾驶的整体系统为人们出行提供更好的体验与安全保障。本次设计搭建的模型将对以后的汽车智能化、方便操作化,提供切实可行的设计方案、分析方法,具有可持续的社会指导意义。1.2国内外智能车研究发展现状1.2.1国内智能车研究现状1.2.1.1智能车研究成果我国智能汽车的研究处于初步阶段,相关核心技术已取得阶段性成果,缩小了在智能交通系统研究领域与发达国家的差距。早期的时候对其进行研究的还是以学术机构多一些,如国防科技大学、清华大学、吉林大学
20、、中科院沈阳自动化研究所等。国防科技大学研究制作了了名为CITAVT-自动汽车,完成了实际的校园自主驾驶。近些年研制的 CITAVT-在真实环境的高速公路上与其他汽车进行驾驶,效果较好,最高时速达到70多公里。2013年,和中国第一汽车集团公司联合开发的红旗轿车实现了自主驾驶功能,可以在高速公路上进行车辆自跟踪,并且能够通过自己的算法实现超车。清华大学在国防科工委和国家863计划的资助下,开发了THMR智能车。2013年,THMR-V 智能车在画有明显标记的道路上跟踪车道行驶,平均速度达到100KM/H。随着智能车的发展与人工智能结合合作的程度不断加深，我国已经将自动驾驶技术运用在一些量产的车
21、型上。举例来说，近期发布的中国SUV品牌哈佛F7X上搭载了自动驾驶技术。它配备前后12探头泊车雷达系统，防撞雷达系统通过雷达探头发射超声波对车辆前后方障碍物进行探测，并将遇到障碍物反射回的超声波信号转换成电信号发送给雷达控制器，控制器对收集到的数据进行处理，精准感知并处理每一个即将到来的危险。其交通拥堵辅助传感器由位于是前车窗摄像头及牌照板下的毫米波雷达组成，它可以探测到汽车前方车辆、自行车、行人信息。在该模式下，速度区间（一般为060KM/H），如果车道线存在，车辆会被维持在车道之内行驶；否则车辆会跟随前方车辆的侧向移动行驶。测试中在高速路况、还是拥堵的城市路况下都能够轻松应对。在高速路况下
22、，哈弗智能车通过融合77GHZ毫米波雷达、智能前视相机等功能，实现封闭高速单车道智能巡航，显著提升驾驶者的智能驾乘感知。针对低速行驶的城市工况，其车身内搭载了AEB+自行车系统，利用毫米波侧后角雷达，在倒车时识别侧方横向靠近的移动目标并进行制动，避免或减缓碰撞。采用的毫米波雷达与摄像头融合方案，可实现低速拥堵驾驶辅助，大大缓解拥堵路况下驾驶者的疲劳。此外，基于智能前视相机的交通标识识别系统，能瞬间帮助驾驶员鉴别各种交通标识，并进行显示提醒，违章越来越少，安全越来越高。另一方面它搭载功能强大、全面、开放的最新一代智能网联系统，基于全新的平台打造；其智能网联科技包括，强大的智能语音交互、智能APP
23、远程控制、实时位置的精准控制。这是中国自动驾驶技术水平的一个展现，是未来智能自动驾驶的科技创新。1.2.1.2未来智能车发展策略现阶段中国智能车的研究已经在距离变革期。国家发改委也发布了相关的汽车发展战略的意见稿，工信部也发布了相应的车联网的相关标准协议，我国的很多的大城市像是北京、上海、深圳等均开始试行了智能车的管理措施，并且在这方面新闻媒体也逐渐增大报道宣传，使得智能车市场的发展正不断提速。 吉利汽车集团的董事长及沃尔沃汽车董事长李书福表达了自己对于未来中国智能汽车行业的期望：中国已经成为世界上最大的汽车消费群体，现阶段全球汽车经济拉高很大一部分来自于中国，未来中国智能车的发展一定要符合消
24、费者的消费习惯以及中国的交通环境。中国对于科技的创新以及人才储备使得中国有着巨大的优势。智能汽车行业的发展需要结合当地的环境，交通规则，驾驶习惯等诸多要素所决定。另一方面，与欧美等产业之间的技术垄断以及利益最大化等战略差异化导致传统汽车行业与互联网行业的结合的不完善，而在中国政府正在大力推广工业化与信息化之间的融合。有这方面的优势，中国一定能够做到技术路线的创新以及整体系统的完善化。在2018年中国智能汽车研讨会上提出了中国未来智能汽车发展的三个步骤：第一，在平时测试中或是未来商用化中，辅助驾驶汽车一定要确保安全，基于此研究新技术并改善交通环境。因此可以考虑先在交通状况相对简单的、空旷的场合进
25、行测试或是一些较少人的公共场合进行试点测试。其次，要加大对于人才的培养以及职业素质教育，与科技强国 美国相比我国智能车研究领域的人才仅为其一半，应该鼓励企业创新和大学生培养力度。最后，是建立一个完善稳定的“智库”，其中不仅应该包括传统智能汽车行业，互联网行业、政府机构，还应该包括国内外开发团队的技术创新。围绕以上三点建立起自动驾驶技术的蓝图逐步展开以及作为时下的热点以及社会各方的关注支持，我国智能车的研究一定能够占据市场主流。1.2.2国外智能车的发展现状1.2.2.1互联网公司与汽车传统公司不同研究方向对于传统的汽车公司来说，他们更注重的是汽车的稳定性要求。某汽车公司就曾经表示：“我们更加注
26、重汽车的各项基本参数，首先必须保证汽车驾驶中的安全。这不同于某些手机系统死机不工作，但是在行驶的汽车中绝不能发生该类现象。这反映了互联网企业与汽车企业的之间的差别，互联网行业更加依赖其强大的算法、获得的数据库，网络技术以及使用的软件系统，能够做到汽车在云端数据与驾驶中的同步处理。而汽车企业则更多地考虑到车辆的实用性和安全性,他们更加愿意保持汽车原有风格。其中，全球走在最前列的是谷歌公司。2012年,谷歌无人驾驶汽车成功地在云端系统的配合下完成30万英里的行驶。通过一系列的新型传感器，例如激光雷达、激光测距仪、超声波感知传感器、摄像头等，精确采集行驶周围的环境信息进行信息处理，确保了汽车按照指定
27、的路径进行行驶。与互联网公司不同，一些传统的汽车公司则采用了更加保守的更加具有实用性的研究方案。在硬件的搭载上，他们选择了常规的摄像头，包括立体的、还有红外的。常规的雷达，常规的传感器摄像机等来进行信息的采集，结合全球定位系统，能够做到预定路线的规划，并且更加注重机器电力一体化系统动力学及控制技术的研发,，价格相对较小，能够做到批量生产。1.2.2.2世界汽车行业正在进行新一代智能驾驶的开发与产业化现在的汽车领域中，有两个方面的技术，“辅助驾驶技术”以及“半自动驾驶技术”已经投入使用当中，这在汽车行业的竞争中占得先机并且提升其自身品牌形象。辅助驾驶技术又包括两种层面，一种是自动辅助驾驶技术，需
28、要驾驶员较少参加。另一种是协同式辅助驾驶技术，需要驾驶员参与来减轻驾驶压力。对于不同级别的车型之间（豪华车至B级车），这种技术也运用开来。例如防追尾技术、行驶方向矫正技术、自动停车技术都能够达到预期的效果。在欧洲，美国等一些国家，基于互联网的同式辅助驾驶技术已经得到相当规模的应用。而更加完善的半自动驾驶技术在高级车中正逐渐获得应用。现在汽车行业正在开发和研究第三个层面的技术“高度自动驾驶技术”。其中有代表性的例如沃尔沃公司，他们率先量产了第一个自动驾驶技术堵车辅助系统。这项性能是在车道保持基础上的扩展，它能够根据前方行驶车辆的速度以及安全距离，来自动跟随前方车辆行驶。此外,奥迪、凯迪拉克、日产
29、、丰田等都计划推出诸如自动转向、加减速、车道引导、自动停车、自适应巡航控制等技术的汽车,它们大多属于第三层次的智能驾驶技术。图1 谷歌公司“无人驾驶” 图2 特斯拉公司“辅助驾驶”图1 谷歌无人驾驶 图2 特斯拉辅助驾驶1.2.2.3全状况无人驾驶前路漫漫因为车联网系统包含了例如汽车行业、互联网行业、定位系统、实时交通状况等多方面的综合因素，所以其相关产业链、相关技术还不健全，而辅助驾驶 还不能做到大规模商用。谷歌无人驾驶汽车或许现在做得更好，,但现阶段也只能按预定程序行进,在雾雪天气还会受到干扰,并且在加速、减速及转向时处理细节不太好。总之,全工况的无人驾驶技术仍处于研发阶段，要达到真正的大
30、规模的推广还需要进一步硬件开发和软件系统的完善。第2章 传感器选型与模型搭建方案2.1传感器选型2.1.1超声波测距传感器本次设计采用的是HC-SR04超声波测距传感器,测量范围在2CM到400CM。测量精度在3MM,其主要的内部设计包括超声波发送器、接收器以及相应的检测控制电路。实物图如下： 图3 超声波HC-SR04 图4 超声波模块接口图共有四个接口:其中VCC供5V的电源,GNd接地,而IO口接输入和输出。基本工作原理:1、传感器上有四个接口,其中的IO口TRIG用来触发传感器,发出高频率的电平信号。 2、触发检测程序,自动发送40khz的信号,检测是否有信号返回。3、如果有信号返回,
31、就输出一个高电平,保存高电平的时间,就能够算出超声波的传播时间(从发送到接收)。测量距离=高电平时间*声速(340m/s)/2。说明:超声波的传播速度与空气中的温度存在非线性关系:当空气密度越大时，超声波的速度越快，而空气密度则与温度有关系。具体关系如下: 式中:C0为零度时的声波速度332m/s;T为实际温度()。超声波时序图:图5 超声波时序图上图为超声波时序图,给出一个高频率的电平触发信号,传感器内部循环发出8个40khz的脉冲信号并且检测回波。一旦检测到回波信号后就输出回响信号,内部计数器计数并算出时间,回响信号的高电平时间就是超声波信号在空气中的传播时间,就能计算出具体的传播距离。针
32、对小车的避障功能实现，也考虑了漫反射式光电开关，这种方案最大的优点就是原理操作十分简单，该模块可射出一束光，光向前传播，一旦光路上遇到障碍物就会被反射回来。单片机能够接收到传感器的信号，没有障碍物时输出低电平，有障碍物时输出高电平。但是该方案也存在着缺点就是测量距离范围太近，无法很好实现本次避障设计，再结合价格等元素所以选择超声波传感器。图6 漫反射式光电开关传感器 图7 原理示意图2.1.2直流电机模块本次使用的电机为直流电机,它的扭矩相对较大，并且质量较轻，在电机的内部存在着一个齿轮组进行进行减速，操作方便。实物图如下所示:图8 步进电机工作原理:直流电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号
33、,通过其内部的逻辑电路,控制直流电机的绕组以一定的时序正向或反向通电,使得电机正向/反向旋转,或者锁定。本次直流电机的使用配合LM293D电机驱动模块使用，单片机开发板将控制信号传输给LM293D，再由L293D驱动两个电机正转或反转控制小车的前后左右行驶动作。L293D逻辑图和电机及其驱动模块原理图如下：图9 L293D逻辑图图10 电机驱动原理图对于电机驱动模块来说 ，也可以选择继电器来实现相对的功能，它的优点是电路简单易懂不复杂。但它的缺点也很明显，首先就是使用时间短，不能够长时间运行，易损坏，还有一点很重要就是它的相应时间长不利于本次设计。而本次采用的LM293D驱动模块芯片的负载能力
34、很强，能够接受的电压或者是电流较之于继电器都大。除此之外，它采用了H型桥集成电路，它的优点是当电机进行驱动运作时能够提供稳定的电流值。对于外部接口来说，它的输入端能够直接与单片机进行连接，能够方便受单片机控制。又因为其逻辑简单，故采用LM293D驱动芯片作为驱动单元。电机工作特点:1、内置齿轮组减速直流电机内部有一个齿轮组，能够起到减速的作用，这样就能避免反反复复进行调速额操作。2、简单的脉冲信号进行控制直流电机的驱动需要电压,电压越高,其转速也就越快。但在特定环境下使用时不能够随意改变电压,只能够通过改变脉冲信号的频率来改变转速。这个脉冲频率能够很轻易地由单片机进行输出,所以能够做到高效准确
35、控制。3、高力矩,小体积直流电机的重要特征之一是高力矩、小体积。这些特征使得电机具有优秀的加速和响应,使得这些电机非常适合那些需要频繁启动和停止的应用中。表1 电机性能参数电压DC/V绝缘电阻DC500V减速比牵入转矩mN.m自定位转矩mN.m550M1/644034.3空载牵出频率Hz温度K噪音dB（A）绝缘介电强度AC.600V. 1mA.1S空载牵入频率Hz9004040无击穿或飞弧5002.1.3红外发射传感器本次采用红外模块实现小车的黑线循迹功能,该传感器模块对光信号进行采集,具有一对红外传感器,一个是红外发射管,另一个是红外接收管。红外发射管发射一定频率的红外线到地面上,而接收管接
36、收发射的信号。本次循迹利用的是对不同颜色的障碍物对红外光的反射能力的不同,其中白颜色对于红外线的反射能力是最强的,黑色则是最弱。则红外循迹模块根据是向左偏离或者是向右偏移产生不同的反馈信号,并且能够建立起相对应的变化比例,即离黑线越远则越是发射光的能量越弱。当超过设定的阈值的时候,根据比较器LM293来进行电压比较输出,电压输出的值不同,控制智能车的电机转动方向进行黑线循迹。实物图如下：图11 红外对管发射接收传感器2.1.4光敏电阻模块本次使用的光敏电阻传感器是市面上较常见的,它具有性能稳定,价格便宜,准确度高,体积小等特点。实物图如下：图12 光敏电阻传感器工作原理:光敏电阻的工作原理是利
37、用半导体中的光电效应产生的,当光照到光敏电阻上时,会产生空穴以及电子,从而改变了半导体的电阻率,使得导电性发生了变化。关系是光照强度越强,其阻值越小。做光敏电阻的材料一般使用硫化镉,还可以加入其他的杂质来提高电阻率。其中,光敏电阻包含很多特性:光照特性、光敏特性响应特性、温度特性等,本次设计主要分析其中的光照特性。光照特性图如下所示:图13 光敏电阻光照特性当电压一定的时候,光电流的大小与光照的强度之间的关系是成正比的。光敏电阻在完全黑暗的条件下的电阻值为暗电阻,其值为几兆欧到几百兆欧。本次设计正是利用此特性引起电压变化再与LM393进行电压比较输出高低电平。2.1.5槽形对射光电传感器本次检
38、验车速采用了槽形对射光电传感器,它是由一个红外发光二极管和一个光电三极管组成。配合码盘使用时,只要有物体通过其中的码盘即可触发输出低电平。采用的是施密特防抖,能够做到及时响应,测量过程稳定。实物图如下：图14 槽形对射光电传感器 图15 测速码盘产品的参数:工作电压3.3-5V,输出形式是数字信号输出(0或1).工作原理：设计程序时,测速模块的输出口连接到单片机的外部中断口,检测每当有一个红外射线导通时就会进行一次中断触发，每一次测量速度:可以计算1秒内接收到的外部中断数,来判断小车轮胎每秒内转的圈数，再计算出车轮的长度,就能够知道小车一秒钟的速度。2.1.6红外遥控模块本次设计使用了红外遥控
39、技术,红外遥控是非接触式的，不易受到环境干扰,传输信息稳定,信号传输过程衰减能量低,价格便宜,容易操作等显著优点。红外遥控发射电路发射的是的是发光经调制的后红外信号波;而接收电路则是由红外接收二极管组成的,将调制过后的红外光转化为相应的电信号,再接后置放大电路等处理等。 红外发射器有不同的按键，不同按键对应着不同的脉冲编码信号，而编码信号使得发射管发射红外信号波，而接收模块经过放大、滤波、整形解调出原脉冲信号。这一系列的脉冲信号其实是二进制码，解调出来发送给单片机进行处理，根据得到的二进制码指令进行相关的遥控操作。示意图如下 ：图16 红外遥控示意图2.1.7单片机的选型本次采用的是单片机开发
40、板，具体的单片机型号是STM32F103ZET6,长10cm，宽8cm，全金属镀铜设计，能够长时间使用。它是意法半导体公司生产的芯片，具体的规格是内部核心是ARM32位的Cortex-M3的微型控制器，它的特点是，扩展性强，功耗低，性能强。该芯片有512的闪存存储器，工作频率是72MHz，并且提供了11个定时器，13个通信接口，支持SDIO、I2S、I2C、ADC、SPI以及USART。103个快速的I/O端口，能够在一些需要进行实时控制的场合很好的工作，例如智能冰箱、打印机、门卫系统等一系列的电力电子系统中。实物图如下： 图17 STM32F103ZET6开发板2.2 模型搭建方案2.2.1
41、 电机安装及其驱动电路搭建本次超声波智能避障车用的是STM32单片机主控系统，两个步进电机、L293D驱动电路、电源供电装置、HC-SR04超声波测距模块、舵机平台以及其它传感模块。智能车的主体采用了一块黑色铁质底板，其材质坚固并且将其它模块固定。而两直流电机则安装在智能车的的前端，作为前驱车型。在底板的中后方安装一个万向轮实现平衡控制，方便调整方向。这种安装方法的优点是：简单便捷，前驱方向控制准确，节省电能，减轻负重以及摩擦力。驱动电路L293D则安装在智能车底板上方进行电路驱动。稳压电源使一个系统的能量来源，是必不可少的组成部分。它在对于系统的性能指标以及稳定性上都起到至关重要的作用。本次
42、采用的供电装置为7.2V可充电的锂电池组，电池组直接给直流电机进行供电，可充电电池组的电流驱动能力比较强，而且电压输出性能相对稳定。而单片机只能承受5V的电压值，所以设计分压电路与其降压供电。这样小车的电压输出稳定，能够保持小车稳定工作。图18 电机和电源的安装2.2.2 超声波舵机云台搭建相比于最初的设计方案，即超声波直接安装在智能车前端，这次改进后的方案则增加了一个舵机平台。将舵机利用热熔胶固定在智能车的正前端，因为舵机的体积较小所以在上面加装一块载板进行超声波模块的放置，再使用热熔胶进行固定。这样，由于增加了舵机平台，超声波的检测障碍物范围增加，有效的避免了检测死区。并且由于是舵机舵机进
43、行转向控制而不是调整车身转向来进行障碍物距离检测，防止了车身的意外碰撞与能量损耗。实物图如下：图19 搭载舵机平台的超声波传感器2.2.3其它传感器模块的安装红外传感器安装在前端较低处，由于超声波模块搭载了舵机平台，所以检测的相对高度较高，对于低层面的障碍物不能够做到很好的检测，本次的红外传感器主要用来实现循迹功能，但是为了使检测的范围准确度更加，红外传感器进行更低位置的检测障碍物作为备案方案。槽形对射光电传感器需要搭配计数码盘使用，计数码盘安装在车轮外侧，而对射光电传感器光电传感器两端的对射管放置在码盘两端进行计数测速。再外接数码管进行实时的速度显示。光敏电阻以及红外控制模块则是安装在单片机
44、正面，自由放置只要不被遮挡即可。本章小结：本章重点分析论述了传感器的选型、原理介绍以及实物搭建设计。选型从实用性角度出发，选择了简便高效，价格便宜但功能性强的传感器。这些传感器不仅能够在前期完成预期的功能效果，而且在后期中易于程序修改以及调试。实物搭建方案主要考虑到成本电源测量方案等诸多因素，设计了一款体积小，结构紧凑，多功能的智能车模型。第三章 系统方案的设计与调试3.1系统总体设计3.1.1智能车设计总体要求本次设计的总体要求是以单片机为控制中心，电源装置进行电压分配，设计基于超声波传感器的测距系统、设计步进电机驱动系统、设计红外传感器循迹系统、设计基于光敏电阻的寻光系统、设计测速系统、设
45、计红外遥控系统，最后设计单片机控制系统。其中主要设计的是超声波避障系统的设计，工作原理是：超声波进行距离信息采集，来判断障碍物距离是否小于设定阈值，一旦小于设定的阈值时，就会转动舵机进行一定范围的距离检测，假若一直有障碍物则后退扩检测的范围，直到检测的方向上没有障碍物时，智能车驱动电机前进。总体系统设计结构图如下：图21 总体设计结构图3.1.2 避障系统设计3.1.2.1超声波测距原理本次设计采用的是HC-SR04超声波传感器，能够准确测得距离值，并且易于使用编程调试，因此在测距过程中经常使用。超声波测距共有三种方法，第一种是往返时间法，第二种是相位检测法，第三种是幅值检测法。这三种测量的信息量不同，我们采用最常用最简单的往返时间法。具体原理如上文讲述的原理相同，测量的距离是超声波的速度与回响信号高电平信号时间乘积的二分之一，测量距离原理图如下：图22超声波测距原理3.1.2.2测量范围方案的改进由于超声波发射器的波束角是固定值，那么障碍物超过测量的范围时，智能车检测不到进入“死区”，车体就容易与障碍物发生刮蹭。为了加大测量范围的角度，在超声波下添加舵机平台。单片机可以控制舵机实现180的旋转，范围从-90到+90，因为超声波模块是固定在舵机上的，再加上自