基于STM32智能车设计与实现本科毕业设计论文.docx

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基于STM32智能车设计与实现本科毕业设计论文

浙江万里学院

本科毕业设计（论文）

论文题目基于STM32智能车的设计与实现

（英文）DesignandImplementationofSmartCarBasedonSTM32

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

智能车是一种集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了微处理器、现代传感器、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。

本论文提出了一种基于STM32嵌入式微处理器的智能车的设计。

系统分为两部分：

车载主机系统和手持主机系统。

车载主机系统主要以履带式车轮为其机械平台，结合主控电路、超声波避障、无线通信、语音播报、GPS数据采集、碰撞保护功能，完成车载主体功能。

手持主机系统主要包括无线通信、数据显示模块、体感操控，它主要负责控制智能车的运行姿态，实时车载数据的采集。

整个方案的控制器核心为意法半导体公司的STM32F103VCT6处理器，利用其高速的数据处理能力和丰富的集成外设接口资源，充分发挥智能车的性能，也有利于智能车的程序设计和功能扩展。

论文首先介绍了智能车领域的国内外研究现状，然后介绍智能车控制系统总体设计框架和整个开发流程，再是介绍了智能车系统硬件电路设计和软件设计流程和思想，最后介绍智能车系统的制作与调试以及对本次毕业设计总结。

关键词：

STM32F103;GPS定位;智能控制;uCOS-ii实时操作系统;

Abstract

Thesmartcarisasetofsituationalawareness,planninganddecision-making,multi-leveldriverassistancefunctionsinanintegratedsystem，Itisatypicalhigh-techcomplexoffocusingontheuseofamicroprocessor,modernsensors,informationfusion,communications,artificialintelligenceandautomaticcontroltechnology.

ThispaperpresentsadesignofsmartcarbasedonembeddedmicroprocessorofSTM32.Theentiresystemisdividedintotwoparts:

CarhostsystemandHandheldhostsystem.ThecarhostsystemismajortocrawlerwheelsforitsmechanicalplatformtoCompletemainfunctionofVehiclemoduleCombinewithThemaincontrolcircuitmoduleultrasonicobstacleavoidance,voicebroadcast,GPSdatacollection.Handheldhostsystemmainlyincludesdataofreceivermodule,dataofshowmodule,controlofintelligentvehiclemoduleandadditionalentertainmentaudioandvideomodule.Handheldhostsystemismainlyresponsibleforrunningposturecontrolthesmartcar,real-timedataacquisitionofvehicleandhandheldentertainmentofaudioandvideo.ThemaincontrollercoreisSTMicroelectronics’processorofSTM32,Itshigh-speeddataprocessingcapabilitiesandawealthofintegratedperipheralsinterfaceresources,givefullplaytotheperformanceofthesmartcarsmartcar,butalsoconduciveprogrammingandextensions.

Thepaperintroducesthefieldofsmartcar’sstatusofresearchandthecontrolsystemdesignframeworkandtheentiredevelopmentprocessofsmartcar,Thenitintroduceshardwaredesignofthesmartcar’ssystemanddesignprocessesandideasofsoftware.Finally,theproductionofthesmartcarsystemanddebugging,aswellastheSummaryofgraduationDesign.

KeyWords：

STM32F103；GPSpositioning；IntelligentControl；Real-timeoperatingsystem

1绪论

1.1课题国内外研究现状

1.1.1智能车系统国内研究现状

我国开展智能车辆技术领域的研究起步较晚，起始于20世纪80年代。

而且大多数研究都处于单项技术研究的阶段。

虽然在总体上我国智能车辆技术方面落后于发达国家，也存在着一定得技术差距，但是到目前为止也取得了一系列的成果，主要有：

（1）我国第一辆自主驾驶轿车由中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003年研制成功。

该自主驾驶轿车在高速公路正常交通情况下，行驶过程中都得最高稳定速度为13km/h和最高峰值速度可达170km/h，并且具有超车能力，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。

（2）7B.8军用室外自主车由南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等国内多所高等院校联合研制，该车配备彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等高端传感器。

计算机系统采用两台Sun10工作站，并完成信息融合、路径规划，同时具有两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机主要完成定位计算和车辆自动驾驶。

其系统体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，使其直线跟踪速度达到20km/h，而避障速度达到5-10km/h。

智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。

目前，国内众多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。

随着ITS研究的兴起，我国已形成一支对ITS技术有专门研究的技术专业队伍。

并且通过越来越多的汽车企业和交通部门对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会对智能车辆的关注程度在不断提高。

相信各方的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平将会得到很大提高。

可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。

我们要结合我国国情，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。

1.1.2智能车系统国外研究现状

国外智能车辆的研究历史相对与国内较久，始于上世纪50年代。

它的发展历程大致可分成三个阶段：

第一阶段20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。

1954年美国BarrettElectronics公司研究开发出世界上第一台自主引导车系统AGVS（AutomatedGuidedVehicleSystem）。

该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。

早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。

随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。

第二阶段从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆进行卓有成效的研究。

欧洲的普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。

在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。

在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。

进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。

第三阶段从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。

最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（CarnegieMellonUniversity）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。

目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。

这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。

在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：

德意志联邦大学的研究1985年第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。

1988年在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。

这两种车辆都配备了UBM视觉系统。

这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。

荷兰鹿特丹港口的研究智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。

荷兰的Combiroad系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。

荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。

日本大阪大学的研究大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（DeadReckoningSystem），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。

另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。

1.3本文研究内容

1.3.1内容分析

本课题开发设计一种基于STM32的智能车系统，实现语音提示，超声波避障,UI界面触控，陀螺仪体感操控，碰撞保护，液晶数据显示一系列功能。

从整个系统的模块划分上来看，主要包括车载主机和手持主机两大主控。

车载主机是本系统主要实现功能对象的主体，在手持主机通过NRF34L01无线发送模块发出三种主要指令，当指令为陀螺仪体感操作指令时，智能车的运行受到手持主机中陀螺仪传感器的控制，当指令为超声波自动避障时，智能车车载主机的超声波模块运行，采集环境数据给主控，经过程序代码算法的运行实现超声波自动避障，当指令为UI界面控制时，触控界面的方位按钮可以实现智能车的运行姿态，无线模块发送模块是连接车载主机和手持主机的桥梁，通过一系列的指令实现车载主机的运行状态以及数据的实时采集。

根据毕业设计任务要求，本课程主要需完成系统中超声波自主避障、车载GPS定位数据采集、陀螺仪体感操控、UI界面触控、语音提示等基本功能。

1.3.2开发流程

整个系统的开发是基于STM32平台搭建的，首先要了解这款ARMCortex-M3内核的微处理器的架构以及编程的方式和微处理器所用到外设模块的寄存器，智能车的驱动是依靠高电压、大电流电机驱动芯片L298N，需要了解驱动芯片的外围电路原理及电气特性。

在功能模块中需要GPS数据的采集，GPS协议也是我们完成本设计的重要模块，GPS模块串口数据的输出以及主机采集GPS的数据的方式。

防碰撞功模块在智能车发生意外事件时产生报警信号迫使运行中的智能车停止。

以上内容在本文的后续章节有详细介。

本系统的完成，有诸多模块需要有外围电路才能正常工作，需要设计相应的外围电路，该内容在本文第3章有详细的电路原理图分析，包括车载主机和手持主机核心板的设计、语音模块的设计、GPS定位模块的设计、陀螺仪体感模块、液晶触摸屏模块及NRF24L01无线模块电路设计。

在本文第4章介绍了本系统的软件设计。

2系统总体设计

本课题研究基于STM32的智能车的设计与实现，本章描述该智能系统的总体设计。

第一节描述智能车的各种模块，第二节是提出智能车的总体设计方案，第三节是简要叙述车载模块的硬件设计，第四节是整个系统的软件设计，第五节对方案中的关键技术进行了讨论，第六节分析整体方案的可行性。

2.1系统对象描述

智能车系统采用手持主机和车载主机相结合，车载主机接收手持主机发出的指令实现系统功能，超声波模块实现智能车的自动避障功能，车载GPS定位模块完成智能车经纬度数据的采集，陀螺仪体感模块采用ST公司生产的L3G4200DTR，输出接口方便应用，无线模块使用2.4G频段NRF24L01模块集成SPI接口，语音播报模块是语音解码芯片WT588D，外挂Flash存储语音数据，UI界面图形控制等方式实现智能车的运行轨迹，手持主机接收车载主机上传的数据信息，并在手持主机UI界面上显示实时数据。

系统设计上考虑到程序方便移植，主控芯片都为意法半导体公司的STM32F103。

2.2总体方案设计

本系统采用手持主机控制系统和车载主机控制系统实现整体的方案，在车载主机控制系统中电机驱动模块为智能车运行的基础平台，利用GPS为定位手段，结合语音播报模块传达智能车运行状态，加速度碰撞保护模块有效的起到保护智能车运行过程中的安全，而手持模块的信息命令主要通过无线短距离收发模块处理和运算。

在手持主机控制系统中主要通过无线短距离收发模块与车载主机系统信息的传达与接收，通过液晶屏UI界面切换智能车超声波自主避障、触摸屏触控操作、陀螺仪体感操作三种模式。

车载主机系统由如下七大部分组成：

（1）加速度碰撞保护系统；

（2）车载GPS定位系统；

（3）电机驱动系统；

（4）无线通信系统；

（5）语音播报系统；

（6）超声波自主避障；

（7）液晶显示模块。

手持模块系统由如下三大部分组成：

（1）液晶触摸系统；

（2）无线通信系统；

（3）陀螺仪体感操控系统。

车载主机系统和手持主机系统的总体框架图如图2-1所示。

图2-1系统总体连接图

智能车系统采用手持主机和车载主机相结合，车载主机接收手持主机发出的指令，实现超声波自动避障、GPS数据的采集和显示、陀螺仪体感操作、UI界面图形控制等方式实现智能车的运行轨迹，手持主机接收车载主机上传的数据信息，并在手持主机UI界面上显示实时数据。

系统设计上考虑到程序方便移植，主控芯片都为意法半导体公司的STM32F103。

2.3车载主机硬件设计

2.3.1车载主机功能需求描述

车载主机应具备的具体功能要求如下：

（1）具备四轴电机驱动能力。

智能车的平稳运行在于有一个强劲的驱动模块，其余模块功能的实现建立在智能车能平稳运行的前提下。

（2）具备GPS全球定位信息采集功能。

GPS具有全球任何地点、任何时间、全天候高精度定位的特点。

车载主机接收来自GPS卫星的信号，经数据处理，获得智能车的实时经度、纬度位置数据。

（3）语音播报功能。

智能车语音功能主要通过主控芯片编码，将编码值传给WT588D语音芯片，按照码值地址读取Flash中的数据实现语音播报的功能。

（4）具备功能碰撞保护功能。

智能车在运行模式中会出现碰撞障碍物，设计系统中具有三轴数字加速度器Lis302D测量运行过程的加速度，检测判断加速度值，断定是否为智能车发生碰撞，根据情况采取是否停车的措施。

（5）无线通信功能。

手持主机和车载主机的信息通信依靠NRF24L01短距离通信模块，传输手持主机的控制信号和数据采集信号，车载主机接受信号并同时根据信号的类型运行不同设定模式。

（6）具有超声波自主避障的功能。

选择该模式时，智能车运行时具有自主避障的功能，遇到障碍物时选择最优化的路线行进。

2.3.2车载主机硬件设计方案

车载主机系统硬件设计如图2-2所示。

图2-2车载主机硬件设计图

2.3.3手持主机功能需求描述

手持主机应具备的具体功能要求如下：

（1）液晶显示数据的功能。

手持模块液晶实现GPS数据以及智能车度和加速度，通过GUI界面展示在液晶屏上，实现人机交互。

（2）液晶屏触摸操控的功能。

UI界面操控的主体对象是液晶触摸屏，通过触摸屏的触摸按键选择智能车的运行模式和运行状态。

（3）陀螺仪体传感器体感功能。

通过陀螺仪传感器数据的采集和分析，判断手运动的方向，从而间接地控制智能车的运行方向。

2.3.4手持主机硬件设计方案

手持主机硬件设计如图2-3所示。

图2-3手持主机硬件设计图

2.4系统软件设计

本系统实现软件功能主要使用C作为开发语言，而软件开发平台为ARM公司旗下的KeilforARM。

软件的设计主要分为车载主机程序设计和手持主机程序设计两大模块。

在开发过程中，利用意德法公司提供的函数库，提高软件代码的编写效率，缩短项目开发周期。

2.4.1软件设计思想

程序的设计思想主要是手持主机控制车载主机，两者通过无线通信系统进行信息和指令的传递。

手持主机程序主要实现GPS数据的采集、智能车模式的选择、智能车状态信息的采集。

为实现系统具有较高的实时性，手持主机和车载主机程序移植μC/OS-II实时操作系统，多任务实时操作，任务间同步与通信解决任务时间上的冲突，使程序运行的效率更高，系统的稳定性能更好。

2.4.2软件设计流程

程序设计流程大致分为三部分模块系统驱动编写、模块驱动的整合、整体系统调试和优化。

本次系统中的所用到的模块较多，软件同时开发有点难度，所以按模块化编写与调试，保证每个模块功能的完整性。

然后依次将各部分模块整合到μC/OS-II操作系统运行，车载主机和手持主机的调试与功能验证，最终实现整机的功能测试和稳定性检验，大致的流程就是这样，详细的模块流程见第四章。

整体程序流程图如图2-4所示。

图2-4程序总体流程图

2.5系统方案可行性分析

为了适当加快本科课题的研发进度，采用以自主研发为主、适当引入第三方成熟组件模块的技术路线。

通过自主研发实现系统中主要的软硬件模块，包括电机驱动模块、语音播报模块、碰撞保护模块以及车载和手持主机主板模块，而无线通信模块、超声波测距模块、液晶触摸模块将通过引入第三方成熟的组件模块实现。

车载主机和手持主机都是基于ARM公司的STM32嵌入式微处理器为核心开发，目前该款芯片的外设资源丰富开源代码充足，且价格适当，符合完成本课题的设计要求。

超声波自主避障在μC/OS-II下实现动态的采集与分析数据并且完成自主避障，从理论上来说，可以满足采样速率和程序判断任务，但是智能车运行在颠簸状态下，超声波测距会出现误差，以及在快速运行模式下，超声波旋转的舵机平台存在灵敏度小的缺憾，所以要考虑到舵机的选型。

3主机硬件设计与实现

本章描述的是车载主机和手持的主控芯片和相关模块硬件设计与实现，整体硬件描述图在上文2.3中已有详细介绍，在此不再赘述，本章采用车载主机和手持主机合二为一方式，介绍了微处理器系统、电源系统、语音播报电路、GPS定位模块电路、超声波自主避障模块、液晶屏触摸电路、陀螺仪数据采集电路等的设计与实现。

3.1微处理器系统

为节约开发时间和成本，本系统采用意法半导体公司提供的32位嵌入式ARM微处理器STM32F103,，其基于ARMv7-M体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器，其性能远高于51系列单片机，并且代码执行效率高，开发过程简洁，工作频率为72MHz，内置高达128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O端口和外设，成本相对于同等性能的微处理器更低。

在整个系统的微处理器硬件上都选用同款，方便系统的开发和程序的移植。

3.1.1最小系统电路

本节主要介绍一下最小系统的时钟电路及复位电路。

由于车载主机系统和手持主机系统所用微处理器为同系列的，所以不另行分开介绍。

（1）STM32芯片最高可工作到72MHz，系统主时钟采用无源晶振，频率为8MHz，通过片内锁相环实现倍频，配置芯片内部寄存器，可实现我们所需要的工作频率，作为系统的工作时钟。

图3-1主控电路主时钟

（2）RTC时钟，32.768KHZ，用于实时时钟模块提供时钟信号。

图3-2RTC时钟电路

（3）复位电路，主控芯片低电平复位，采用经典的电阻加电容的复位电路。

图3-3主控复位电路

（4）备份电源电路，输入电压为3.3V，只要保存系统掉电时，备份寄存器的数据。

图3-4备份电源电路

（5）微处理器启动方式模式电路，BOOT0和BOOT1的电平高低的不同，微处理器运行程序的地址不同。

图3-5启动模式选择电路

3.2电源系统设计

车载主机系统是由电机驱动电路、语音播报模块、超声波自主避障模块、GPS定位模块、碰撞保护模块、液晶显示模块、无线发送模块等七部分组成，设计一个驱动力大、性能稳定的电源是整个车载主机系统稳定、