【基于stm32单片机的智能小车结构设计13000字（论文）】

基于stm32单片机的智能小车结构设计摘要随着WIFI通讯技术、图像采集技术以及嵌入式技术的不断发展成熟，越来越多的智能产品出现在市场上，提高了人们的生活水平。智能小车就是典型的智能产品，其价格实惠、操作方便及可研究性强等的特性，成了很多高校学生的首选研究项目。本文设计了一款以STM32F103RCT6为核心控制器，具有自动避障功能、自动循迹可WIFI无线遥控探视的智能小车。主控制器STM32F103RCT6对直流电机进行驱动,USB摄像头作为探视仪，对智能小车周围图像信息进行采集。USB摄像头内置A/D转换元件，会将采集到的视频信息经分析后，通过WIFI无线传输技术，实时将视频图像传输到PC或Android手机上。实现对手机或PC上位机的控制的关键是它们能准确地将相应的控制信号传输到主控制器。系统的总体设计是由系统的硬件和软件设计组成的。具有自动循迹、避障可探视功能的智能小车对人们的生活有着积极意义的影响，它能够帮助人类完成一些未知领域、狭小空间、有放射性辐射等区域的生产任务。关键词：智能小车；循迹；避障；探视；STM32F103RCT6目录第1章 绪论 [17]。4.1.1PWM在避障功能中的应用在实验过程中，智能小车行驶的速度也会影响最终实验的成功，在小车的避障测试实验中，倘若小车的车速不能得到有效控制而导致传感器的灵敏度不足，此时避障功能将不能实现，严重的话还会导致小车撞毁，因此本设计采用PWM对智能小车的行驶速度进行有效控制，从而匹配出合适的红外感应距离来实现避障功能。4.1.2实现避障功能的程序流程及其相关代码为了更为直观的表达智能小车实现避障功能的程序，采用图4-1来表示其中的流程，如图4-1所示为智能小车实现避障功能的程序流程图，程序代码见附录所示。图4-1避障功能程序流程图4.2智能小车循迹功能的程序设计小车的底盘还配备了另外一个红外线传感器来实现循迹模块的功能，它的作用就是不断地向地表面发射红外线，因为我所设定的轨道是深色的，轨道对于红外线的吸收较高，也就只有很少一部分的红外线被反射回。若小车脱离了深色轨道，那么传感器就会接收到较多的红外线同时将此信号反馈给主控制器（STM32F103RCT6单片机），根据传感器所反馈的信号在循迹功能的程序中编写出相应的控制指令，做出左拐弯或右拐弯的行为，使得智能小车按照主控制器接收的特定信号自动循迹，从而继续沿着设定的轨道继续行驶。小车循迹功能的实现还需要在特定的环境中运行，若设定的轨道对光线的吸收率较低，那么智能小车就不能按照预期实现循迹功能，这就是细节决定成败。4.2.1PWM在循迹功能中的应用在采用PWM技术来驱动电机的情况下，驱动电机接收到的电源是间断的，如果配置了对应的频率，电源只能够输出相应的方波脉冲。相应的电机可以看作是容量极大的电感，根据大二上学期在电路这门课中所学的Lenz定律可知，电感具备阻断输入电流以及防止电压突然变化的作用，从而使得输送给直流电机的电压和电流保持稳定，如果有效配置EN1和EN2之间的占空比，就可以进一步有效地控制电机两端的电压，因此可以通过产生占空比不相同的方波信号来调节直流电机转动的速度，进而控制智能小车行驶的速度，使其能够稳定的进行循迹。4.2.2循迹功能的流程及其相关程序代码为了清晰表述出智能小车实现循迹的程序，采用图4-2流程图来表示，程序代码见附录所示。图4-2循迹功能程序流程图 4.3避障和循迹两个模块功能的比较相同之处：（1）均是通过利用红外线传感器发射接收管发射和接收红外线，从而向主控制器传输相关信号来实现，如果接收到大量红外线时，输出高电平且信号随之亮起来。（2）这两个模块的灵敏度调节都通过调节电位器（滑动电阻）来实现。不同之处：检测的对象不同，循迹模块主要是监测地面，而避障模块主要是监测智能小车前方是否存在障碍物。4.4探视功能的程序设计本设计的智能小车中探视功能的实现可以说在很大程度上依赖于WIFI传输技术，通过WIFI将图片信息传输到终端上（智能手机、PC）。数码摄像头具备了图像处理功能，能够将图像压缩和编码并通过A/D转换成图像信号。为了能够让数码相机能够全方位的采集智能小车周边的图像信息，还必须要搭载两个云舵机，让它得以上下、左右的来回转动。以此智能小车能够采集周围环境的图像信息而不仅局限于只能采集小车行驶前方的图片信息。如图4-3所示为智能小车实现探视功能的程序流程图：探视模块电源模块探视模块电源模块终端终端WIFI传输模块STM32主控制器WIFI传输模块STM32主控制器电机驱动模块直流电机组合直流电机组合图4-3智能小车探视功能流程图第5章智能小车系统各个功能的调试及结果首先，要先将组装好的智能小车做通电测试，确保各个部分都通上电，电路问题排查完毕后用USB线将电脑的USB接口和stm32单片机上的SP接口联接，将编译成功的程序烧录到小车的主控制器stm32单片机中，通过实验测试智能小车每个模块的功能，记录测试结果。智能小车的整体造型如以图5.1（右侧视图）、图5-2（左侧视图）所示：图5-1智能小车右侧视图图5-2智能小车左侧视图电脑USB接口与stm32单片机ISP接口的位置如图5-3所示，用数据线连接将它们连接，以便烧录程序。ISPISP接口USB接口口USB接口口图5-3智能小车的ISP接口与电脑的USB接口5.1智能小车避障功能的调试及结果传感装置是否足够灵敏，对于避障功能的实现起着相关重要的作用，若灵敏度过高则会一直处于报警的状态，若灵敏度过低则不能实现避障的目的。所以电位器的调节至关重要。要在实际环境中实现预期功能还是存在一定困难，因为预期功能的实现是在理想条件下实现的。所以要综合考虑各种因素，及时准备好相应的替代方案。如图下图分别为智能小车避障功能的测试过程。图5-4为智能小车碰到墙壁，图5-5为小车的避障功能发挥作用，小车做出反应，向左拐。图5-4智能小车前方遇到障碍图5-5智能小车向左拐5.2智能小车循迹功能的测试及结果循迹功能的测试：在开发过程中提前配备好具有循迹功能的相应代码内容。开启USB转ISP数据线，与计算机进行连接。开启运行FlyMcu工具，将编译好的程序生成hex文件并烧录进智能小车的主控制器stm32单片机中。在光滑平直的地板上设定轨道，通电驱动智能小车测试其的循迹功能。观察并记录智能小车表现，通过调整电位器来调节传感器的灵敏度，直到小车能够实现自动循迹。如图5-6即为在keil开发环境中的编写循迹功能的代码并编译成功的过程。图5-6在keil环境中进行编程用USB线将小车和计算机进行连接后，利用专业工具FlyMcu，对于设计完成的程序技术处理到小车的主控制器stm32单片机中，相应的操作页面如图5-7所示：图5-7成功将程序烧录进主控制器成功将程序烧录进智能小车的前提是，首先编译完成的代码需要和hex文件进行匹配，随后对于串口设计成COM3，设定合理的低电平复位，RTS高电平进BootLoader。以上步骤缺一不可，否则无法完成烧录的任务。该模块功能的实现中，与外部的诸多因素相关。举例说明自然光线、传感器质量等，图5-8为小车沿着标记线循迹、图5-9为小车沿着标记线进行拐弯。图5-8智能小车沿着轨道图5-9智能小车沿着轨道转弯循迹经过多次调节，智能小车能够沿着设定好的轨道（两条黑色胶带）进行行驶，即自动循迹，当轨道向右或者左边偏离的时候，小车将会相应地转变方向，这样就达到了循迹的效果。5.3智能小车探视功能和实时控制功能的调试与实现通过WIFI将智能小车与终端（智能手机）联结起来，在手机端向智能小车发送指令，控制它的行驶状态（左右转弯、前进后退），同时智能小车还能通过能够左右摇摆的摄像头采集视频、图像信息并传输到终端上（智能手机），从而实现对它的实时控制和探视功能。如图5.10、5.11记录相应的实验过程。图5-10智能小车探视功能场景1图5-11智能小车探视场景2第6章总结、展望6.1总结人无完人，金无赤足。在本次设计中，我对于这款智能小车所理想的功能是将避障、循迹、探视功能在同一个场景中实现。然而由于我所选控制器性能的限制和本人现实编程能力的欠缺，使得我暂时不能实现理想中的智能小车的功能，而只是比较原本的将各个功能在不同的场景单独实现，对于前文中提到的将智能小车应用在军事、科研等领域在现实上仍存在较大的差距。今后若有机会继续研究智能小车，我定会尽自己所能，结合当代的有关理论不仅实现我所理想的智能小车的功能，还在在此基础上为智能小车添加其他更为实用的功能。6.2展望设计方案的实用性再好，终究是一个我们人类研究道路上的一个工具，是汽车研究上的一个替代品，毕竟直接在汽车上做这类研究的成本较高，且研究的效率也会大大的降低。不过本次设计中，具备智能化循迹、避障等功能的小车，同时利用无线进行通讯连接将会改善我们的生活，带来诸多便利和新的创造，比如目前预想的无人驾驶智能车。倘若能在这类技术上有所突破，并将其应用到日常生产工作当中，那么我们现实生活中的家用车必定会更加的智能化。循迹、避障功能设计，属于小车设计过程中的重点所在，也是性能的重要保障。探视功能结合一些更充分的配置，可以进行远程操作处理。从而让人类更加复杂的环境下进行工作。作为电子信息工程专业的学习者，为进一步实现以上功能也是我个人的目标和将来工作投身的伟大事业。在今后的工作中，假如机会和条件允许的话，我将会继续深入该课题的研究，完善其具备的功能，并让它不断地向我心中理想的状态进步，同时也将从这个研究中学到的技能应用到日后的工作当中。第7章心得体会此次课题研究中，从选题到搭载这块具有多个功能的智能小车，最后实现这款智能小车所有预期功能的过程，一路并不容易，我全身心地投入到这款智能小车的研究、设计、开发，这是对大学知识的全面检测。设计过程中，涉及到构思、整体框架，预期功能和实现的可能性和方法等，以及面对各种突发状况。现在回顾整个毕业设计的设计与制作，当着手制作时，发现内心并没有当初那种对毕业设计避之不及的恐惧感，更多的是一种使命感。在这个过程中我的工作分为下面几种：（1）立项调研：在可供选择的诸多项目中，为何我对智能小车情有独钟？我要怎样实现它的基本功能并在此基础上实现其他比较实用的功能？对于搭建这款电子产品，我要做哪些准备？结合自己内心的想法以及指导老师的建议，这些问题的答案已经很清晰。比较实际的一点，我对硬件感兴趣，尤其是单片机。中国知网上有相关文献可参考，在社交平台知乎有经验丰富的各类电子设计高手，每当我遇到解决不了的问题，我总会向他们请教，毕竟每个电子设计高手曾经也是小白，我相信在这之前他们也一定有过和我类似的经历，只要态度诚恳，他们绝不会对于我的虚心求教视而不见；回顾撰写论文即搭建智能小车的整个过程，发现其实这个工作量也没有一开始想象中的大，因为在我之前已经有无数的前辈开辟出这条道路，而我，或许只是沿着这条路继续走下去。（2）研究现状：既然智能小车早在上世纪开始就已经被众多科学家所研究，那么，在本设计开始之前我必须对智能小车的研究现状做一个较为全面的了解。遗憾的是以目前的能力，我仍然无法实现智能小车在我想象中的功能。（3）硬件、软件设计：现实中有各种各样的硬件，而我首先要做的就是如何选取较为合适的器件来搭载这款电子产品，其次我必须掌握这些器件的相关理论知识，这样才能够对他们运用起来。幸运的是，搭载一款智能小车所需的成本并不是很高，以我目前的经济水平并不会为了购买相关器件而陷入窘迫。购买硬件，学习配件功能，同时对于不同的配件进行组装。连接电源，分析其中的电路故障问题。在软件方面，第一步设计需要的开发环境，对于硬件单元相匹配的程序及时编译，参考器件商家所提的代码源，到各个电子论坛寻求前辈的指导以及帮助。在错误后持续调整以及修改，最后完成任务。生成应用hex文件最后烧录到智能小车控制器中，经过多次改进，逐渐的，该智能小车所实现的功能渐渐地达到预期的功能。（4）实验与调试：在前面的设计工作完成后，设计是否达成了预期的目标，得看它的功能在非理想的现实环境中的实现。在开始构建这款电子产品的时候，总会先把一切因素都理想化，当早期的成品搭建出来后因与现实的不符合，总是出现各种影响实验失败的因素。因此实验的环节中需要记录保存不同的数据信息，关注每个可能会影响全局的细节，每次实验结束后也很难保证下一个根据数据设定的参数能否让实验成功。参考文献刘金强,聂诗良,潘泽友等.基于多传感器数据融合的智能小车避障的研究[J].传感器与微系统,2010(02):72-74.张东.传感器原理及应用[M].电子科技大学出版社,2013:23-29.刘怿恒,欧亚军.基于传感器信息融合的智能小车避障设计[J].电子世界,2012(11):4-5.潘元骁.基于Arduino的智能小车自动避障系统设计与研究[D].长安大学硕士学位论文,2015:14-16.于洋.基于Arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设计[D].吉林:吉林大学硕士学位论文,2017:22-29.陈懂,刘瑢,金世俊.智能小车的多传感器数据融合[J].现代电子技术,2005(06):9-11.赵建伟,班钰,王义等.基于Arduino的智能小车的控制系统设计[J].兵工自动化,2015,034(005):74-76,96.骆第含.智能小车的发展现状与趋势[A].贵州理工学机械工程学院第十二期期刊,2017.：1—2黄永涛.基于单片