【《基于STM32单片机的小型履带车辆避障系统设计》9900字】

基于STM32单片机的小型履带车辆避障系统设计摘要本文针对小型履带车辆进行避障研究，研究主要内容为核心控制板、检测模块、电机驱动的学习与使用、无人平台的搭建以及程序的编写。首先针对使用的小型履带车辆等器件进行设计思路的确定，主要设计思路为使用以超声波模块及二维激光雷达组成的检测模块对周围环境进行检测并返回数据，通过核心控制器进行环境判断与决策无人避障平台的运动状态。其次，进行实验中使用的各个模块的学习。完成各个模块的学习后，针对无人平台的避障控制逻辑进行设计。避障控制采用了仲裁器的思想，使每一个动作都有优先级，根据优先级控制无人平台的动作，进而实现无人平台的避障功能。最后，将各个模块在小型履带车辆上进行组装，搭建好无人避障平台并对各个模块进行软件的设计与调试，最终实现运动、检测、避障功能。关键字：STM32；无人平台；检测；避障目录第一章绪论 第一章绪论1.1课题背景及意义在当前的科学发展情况下，智能化设备有着准确度高、易维修、出错率低、成本地等优势，智能小车有了越来越多的使用环境，以智能化设备逐渐代替人工工作已经逐步发生。这其中智能小车有着较大的代表性。智能小车具有体积小，设计较为简单，功能强大等优势，现在已经应用于各类环境中，例如酒店的引导机器人，餐厅的服务机器人，电网所使用的巡检机器人以及国家工程中的探月小车等[1]。随着智能小车的发展，智能小车逐渐可以完成类似巡检、探测等工作。这些是重复率较高、危险性较强的工作，人在进行这类工作时产生问题的可能性较高，产生问题时可能会造成重大损失或者是不适合人直接参与到具体的工作中。随着检测设备的发展，避障小车的信息采集有着更高的准确度与全面性，有利于避障小车的控制难度的降低与精确，同时避障车辆作为各种智能设备的基本平台在设计中必不可少的环节，具有重要的研究意义。此说明书主要说明一种基于嵌入式的适用于户外地形的避障小车的实现，为户外环境下搭载的智能化设备打好基础。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状针对于无人平台，国外的发展较早。无人平台早期作为搭载武器的形式开始发展，主要运用于军事领域。无人平台最早在1980年就开始探索了，最先探索的国家是美国，它首先开启了无人平台在军事方面的使用。在二十世纪八十年代，自主地面车辆(ALV)计划由美国国防高级研究计划署(DARPA)提出并激起了无人平台在美国的的发展动力[2]。从那时起，美国在自动驾驶研究方面拥有较好的条件。自2004年以来，针对自动驾驶汽车的DARPA无人车挑战赛就已展开，无人驾驶汽车逐渐形成了正式的研究方向。2007年，在美国的一个废弃的空军基地内卡内基梅隆大学的Boss在遵守所有交通规则的条件下，检测和主动避让其他车辆进行智能决策，最终Boss的平均速度为22.53km/h并顺利取得第一的名次，顺利完成了第三届DARPA无人车挑战赛。2016年，谷歌无人车完成了行驶322万公里，驾驶技术已经达到了一个驾龄时间较长司机的水平[3]。无人平台除了运用于无人驾驶车辆还常用于搭载智能化设备方面的设计。美国K5机器人可以在全天候户外巡检，实现在既定路线下进行巡逻并针对相关异常现象进行检测。日本的X2安防机器人主要运用于夜间环境，主要工作是开展安防巡查，通过自身设计所携带的金属探测器，可以对危险物品进行准确探查和抓取[4]。现在无人平台主要分为两种，一种是以摄像头为主外加其他检测设备进行环境感知;另一种环境感知的方法则是以成本较低的激光雷达为主。1.2.2国内研究现状在"八五"期间，国内多所高校联合开发的ATB-1无人驾驶车辆，车上搭载了二维彩色摄像头，陀螺，超声波雷达等多种传感器，使用计算机系统完成多种传感器的信息融合，可以使信息的采集更为精确，同时可以完成针对线路的全局路径规划与进行避障的局部路径规划等工作。通过实验，在自主检测与行驶的情况下平均速度最快可以达到21.6km/h，转弯时对的速度可以达到12km/h。"九五"期间，ATB-2系统使我国研制的第二代无人驾驶车辆。在正常道路行驶最高速度可达74km/h，平均速度可以达到30.6km/h，在野外环境下，白天的自主驾驶的最高速度为24km/h，夜晚为15km/h[5]。2011年，红旗HQ3完成了起始点为长沙目的地为武汉的全程高速无人驾驶实验，全程平均时速可达87km/h，使我国的无人平台研制迈进了新的一步[6]。在其他领域中也经常使用无人平台，2018年4月，全球第一款无人驾驶电动港口牵引车正式在天津港进行试运行，2019年底，最先实现了无人行李传输的运行的是香港的机场，并且香港机场率先在机场的物流区撤销了属于安全员的岗位。2020年，无人驾驶物流车在长沙黄花国际机场逐步开始使用，引来行业内的众多关注。GPlus无人物流车作为无人物流车中使用了较为先进的技术，此物流车融合了固态激光雷达技术提高了对于复杂环境的感知能力，确保无人物流车在复杂路况下的安全通过性能，并极大地降低物料成本、人力调校成本等[7]。在搭载智能化设备方面，中国航天科工集团公司研究出“雪豹-10”排爆机器人，该机器人使用的是以履带作为基础可以轻松移动于沟壑，台阶等复杂路面，拥有6自由度机械臂同时配有多种机械手可以应付多种目标物体[8]。在我国航空计划中，中国科学院的CASIA-I自主移动机器人拥有三层传感系统分别使用红外传感器，超声波传感器组成，全方位覆盖并使用模块化设计使系统有足够的稳定性[9]。1.3论文主要内容本文基于ARM芯片构建无人避障履带平台，研究履带车辆的环境检测、无人避障方法及电机控制方法，主要从超声波及二维激光雷达的测距原理、电机控制方法、避障算法进行研究。第一章:绪论。主要介绍无人避障平台的研究背景及意义，阐述国内外发展过程及发展现状。第二章:整体方案设计及分析。介绍无人平台的系统框图与无人平台的结构图及无人平台的实现功能，分析超声波及二维激光雷达测距原理及使用方法。介绍无人平台选取的STM32控制器、电源模块、电机驱动及控制模块第三章:避障逻辑设计。介绍无人平台的避障逻辑设计原理及设计思路。第四章:软件设计思路及实验。介绍无人平台的系统框图、结构图及实现功能。介绍超声波及二维激光雷达测距原理及使用方法，设计选取的STM32控制器、电源模块、电机驱动及控制模块。分析无人平台的避障实验并结合实验结果得出结论。第五章:总结。对本文主要研究内容及实验成果进行总结，针对于研究内容未涉及到的内容和不完善的内容进行分析。

第二章整体方案设计及分析无人平台依托小型履带车辆进行避障功能的实现，通过无人平台设计过程中使用的核心控制器、电源模块、检测模块与电机驱动与控制模块之间的配合最终实现避障功能。2.1系统结构分析根据无人平台实际需求，本车辆最终实现运动、检测、避障功能。无人平台主要分为核心控制器、电源模块、检测模块、电机驱动及控制模块四个部分[10]。本说明书主要说明系统如图2-1所示。图2-1系统结构图通过系统结构图所知，核心控制器采用STM32控制器，检测设备通过二维激光雷达及超声波测距模块组成。STM32控制器由电源模块供电，二维激光雷达和超声波传感器组成的检测设备模块对小车所处周围的环境感知并且控制器得到检测模块的数据。控制器通过检测模块传回的数据加以判断并控制小车的行驶状态。STM32控制器在决策后执行对应指令，通过对管脚电平控制达到驱动信号及PWM的输出来控制电机的状态。2.2小型履带车辆无人车辆作为自主避障控制研究的前提，是要针对研究内容及使用环境进行选型，由于本次设计是在户外条件下自主运行，故选择适合户外的小型履带车辆。履带车辆具有运动平稳，速度快，承重力强，通过性强，拥有适合户外使用的优点。本次所使用的履带小车型号是WT500，长宽高为500*300*105mm，车身材质采用厚度2mm的不锈钢板，履带使用的是宽度为40mm的锌合金履带，运行速度为最大为1m/s，车身重量为8.5KG，最大载重为20KG，额定电压为12V，额定功率为40W。图2-2小型履带车辆2.3电源模块电源作为无人避障平台能源的基础，分别给控制核心STM32F4、超声波模块、二维激光雷达与直流电机供电，在设计中有着不可或缺的作用。在此次设计中使用的是20Ah的锂电池。电池主要通过两个方向供电，一个方向是给控制核心、超声波模块、二维激光雷达低电压供电，另一个方向是由电池直接给小型车辆的电机供电。驱动板高电压端分别连接电池输出与电机输入。电池电压通过降压电路使电压降到5V给控制核心器等低电压用电器件供电。STM32核心控制器通过输出管脚对电机驱动板施加信号进而对电机控制，驱动板每路控制信号均有光电耦合隔离芯片，将高电压与低电压隔离。2.4无人平台子系统设计2.4.1主控系统主控系统作为本次设计的核心部件，主要负责采集外部传感器传送回来的数据，通过逻辑判断，控制开发板的输出管脚的状态使电机驱动模块正常工作，让小车按既定的逻辑运行。其中本次设计采用的主控系统的芯片是ST公司推出基于CortexM4内核STM32F4系列产品中的STM32F407ZGT6，相比于CortexM3内核的STMF1/F2等产品，基于CortexM4内核新增了硬件FPU单元以及DSP指令，此外主频由STM32F1的72Mhz提升到STM32F4的168Mhz，使STM32F4与硬件FPU单元及DSP指令相配合，提高处理能力[11]。实验中使用的是搭载了STM32F407ZGT6的ALIENTEK探索者STM32F4开发板。该开发板具有集成FPU和DSP指令，增加数据的处理能力与处理效率尤其式针对的浮点数的计算与DSP的处理。此开发板除了较强的运算速度及较多的外部设备还具有较多的其他功能，在本实验中完成后还可以在后续针对无人平台的使用中进行开发。2.4.2检测模块设计与分析检测模块主要检测周围环境情况，本次实验主要检测内容为障碍物，通过传感器自身的测量原理得到测量内容传递给主控芯片，主控芯片根据直接或间接得到数据内容进行无人车辆的运动决策。检测模块是由超声波模块和二维激光雷达共同组成。2.4.2.1二维激光雷达激光雷达在无人平台上的应用比较广泛，主要是用于对周围环境的检测，可以用来构建二维地图。激光雷达在使用时通过发送激光，激光在物体上反射，再由接收激光器接收激光信息，通过内部计算得到数据部分，使用串口通信将数据传回。激光雷达测距采用三角测距技术[12]，三角测距技术示意图如下。图2-3三角定位原理图激光雷达通过激光发射器发送激光，A、B、C依次为三个障碍物，激光在三个障碍物表面的发射下到达视觉采集系统，在视觉采集系统的接收下可以得知关于障碍物的位置，由于激光发射器是发送的激光与激光发射器和视觉采集系统所在直线是垂直的并且激光发射器和视觉采集系统的距离是已知的即的长度已知，到障碍物的距离可以在上述条件下获得。本次使用的是由上海思岚科技有限公司开发制造的RPLIDARA2M8激光雷达，该激光雷达范围为20厘米至12米，每秒可以执行8000次的探索测距。激光雷达针对于不同的模式有不同的的报文形式，在向激光雷达发送指令后，激光雷达执行指令后开始测距并返回报文。返回报文分为两部分，分别为数据报文及应答报文，应答报文是对二维激光雷达发送对应指令后，二维激光雷达返回的确认信息。数据报文是用户需要的距离测量数据，它由激光雷达生成并返回到MCU。每一次的数据报文内容都包括测距得到的几何信息及必要的标志位，普通测距可以采用扫描模式，使用MCU给二维激光雷达发送扫描测距命令代码，雷达返回报文为对应应答报文和数据报文。扫描模式的响应模式为单个请求-多个响应模式。如果发送一次请求消息，则响应信息将是一条响应消息和多条数据消息，直至其他请求的到来或二维激光雷达出现故障进入保护性停机状态的时候会打断之前的命令进入待命状态。当二位激光雷达得到新的命令时，二维激光雷达会退出上一次的状态，进入待命状态，随后才执行新的测距命令。与每个命令相对应的响应数据格式是固定的，在扫描模式下返回的数据内容一次包含5个字节的数据。返回数据结构如下图所示。图2-4数据报文格式5个字节包括以下内容:S是开始扫描的标志，对于0度的扫描角度，S=1，对于其他角度，S=0。第二位是S的反，它主要与S结合使用以确定数据消息的起始字节。Quality代表本次采样点信号质量的返回值，与接受激光信号质量有关。C值始终为1并作为校验位，也可以用于判断数据响应消息的起始字节。angle_q6表示测距方向，distance_q2则表示测距距离[13]。下图表示测距与角度的定义。图2-5二维激光雷达角度定义在本次设计中，二维激光雷达采取的是强制扫描模式。强制扫描模式具体工作情况与返回报文形式基本与扫描模式相同，唯一一点的不同是:扫描模式会自动检测二维激光雷达的转速是否稳定，只有转速稳定的情况下进行测距，而强制扫描模式不会检测二维激光雷达的转速情况。2.4.2.2超声波模块超声波模块最常用于无人平台探索并躲避障碍的过程中。超声波具有检测频率高，稳定性高，相对精度高，检测方向好，成本低的优点[14]。超声波模块使用HC-SR04模块，最大检测范围为4米，最小探测角度为15度，检测误差为0.3厘米。该模块主要分为两部分，一部分用于发出超声波，另一个用于接收超声波。超声波模块具有四个输入和输出：VCC，GND，Trig和Echo。当给Trig输入超过20微秒的高电平信号超声波的发射头会发出8个40Khz的超声波信号，信号遇到障碍物时会返回，当超声波接收头接收到信号时，接收管脚Echo由低电平转化为高电平信号，高电平持续时间与障碍物距离成线性关系。超声波测距模块的测距范围比激光雷达小，由于激光雷达采集回来数据时需要在MCU中进行分析及计算，故每次数据采集时间较长。超声波在MCU中的测距速度要比激光雷达快，可以作为激光雷达的补充，可以使小车的反应速度更快。2.4.3驱动控制系统驱动系统作为无人平台的基础，在户外条件下进行正常运动工作，为智能化设备在户外的使用做好前提。驱动控制系统包括主要是直流电机与驱动板。本次实验使用的履带车辆为20Ah锂电池供电。本次实验中所使用的驱动电路板时AQMH2407ND双路隔离直流驱动模块，该驱动板对于整体设计与使用过程中较为方便，尺寸较小并且高度低可以轻松放置于小型履带车辆的内部，符合此次设计中使用的输入电压，可以通过ARM控制器的进行双路电机接口的同时控制，每路电机的输出额定电流最大可以支持7A[15]。控制信号逻辑较为简单，与常用电机驱动模块L298N相似，输出状态是由控制器输出的两条状态线与一条控制速度线共同控制，正转、反转、制动。ENA与ENB可以通过外接对应的PWM信号来控制电机的输入电压，控制信号为TTL信号可以由单片机管脚直接进行驱动，全部的控制信号都有光电耦合器直接进行电气隔离，将电机端的高压信号与单片机端驱动电压的低压信号进行隔离。以下为电机驱动模块的信号接口图。+5V和GND作为MCU的输出信号的比较电压不作为驱动板电源，三路信号输出高电平电压为3.3V时，+5V端口连接的电压为3.3V，否则会产生单片机信号输出正常但是电机对应的工作状态不正常的情况。ENA与ENB两路速度控制信号接收到MCU输出的速度控制信号对电机进行控制。IN1—IN4连接MCU状态控制信号控制电机的正反转，通过控制每路电机的两个控制端口来控制电机状态。两路电机控制逻辑状态表如下。表2-1控制状态逻辑表IN1/IN3IN2/IN4ENA/ENB输出状态00×刹车11×悬空10PWM正转调速01PWM反转调速101全速正转011全速反转2.5本章小结本章介绍了根据设计要求所选择并使用的硬件的原理及使用方法，主要涉及到系统框图及原理图中所使用的以二维激光雷达及超声波模块所组成的检测模块，电机及双路隔离直流驱动模块组成的运动模块，电源模块及作为核心控制器的STMF4芯片，确认设计思路及使用方法。下一章主要介绍避障逻辑的设计原理及设计过程。

第三章避障逻辑设计在无人避障平台使用过程中，通过自身加装的环境检测设备检测周围环境状况，将数据传输回MCU进行决策，驱动电机进行动作，躲避障碍物，障碍物躲避完成后继续前进。在本次无人避障平台设计中，使用上述设计思路并借鉴仲裁器设计思路进行避障逻辑的软件编写[16]。3.1仲裁器机制仲裁器主要是针对无人避障平台运动状态的管理与驱动。无人避障平台在运动过程中主要有前进、左转、右转、后退及停止四个动作，在检测模块所检测到周围不同环境下进行不同的动作。在检测周围环境下，返回数据中优先使用和判断某一个数据成为整个无人平台是否正常运作及车辆是否处于安全状况的重要问题。仲裁器的使用可以轻松解决优先级的问题。在当前仲裁器的使用过程中主要出现两种策略，第一种策略为将得到的命令进行有选择的执行一个行为发出的命令，第二种策略为将各个行为设置优先级，当不同的命令进行时，优先执行优先级高的命令。此次主要是使用第二种策略进行对无人平台的控制。基于优先级的仲裁器机制如下图所示图3-1仲裁器机制图假设行为1、行为2、行为3的优先级顺序如下:行为1>行为2>行为3行为运行过程图如下:图3-2行为运行图在行为执行过程中，优先级较高的会优先执行，在没有其他命令的前提下，行为1、行为2、行为3中任一命令到来时会直接执行;当行为3在执行时，当行为1或行为2到来时会打断行为3的执行优先执行行为1或行为2，同理行为1的执行会打断行为2和行为3的执行。3.2仲裁器设计针对此次设计中的无人避障平台来讲，二维激光雷达与前侧的超声波传感器的优先级最高，其次是左侧与右侧的超声波传感器，优先级最低的是后部的超声波传感器。行为1为停止与前进，行为2为左转和右转，行为3为后退。图3-3运行图仲裁器软件设计原理使用以下思路：使用二维激光雷达与前侧超声波传感器对前方进行检测，当二维激光雷达与前侧超声波传感器测量距离大于设定距离时执行前进指令，反之，二维激光雷达无测量值或二维激光雷达与前侧超声波测量距离不一致时执行停止指令，使小车保持静止，直至二维激光雷达与前侧超声波测量距离均大于设定值才继续执行前进指令。在二维激光雷达与前侧超声波测量值均小于设定值时，对左侧与右侧超声波收集回来的数据进行判断，满足左转或者是右转条件的情况下进行方向调整，如果没有条件进行后退动作。本次设计中，为针对进入前方、左侧或右侧均有障碍物的地形，小车会保持前进，后退，再前进，再后退的情况，对后退完的情况进行判断并进行方向调整。3.3本章小结本章主要介绍仲裁器机制并借鉴仲裁器思想对避障设计思路进行确定，同时针对特殊障碍物情况进行软件思路的调整，下一章主要介绍关于软件设计内容及实验结果。

第四章软件设计及实验通过学习无人避障平台研究过程中使用的硬件原理，可以为软件的开发奠定基础。硬件的确定是软件开发的基础，同时也是无人避障平台实现的基础。软件则是无人避障平台实现的必要内容。软件部分主要实现的内容如下:主程序模块软件设计、超声波模块软件设计、二维激光雷达软件设计、电机模块及避障控制软件设计。软件设计是通过ARM开发工具Keil5进行开发，将代码在软件内编写并编译，通过专用的下载器将编译后的文件下载到STM32单片机内部，单片机上电后自动运行，通过单片机上屏幕显示采集回来的数值及无人平台运动状态进行判断信息采集是否正确。最后在完成软件设计与实验平台的搭建工作后，将针对程序进行编写并进行调试。4.1主程序模块设计图4-1主程序流程图主程序模块主要是负责整个程序的联系、程序运行前的准备工作及部分显示程序，使整个程序按照编写顺序及内容运行。此次设计使用的是STM32F4的芯片，主程序将整个系统时钟配置在168Mhz，其他部分的程序是按照系统时钟配置工作频率，保证了整个程序的正常运行。除了配置时钟还要使用滴答定时器可以配置出精确的延时程序，将所有使用到的定时器及输入及输出管脚进行初始化，串口及DMA的初始化，最后在主程序内执行的程序，其中的程序为屏幕的显示程序。4.2超声波模块软件设计图4-2超声波模块流程图本次实验中使用的超声波共有4个，这四个超声波分别分布于无人避障平台的前后左右四个方向，分别测量四个方向的距离。使用了不同的GPIO管脚作为输入及输出管脚与定时器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5相配合，其中输出管脚即连接超声波Trig的管脚配置为GPIO输出模式，输入管脚连接超声波模块的Echo管脚配置为定时器复用的浮空输入模式。改变输出管脚为高电平状态并延时20微秒改回低电平状态，使超声波模块发出超声波，输入管脚接收超声波信号通过定时器计时得到距离信息。四个超声波使用的工作方式相同差距只是在输入输出管脚不同，在这里就不进行一一说明。4.3二维激光雷达软件设计二维激光雷达的连接线共有5条，两条为电源线与电线、一条为接收PWM波控制电机转速的信号线，最后为两条串口通讯线。由于二维激光雷达的工作模式，MCU通过串口向雷达发送A520使其启动强制扫描模式，二维激光雷达数据的采集采用DMA的方式将串口接收到的数据进行存储，把DMA中的数据进行处理得到距离数据，再发送命令进行数据采集。根据数据报文格式的拆分及对数据进行位操作处理得到最终数据。串口功能是使用管脚复用功能将串口功能与管脚复用，使管脚可以接收和发送串口数据。图4-3二维激光雷达流程图4.4电机模块及避障控制软件设计图4-4电机控制流程图电机模块程序主要针对的驱动板使用的输出管脚进行配置，双通道驱动板共使用六个管脚，其中四个管脚主要进行状态控制，其他的管脚配置为PWM输出模式将改变PWM占空比并输出到ENA与ENB对电机进行控制调速，对于IN1—IN4的的管脚输出配置为推挽输出模式。速度控制管脚采用与定时器复用的PWM输出模式。其中MCU主频是168Mhz，定时器时钟设置为84Mhz，分频系数采用84，计数频率为84M/84=1Mhz，记一次数为1微秒，重装载值使用3000，整个周期为3毫秒，由电机模块程序定义运动状态修改占空比。电机模块程序主要定义无人避障平台的运行状态，运行速度等参数。避障逻辑主要是通过超声波及二维激光雷达数据测量的数据在仲裁器的思路上进行编写程序并控制运行状态。4.5实验调试实物搭建如下图所示。图4-5实物图侧视图图4-6实物图正视图图4-7实物图俯视图4.5.1实物功能测试测试实物在不同情况下遇到障碍物的避障能力验证避障程序的正确性。下图为避障路线的示意图。黑色三角形代表无人小车，黑色线条为行驶路线，方框部分为障碍物部分。此次实验避障距离为50厘米，右侧检测为30厘米。图4-8避障路线示意图下面为实验得到的无人避障平台的路线图。图4-9实验第0秒图4-10实验第3秒图4-11实验第4秒图4-12实验第6秒图4-13实验第8秒4.6本章小结本章主要介绍各模块的功能与设计思路，结合各部分硬件的原理及使用方法编写对应的软件程序，由各个模块之间的软件设计共同组成整体程序并通过已经搭建好的硬件平台进行调试，实物调试结果基本完成避障功能。

总结随着智能化小车在生活和生产中应用越来越多，无人小车的应用也逐渐增加，根据设计要求无人小车的设计也变得多样化。本说明书以小型履带