精快递业智能避障小车开发建设项目研究报告.docx
《精快递业智能避障小车开发建设项目研究报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精快递业智能避障小车开发建设项目研究报告.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
精快递业智能避障小车开发建设项目研究报告
快递业智能避障小车开发建设项目研究报告
摘要
智能汽车作为曾经在科幻电影中出现的场景，目前已经在逐步走进我们的生活。
从最简单的倒车雷达到现在的自动驾驶，汽车智能化的概念已经深深的被社会接收，而且汽车智能化的需求也越来越明显。
如何真正的使汽车能够自动无人驾驶是现在科研的主要方向。
而智能小车作为智能汽车的一个缩影，无论是在国内还是国际的各种比赛中，它的身影永远是最亮眼的一耳光，众多的方案也层出不穷。
本文的研究目的即是设计一种可以自动避障的小车，自动避障顾名思义，即是能够自动躲避行进路上的障碍物。
本文首先对系统方案进行了详细的论述。
然后就方案中的硬件系统设计和软件系统设计分别进行阐述。
在硬件系统设计中，主要针对超声波测距IC和主控MCU进行讲解。
软件系统设计中，主要针对系的要求进行了论证。
最后，讨论了本系统的可延展性。
关键词：
STM32，无线传输，超声波测距
第一章绪论
1.1课题背景
机器人曾经是科幻电影中的形象，可目前已经渐渐走入我们的生活。
机器人技术以包含机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域为代表，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此，它的发展与众多学科发展密切相关，代表了高科技发展的前沿。
随着电子技术的不断发展，人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人，从机器人的构想到今天机器人的相对普及，机器人的应用已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等多个领域。
并且随着机器人的智能化水平不断提高，并且迅速的改变着人们的生活方式，随着它在人类生活领域中的应用不断扩大，将会给人们的生产生活带来了巨大的影响。
在国外机器人的发展有如下趋势。
一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，并向着技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展。
在我国机器人主要应用在及其领域，我国工业机器人现在的总装机量约为120000台，其中国产机器人为1/3，即40000多台。
与世界机器人总装机台数7500万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。
智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。
与普遍意义上的机器人相比，智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性。
1.2课题主要研究内容
智能汽车作为曾经在科幻电影中出现的场景，目前已经在逐步走进我们的生活。
从最简单的倒车雷达到现在的自动驾驶，汽车智能化的概念已经深深的被社会接收，而且汽车智能化的需求也越来越明显。
如何真正的使汽车能够自动无人驾驶是现在科研的主要方向。
而智能小车作为智能汽车的一个缩影，无论是在国内还是国际的各种比赛中，它的身影永远是最亮眼的一耳光，众多的方案也层出不穷。
本文的研究目的即是设计一种可以自动避障的小车，自动避障顾名思义，即是能够自动躲避行进路上的障碍物。
目前智能小车的避障方法有很多，有应用在高级轿车上的多普勒雷达测距，它可以间接的实现汽车的自动驾驶。
红外避障可以在阳光不影响的情况下实现。
而超声波避障作为倒车雷达的引申已经在许多方面得到了应用个，目前个别车型也已经应用。
超声波避障的技术基础是超声波测距，超声波测距发展至今技术已经相当成熟，技术方案多种多样。
本论文以智能避障小车作为研究对象,采用超声波测距集成芯片作为超声波测距处理单元作为设计方案。
本论文的主要研究内容包括:
1）多传感信号系统下主控器的处理。
2）电机的PWM控制
3）无线模块的应用
第二章系统设计
2.1系统方案设计
2.1.1方案选择
本设计的智能小车可以在指定的跑道上行驶，其中跑道的宽度足够宽，跑道的两侧有硬纸壁作为阻挡。
在跑道的任意位置会放置障碍物，智能小车在感知到障碍物后，可以绕过障碍物继续前行。
同时，小车具有无线通信功能，可以将障碍物的信息实时发送至上位机中。
因此，根据系统需求，所设计系统需要具有无线通信功能，自动壁障功能，电机驱动功能以及控制核心单元。
以下将根据这四个主要功能进行模块的选型。
2.1.1.1无线通信功能。
目前无线通信技术较流行的有2.4G无线技术和IrDA.
1.2.4G无线技术
根据国际标准，2.4GHz是工作在ISM频段的一个频段。
ISM的频段是工业，科学和医用频段。
按照常规来说世界各国均保留了一些无线频段，用来发展本国的工业，科学研究和微波医疗方面的应用。
普通民众应用这些频段时并不需许可证，只需要保证应用时遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其他频段造成干扰即可。
ISM频段在各国的规定并不统一。
而2.4GHz为各国共同的ISM频段。
因此，无线局域网（IEEE802.11b/IEEE802.11g），蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。
1）ZigBee
ZigBee是一种基于IEEE802.15.14标准的低功耗个域网协议。
这个协议里面规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
ZigBe协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。
其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。
ZigBe网络的主要特点是功耗低、成本相对低廉、速度较快，支持多借点操作，支持网络拓扑结构。
2）其他
这里主要介绍挪威著名芯片厂商的N
RF24L01无线收发芯片。
nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段。
工作电压为1.9～3.6V，有多达125个频道可供选择。
可通过SPI写入数据，最高可达10Mb/s，数据传输率最快可达2Mb/s，并且有自动应答和自动再发射功能。
和上一代nRF2401相比，nRF24L01数据传输率更快，数据写入速度更高，内嵌的功能更完备。
芯片能耗非常低，以-6dBm的功率发射时，工作电流只有9mA，接收时工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
这就不难发现为什么绝大部分甚至微软、罗技这样的知名键鼠企业都普遍采用NRF24L01芯片作为收发芯片的原因。
2IrDA
红外线数据协会IrDA（InfraredDataAssociation）成立于1993年。
起初，采用IrDA标准的无线通讯设备仅能在1m范围内在可视范围内的速率仅为115.2Kb/S，但很快就发展到了4Mb/S的速率，后来，速率又达到了16Mb/S。
红外是一种利用红外线进行点对点通信的技术，实现过程中两个设备必须保持在可视范围内是直对的、IrDA也是第一个成功实现无线个人局域网（PersonalAreaNetwork,PAN）的技术。
目前红外的应用已经发展了20多年，无论是软件还是硬件技术都很成熟，在许多小型移动设备，如PDA\手机上被广泛使用。
IrDA在应用中的主要优点是无需申请频率的使用权这样对于很多小型设备和低成本设备来说就会更多的倾向于此。
此外，红外还据哟体积小，结构简单，简单易用等优点。
而且由于数据传输率高，因此在对于较大型数据的传输方面具有很大的优势。
而且，由于红外传输的点对点性，在一定程度上来讲，红外的传输安全性能也最高。
但是红外的缺点在于它的可视传输，也就是两台设备在进行数据传输时必须保证两台设备的红外端子距离较近且可视。
这个是阻挡红外应用的最大障碍。
因此，本设计在综合考虑了成本和实现性能方面。
选择了2.4GHz的nRF24L01无线通讯模块。
2.1.1.2自动壁障模块
根据系统设计的要求,小车在行驶过程中要能准确的避开途中遇到的障碍物,因此智能小车的探测距离需要有一定的长度，以留给智能小车足够的时间进行转向，又考虑到在测障过程中小车车速及避障反应堆小车速度的限制,小车应在距障碍物较远的范围内做出反应,这样才能在顺利绕过障碍物的同时还为下一步转向做准备。
否则，如果范围太大,则可能产生障碍物的判断失误;范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。
障碍物检测可以有多种方法:
红外光检测、超声波检测、甚至机械接触。
这些方法都有各自的优缺点。
常用的有红外检测和超声波检测,两种方案的区别见表2-1。
红外检测
超声波
检测距离
4~10m
0.3~3m
精确度
1m
20cm
受外界干扰程度
易受外界干扰
不易受外界干扰
硬件电路
所需原件少
稍复杂
成本
8元左右
8元左右
图2-1
从上表可以看出,相对红外检测,超声波检测距离远,不易受外界环境干扰,由于小车需要在行驶过程中检测障碍物,颠疲,光照方面可能会对检测产生影响。
所以需要选择稳定性较好的,故本设计选择超声波检测。
而目前在超声波测距方面应用较多的方案有三种。
1）使用控制器发出40KHz的方波信号，在接收端使用中周将信号放大，然后经过至少两级放大后输入到控制器的模拟输入端，控制器根据接收的信号幅度进而判断是否是回波信号。
2）使用控制器发出40KHz的方波信号，在接收端使用中周将信号放大，然后经过至少两级放大后经过整波电路后变成当有回波信号时，将回波信号转换成低电平信号，这样可以直接连接到处理器的数字引脚，在中断程序中进行回波的判断。
3）使用集成芯片进行控制。
通过控制集成芯片的使能便可以控制超声波信号的发送，然后集成芯片反馈给控制器的是标准的中断信号，当控制器检测到中断信号发生时，便可以进行超声波距离的计算。
综上而言，本设计选用了集成的芯片GM3101，它有4路超声波信号，而且价格便宜。
并且集成芯片与放大器的电路相比，在量产过程中的调试和稳定性都要好的多。
2.1.1.3电机驱动模块
目前应用在智能小车上的主要有直流电机和步进电机两种。
因而使用方案也两种。
1）直流电机
直流电机，顾名思义，只要对电机的两端通上直流电后，电机即运动，运动的方向与通电的方向相关，运动的速度受通电的电流影响。
对直流电机的驱动即是将处理器输出的TTL信号经过功率放大后接到直流电机的两端，功率放大芯片一般选择L298等专用芯片。
而直流电机的转速一般通过PWM波控制的方式，处理器输出不同占空比的PWM信号，直流电机两端的电压不同，则电机的转速就不同，直流电机的优点是性能好，电路简单，控制灵活。
2）步进电机
步进电机，顾名思义，即是通过对步进电机输入电脉冲信号来控制电机的运动步伐。
因而可以对电机的行程进行精确的控制，常用的步进电机有三相六拍等多种方式。
电机的转动和转动的大小主要受控制器对其输入的脉冲频率决定，而不受其他环境因素影响，但步进电机的驱动过程相对复杂。
具体差别见表2-2。
直流电机
步进电机
调速性能
较好
较差
位置控制精度
较差
好
驱动
简单
复杂
稳定性
较好
好，仅与控制脉冲有关
表2-2
由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。
步进电机能进行精确的位置控制,但驱动电路麻烦,鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确,直流电机即可满足小车要求的精度。
且直流电机揚于控制,驱动电路十分简单。
综上所示，本系统的智能小车由于不需要进行步进脚的精确控制，因而采用价格相对便宜，使用相对简单的直流电机。
2.1.1.4主控单元
此部分电路为系统的核心，系统的所有控制信号和指令信息均由此发出。
可以说是整个系统的大脑。
因此，对于主控制器的选择尤为重要。
目前，市面上流行的单片机主要有STC的51系列单片机，PIC系列单片机，TI的低功耗系列，M0、M3内核的ARM系列以及NXP的ARM系列等。
按照系统设计需要，主控MCU需要具有主频快，存储容量大，片上资源丰富以及价格便宜可以大面积推广等特点。
STC系列的51单片机具有价格便宜，开发资源丰富等优点，但是，当STC系列的单片机的主频和存储器容量达到本设计的要求时，那么它此时的价格就已经不太具有高竞争力了。
PIC系列单片机，同样作为面世很久的一款单片机，在汽车控制领域具有无可替代的地位，但是PIC单片机具有一个最大的安全隐患，就是容易解密。
目前市面上的很多编程器就可以直接解密PIC单片机的程序。
M3内核和NXP系列的单片机在主频和存储容量以及片上资源方面均满足本设计的需求，因此，本设计决定使用M3系列的单片机，采用ST的STM32F103RBT6。
STM32F103xx增强型系列使用的是高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。
所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：
多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。
STM32F103xx增强型系列工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，其一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
2.2系统整体方案
根据以上章节的分析，系统决定采用STM32F103RBT6作为主控制器，GM3101作为超声波处理电路的主芯片，Nrf24l01作为无线模块，L298N作为电机驱动芯片。
系统框图如图2-1所示。
图2-1
2.3本章小结
本章主要对系统的方案设计进行了论述，针对系统功能的几个需求，选择了适合本系统的模块。
第3章硬件系统设计
3.1主控制单元设计
主控单元采用STM32F103RBT6作为主控制器。
若要使主控器工作，需要设计主控器的最小系统单元。
最小系统单元即是可以使主控器工作起来的最小硬件系统，包括时钟电路，电源电路和复位电路。
系统时钟选用12MHz的外部晶振，由于STM32具有内部锁相环，因而在进行更高频率的应用时，可通过内部软件编程使用其内部锁相环，最高频率可达72MHz。
由于STM32同样的是低电平复位，因而设计的电路为最简单的RC复位电路，可以通过系统上电复位和手动复位两种方式对电路进行复位。
STM32可以使用两种方式进行程序下载。
一种是可以通过串口对芯片程序进行烧写，但是无法进行调试。
另一种是通过标准的JTAG口对芯片进行程序烧写和在线仿真。
具体电路见图3-1和3-2。
图3-1时钟电路
图3-2复位电路
CPU处理器电路如图所示。
3.2超声波避障单元设计
3.2.1超声波简介
超声波是频率高于20000赫兹的声波，它具有方向性好，穿透能力强等特点，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
在很多领域上有很多的应用。
超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
因为超声波具有较强的方向性，根据其通过反射原理进行的距离判断，超声技术主要应用在遥感测控领域。
目前的超声波应用系统多以分立元件作为模拟驱动，单片机做控制的方式来实现，存在体积大，实现复杂，调试麻烦，稳定性和可靠性差。
3.2.2GM3101介绍
GM3101是成都国腾电子设计研发的专用于倒车雷达的超声波测距芯片，该芯片具有4路超声波探头的驱动，并根据了倒车雷达的具体应用环境对4路探头的应用进行了智能化的处理。
测试结果编码后采用双线差分方式输出，提高了信号传输的抗干扰性。
其管脚图如图3-3所示。
图3-3
GM3101具有以下特征：
●供电电压：
3.3~5V
●四路超声波探头接口，探头发送驱动信号5V@2mA
●四路探头检测结果输出周期80ms
●具备自动增益控制，实现分级放大
●具有防声波衍射误报处理，提高报警信号的准确性
●报警信号输出采用双线差分方式，提高抗干扰性
●工作环境温度：
-40℃~+85℃
由于GM3101具有数字和模拟输出两种方式，为了使系统设计的更加简单，采用数字接口进行设计。
具体电路如图3-4所示。
图3-4
控制器对GM3101的复位信号进行控制，由于系统只需要3路超声通道，并且为了保持系统的实时性，因而采用60ms一个周期，而不是系统规定的80ms一个周期的设计。
因而控制器就需要每隔60ms便对GM3101进行复位，然后在60ms检测周期内，处理器需要时刻检测GM3101的输出端口是否有电平的变化，当有电平变化时便可对其检测距离进行换算。
3.3电机驱动设计
电机模块智能小车在检测到障碍物后能够及时避让的关键，当智能小车将障碍物的距离和位置信息进行计算后，便将其进行转换，转换成电机控制的电平信号，进而控制智能车的左右转动。
电机控制模块采用的是L298N芯片，L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片具有如下特点：
●工作电压最高工作电压可达46V；
●输出电流的瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；
●内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动车和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；
●采用标准TTL逻辑电平信号控制；
●具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许和禁止器件工作；
●有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；
●可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路
其具体电路见图3-5。
图3-5
其中CTL1~CTL4为方向控制信号，ENA和ENB为使能信号。
当CTL1为高电平，CTL2为低电平是，那么电机的转动为正方向。
当CTL1为低电平，CLT2为高电平时，电机的转动为反方向。
CTL3和CTL4为同样的道理。
3.4无线通讯设计
Nrf24L01是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发芯片，20个引脚4mm*4mmQFN封装。
其引脚图如图3-4所示。
图3-4
3.4.1引脚说明
1）CE，数字输入引脚，RX或TX模式选择。
2）CSN,数字输入引脚，SPI片选信号。
3）SCK，数字输入引脚，SPI时钟信号。
4）MOSI，数字输入引脚，从SPI数据输入引脚。
5）MISO，数字输出引脚，从SPI数据输出引脚。
6）IRQ，数字输出引脚，可屏蔽中断脚。
7）VDD，电源输入脚，可接3.3V电压。
8）VSS，电源引脚，接电源地。
9）XC1，XC2引脚，晶体振荡器连接引脚。
10）VDD_PA，电源输出引脚。
给RF的功率放大器提供+1.8V电源。
11）ANT1，ANT2引脚，天线引脚。
12）IREF，模拟输入引脚，为参考电流输入引脚。
3.4.2nRF24L01与MCU的连接
nRF24L01与MCU的连接图见图3-5。
图3-5
nRF24L01的控制接口为SPI接口，主控MCU端采用模拟SPI接口来实现。
主控MCU采用查询方式来实时读取和发送数据，满足系统设计的要求。
3.5状态指示电路
状态指示电路主要是对系统运行的状态进行监控，此处设置两个发光管。
与R4连接的LED为电源指示灯，当系统上电时，该指示灯由暗变亮。
与R2连接的LED为状态指示灯，当系统正常工作时，该LED按照5秒为一周期进行明暗变化，以标志系统正常运行，否则表示系统运行不正常。
具体电路见图3-6.
图3-6
3.6下载电路
下载电路主要针对主控MCU的程序更新和下载。
当系统在调试阶段时，主控MCU的程序需要实时更新以便进行调试，当系统发布后，需要预留接口以便产品升级方便。
本系统中采用串口进行程序下载，串口下载不需要专门的下载器，方便使用。
具体电路见图3-7。
图3-7
第4章软件系统设计
4.1系统控制流程
系统主程序主要进行超声波距离处理，电机控制和无线通讯的实现。
具体流程图见图4-1。
图4-1
距离处理程序如下所示。
voidTimerWork_Check（void）
{
unsignedchari;
if（b60ms_symbol）
{
b60ms_symbol=0;
Init_Varila（）;
Time_Num=0;
Reset_GM3101（）;
//Timer2_Start;
EX0=1;
}
if（bSend）
{
bSend=0;
for（i=0;i<3;i++）
{
if（TxBuf[i+3]<35）
{
TxBuf[i+3]=30;
}
}
TxBuf[3]=（unsignedchar）（（Distance1*0.0173）-30）;
TxBuf[4]=（unsignedchar）（（Distance2*0.0173）-30）;
TxBuf[5]=（unsignedchar）（（Distance3*0.0173）-30）;
TX_PackagePacket（TxBuf）;
}
if（b15ms_symbol==1）
{
b15ms_symbol=0;
TX_PackagePacket（TxBuf）;
}
if（bNumof500Ms）
{
bNumof500Ms=0;
if（bBuzzer）
{
BUZZER=~BUZZER;
LED_RED=1;
LED_BULL=1;
}
if（bLED）
{
BUZZER=0;
if（numi%2）
{
LED_RED=0;
LED_BULL=1;
}
else
{
LED_RED=1;
LED_BULL=0;
}
}
numi++;
numi=numi%2;
}
}
系统主要采用的时间片的方式，在规定的时间执行指定的动作。
系统在整个运行期间，时刻判断GM3101反馈的中断信号，当有中断信号发生时，系统根据复位GM3101的时间差和端口进行距离的计算，当障碍物的距离信息小于临界值时，便会驱动电机进行左转或右转。
智能车在行驶过程中，前方有个超声波探头，左侧一个超声波探头，右侧一个超声波探头。
左右两侧的超声波探头主要实现保证智能车在跑道中间行驶，当任何一方的距离片小时，智能车便会驱动相反的电机转动进行专项。
前方的探头主要进行障碍物的检测。
由于超声波探头具有个55度的视角，因而基本可以将前方的障碍物信息探测完全。
4.2超声波避障实现
4.2.1超声波介绍
1）原理
超声波的波长比一般声波要短，超声波具有非常好的方向性，而且能穿透不透明物质，因此，应用超声波的这一特点，在探伤、测距、遥控和超声成像技术等领域应用较多。
超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。
所谓压电逆效应如图4-2所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。
若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。
由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。
若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。
图4-2
超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。
双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。
这两处的支点就成为振子振动的节点。
金属板的中心有圆锥形振子。
发送超声波时，圆锥形振
升级会员 