1、引言

智能小車是一個集自動控制、環(huán)境監(jiān)測、無線遙控等多功能于一體的綜合系統(tǒng)，人們習(xí)慣稱其為移動輪式機(jī)器人，目前以單片機(jī)為核心的移動機(jī)器人還存在處理數(shù)據(jù)局限、控制不穩(wěn)定等不足之處，國內(nèi)市場暫時還沒有出現(xiàn)具有真正意義的跟隨性智能載物小車。本設(shè)計基于單片機(jī)的智能小車測距模塊、紅外遙控模塊和小車智能控制模塊，通過軟硬件設(shè)計調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了小車的自動跟隨狀態(tài)。主要利用超聲波測距模塊實(shí)現(xiàn)小車與目標(biāo)之間距離的實(shí)時檢測，當(dāng)兩者距離較近小車就“緩慢跟隨”，一旦測得距離較遠(yuǎn)，小車將“加快腳步”，直到追上目標(biāo)，并且小車可以跟隨目標(biāo)一起轉(zhuǎn)彎，不會“跟丟”。

2、硬件設(shè)計

2.1、系統(tǒng)總體設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)小車智能跟隨，采用了超聲波測距、電機(jī)驅(qū)動、紅外遙控等功能模塊設(shè)計。通過超聲波所測距離，判斷小車快速前進(jìn)，慢速前進(jìn)或停止。小車以STM32為主控芯片，將2個超聲波測距模塊測得的距離值經(jīng)過運(yùn)算后，輸出兩路PWM(PuLSEWIDTHMODuLAON)波分別控制左右2個電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電源給控制部分和電機(jī)驅(qū)動部分供電。另外STM32連接了LCD顯示模塊和紅外接收電路，分別用于顯示運(yùn)動、狀態(tài)信息和接收遙控器的控制信號。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體

2.2、超聲波測距模塊

超聲波是指頻率高于20KHz的聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播時遇到不同的界面將產(chǎn)生反射、繞射、折射等原理在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計所使用的測距模塊為HC-SR04超聲波模塊，該模塊測量范圍為3～400CM，精度最高可達(dá)3MM，由超聲波發(fā)射探頭、控制電路和驅(qū)動電路組成。模塊對外引出4個引腳分別為VCC、GND、TRIG和ECHO。測距需要IO口觸發(fā)，即先給控制端TRIG至少10μS的高電平信號，模塊將自動發(fā)送8個40KHz的方波并自動檢測ECHO端是否有返回信號，若有返回信號則高電平持續(xù)時間即為超聲波在空氣中傳播的時間。由此可得：測試距離=(高電平時間&mes;聲速)/2。因此將模塊的VCC、GND接入系統(tǒng)電源，TRIG、ECHO端接單片機(jī)普通IO口即可實(shí)現(xiàn)超聲波測距。

2.3、電機(jī)驅(qū)動模塊

小車通過一個L298N電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動左右電機(jī)控制小車的運(yùn)動。電機(jī)采用PWM調(diào)速，即改變直流電機(jī)電樞電壓的的占空比來改變平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速。除了2個電機(jī)對應(yīng)的PWM信號調(diào)速之外，該模塊還需要4路邏輯輸入控制電機(jī)M1、M2轉(zhuǎn)向，模塊連接如圖2所示。因此將PWM信號輸入端接入單片機(jī)定時器輸出，邏輯輸入端接單片機(jī)配置為輸出模式的IO口即可實(shí)現(xiàn)對該模塊的控制。

圖2 電機(jī)驅(qū)動模塊連接

2.4、紅外遙控

紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸可靠、功耗低、成本低、易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計使用的是NEC編碼方式的遙控器，紅外接收選擇HS0038紅外遙控器接收頭，接收頭有3個引腳分別為VCC、GND和DATA。VCC、GND分別接系統(tǒng)的正、負(fù)極，DATA接入單片機(jī)定時器的一路輸入捕獲通道即可對紅外遙控信號進(jìn)行解碼。

2.5、LCD顯示

選擇LCD12864作為顯示模塊。該顯示屏支持中、英文字符顯示，顯示信息量大并且支持串行通信，控制十分方便。由于STM32主頻高達(dá)72MHz，故在本設(shè)計中選擇串行控制LCD12864，在滿足速度要求的條件下節(jié)省了IO口。除了將電源引腳、背光引腳接入系統(tǒng)電源并將PSB引腳接地之外，用單片機(jī)的3個IO口操作CS、SID、SCLK3個引腳便可實(shí)現(xiàn)對該顯示模塊的控制。

3、軟件設(shè)計

3.1、主程序設(shè)計

上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括時鐘配置、延時函數(shù)初始化以及調(diào)試程序時所需串口的初始化。然后進(jìn)行定時器的初始化，本系統(tǒng)中定時器分別用于PWM信號的產(chǎn)生、超聲波測距判斷高電平時間和輸入捕獲實(shí)現(xiàn)紅外解碼，故需要啟用3個定時器并進(jìn)行相關(guān)配置。在進(jìn)行LCD12864初始化和紅外接收初始化之后就進(jìn)入WHILE(1)循環(huán)，判斷當(dāng)前模式，若為自動跟隨模式，就對2個超聲波測距模塊測得的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行比例控制計算，并根據(jù)輸出量控制左右2個電機(jī)轉(zhuǎn)速;若為遙控模式，就根據(jù)紅外解碼得到的遙控器鍵值控制小車的運(yùn)動。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

3.2、測距程序設(shè)計

實(shí)現(xiàn)測距，要先給超聲波模塊TRIG端10μS以上的脈沖，模塊將自動發(fā)送超聲波并接收返回信號，測量高電平時間即可通過計算得到距離值。程序的關(guān)鍵是高電平時間測量，本設(shè)計將STM32接ECHO的IO口配置為外部中斷IO，上升沿觸發(fā)中斷后立即打開定時器，直到判斷ECHO為低電平時關(guān)閉定時器，此時定時器計數(shù)寄存器的值便可以轉(zhuǎn)換為高電平時間，進(jìn)而得到距離。

3.3、紅外遙控和小車運(yùn)動控制

本設(shè)計使用的遙控器是NEC編碼方式。對于NEC碼，在接收頭收到的信號邏輯1應(yīng)該是560μS低加1680μS高，邏輯0應(yīng)該是560μS低加560μS高。NEC遙控指令的數(shù)據(jù)格式為：同步碼頭、地址碼、地址反碼、控制碼、控制反碼。根據(jù)NEC協(xié)議內(nèi)容可以用定時器的輸入捕獲模式完成紅外解碼，同時掃描解碼結(jié)果，得到鍵值。實(shí)際測得本設(shè)計所用到的按鍵鍵值如表1所示。

表1 鍵值

小車左右側(cè)分別有一個驅(qū)動輪，利用電機(jī)驅(qū)動模塊可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及速度調(diào)節(jié)，2個電機(jī)配合即可實(shí)現(xiàn)小車各個方向的運(yùn)動。小車右轉(zhuǎn)的程序如下：

VOIDMOVE_RIGHT(VOID)

{

IN1=1;

IN2=0;//IN1、IN2對應(yīng)左電機(jī)，10正轉(zhuǎn)

IN3=0;

IN4=1;//IN3、IN4對應(yīng)右電機(jī)，01反轉(zhuǎn)

PWM_LEfT(50);

PWM_RIGHT(50);

｝

這段程序?qū)298N模塊的4路邏輯輸入進(jìn)行了配置并分別用占空比為50%的PWM信號控制左右電機(jī)。左電機(jī)正轉(zhuǎn)、右電機(jī)反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在小車上就是小車原地向右旋轉(zhuǎn)。同理編寫MOVE_LEfT()、MOVE_fORWARD()、MOVE_BACKWARD()等幾個函數(shù)供外部調(diào)用。

3.4、比例控制程序設(shè)計

當(dāng)一個機(jī)器人被設(shè)計用來自動維持某一數(shù)值，如距離、壓力等，它一般都包含一個控制系統(tǒng)。在本設(shè)計中該系統(tǒng)由傳感器和電機(jī)組成，可以通過處理器編程對傳感器的輸入做出決定，從而控制輸出。對小車采用閉環(huán)控制中最常用的比例控制算法來維持其與目標(biāo)物體之間的距離，比例控制框圖如圖4所示。

圖4 比例控制

以上控制環(huán)路將不斷調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速使實(shí)測距離趨近目標(biāo)距離，對左右電機(jī)用同樣的控制環(huán)路分別控制，將使小車能跟隨目標(biāo)物轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)，提高系統(tǒng)可靠性。程序設(shè)計如下：

GET_DISTANCE();//測距

DuTyCyCLE_LEfT=(SETDISTANCE-LEfTDISTANCE)*

KP+CENTER;//左側(cè)運(yùn)算

DuTyCyCLE_RIGHT=(SETDISTANCE-RIGHTDISTANCE)*

KP+CENTER;//右側(cè)運(yùn)算

PWM_LEfT(DuTyCyCLE_LEfT);

PWM_RIGHT(DuTyCyCLE_RIGHT);//更新PWM信號占

空比

……

4、系統(tǒng)測試

在環(huán)境溫度一定的室內(nèi)對小車的跟隨性能進(jìn)行測試，分別在不同跟隨距離下觀察小車是否能準(zhǔn)確跟隨，并測量響應(yīng)時間。系統(tǒng)測試結(jié)果如表2所示。

表2系統(tǒng)測試

5、結(jié)論

以STM32為控制芯片，設(shè)計并制作了一種可遙控智能跟隨小車。經(jīng)測試，在空曠地該小車可自動360°跟隨目標(biāo)物體，系統(tǒng)響應(yīng)快，保持距離準(zhǔn)確，同時小車可以由遙控器一鍵切換為遙控模式，使設(shè)計更為人性化。該小車成可實(shí)現(xiàn)多輛跟隨，可應(yīng)用于簡單的工廠搬運(yùn)或者超市、家居等生活場合。