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整个赛道。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、机械结构设计、硬件电路设计、软件设计以及系统的调试与分析。机械结构设计部分主要介绍了对车模的改进，以及舵机随动系统的机械结构。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、硬件结构及其开发流程。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，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，在老师的指导下，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，传感器可以随动跟线，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采集传感器。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，通过采集这个电压的变化情况来区分红外光点的位置情况，以达到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较常见，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麻烦的方法来判断光电的位置。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断的最远距离比较小，也就是通常所说的前瞻不够远。方案二：选用激光作为路径识别传感器。激光传感器的工作原理和红外传感器的工作原理基本相同，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、激光光束的直线性十分好，发射出去的光线发生散射的程度可以忽略；2、经过调制后的激光受环境其他光线干扰的程度也十分低。3、激光传感器可以让赛车的前瞻达到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，所以最终我们选择的是拥有绝对优势的激光传感器作为路径识别传感器。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：传感器可以活动的可动式。传感器可动式主要是依靠舵机带动而活动，也就是最近这两届比赛中开始出现的“摇头”（又称“摆头”）式。通过控制相应的舵机达到控制传感器角度的效果，调节传感器的角度可以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 传感器安装图1.4 项目功能模块化设计（1）MC9S12XS128主控模块:作为整个智能汽车的“大脑”，将采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”，可以通过一定的前瞻性，提前感知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依据和充足的反应时间。（3）电源模块:为整个系统提供合适而又稳定的电源。（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。详细如下：（1）激光传感器：该智能车通过激光传感器对道路信息进行采集。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。由此来对道路信息采集与处理。（2）舵机控制：本车采用摇头舵机和转向舵机相互协调的方式控制车模在不同的弯道给出合适的转角。摇头舵机作用是追寻赛道，转向舵机根据所采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。（5）MC9S12XS128最小系统：这部分是整车的核心。它主要实现对采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 车膜整体结构图 2-2 车模实物图硬件资源：（1）1 个 HL-380H 车模的基本支架；（2）1 个 RS380 高速电机；（3）1 个 MG995 舵机；（4）1 个配套电机齿轮；（5）1 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（适合 4.5MM 板子）序号 名称 数量 备注1 前支架 H 型 1 大小部件共 12 个2 杯式轴承 4*11*4 23 双通铜柱 M3*16 24 双通铜柱 M3*20 45 双通铜柱 M4*30 26 螺丝 M3*8 12+17 螺丝 M3*12 1+18 螺丝 M4*12 6+19 螺丝 M4*25 2+110 螺帽 M4*12 普通 4+111 螺帽 M4 自锁 2+112 螺帽 M3 自锁 1+113 舵机 MG995 114 65mm 车轮 2表 2-12.2.3 车轮及底盘调整540 后支架配置序号 名称 数量 备注1 540 后支架 1 共 4 个部件2 540 电机 1 检查螺丝是否上在电机上3 3.17 齿轮 11T 14 5*120mm 光轴 15 5*11*4 杯式轴承 2检查轴承和光轴是否有配套6 5.1mm 锁紧扣 37 5mm_72 齿轮 2 检查齿轮有没有坏齿8 齿轮插销 1+19 5mm 联轴器 210 机米 M3*3 4+111 机米 M3*6 2+1 短销的 1+1 长销的是 2+112 3mm 机米扳手 113 M3*25 双通铜柱 214 M3*30 双通铜柱 215 M3*12 螺丝 2+116 M3*8 螺丝 8+117 M4*6 螺丝 2+1 固定轮子在联轴器18 65mm 橡胶轮 2表 2-22.2.4 RS540 电机图 2-3 电机实物图电压 转数（转/分） 电流3V 8400 1.30A4.5V 12400 1.47A6V 16500 1.60A7.5V 20800 1.70A表 2-32.2.5 电池电源图 2-