基于STM32的智能小车____摄像头循迹系统
基于STM32智能小车自主循迹避障系统设计与功能实现
迅速发展，无人驾驶技术日趋成熟，无人驾驶汽车已经崭露 在大众的视野中，智能化将成为未来汽车驾驶技术的重要发 展方向之一。 1.1 国外研究现状
20 世纪 20 年代中期，全球首个自动导车系统（Automated Guided Vehicle System，AGVS）由 美 国 的 巴 雷 特 电 子 公司研制成功 [2]。20 世纪 50 年代初，国外已经展开了对 AI 技 术、机 器 人 视 觉、自 动 导 航 等 移 动 机 器 人 系 统 的 相 关 技 术研究。1966 年 ~1972 年期间，美国斯坦福研究院（SRI） 的 Nils Nilssen 和 Charles Rosen 等人研制出了一款名为 Shakey 的自主移动式机器人，其研究的目标是把 AI 技术和 机器学习技术运用到实际的场景中，并能自主地完成感知、
可行性。此外，还有学者提出了基于 T-S 模型的模糊神经网 络避障控制算法和模糊神经 PID 控制的避障算法，通过相关 的仿真、测试验证了该方案的可行性。总之，实现障碍物避 障的精确算法和在未知环境下规划小车的运动路径仍是当 前研究的重点内容，作为机器人智能化的重要标志，具有实 际的应用价值。
STM32 系 列 微 控 制 器 是 意 法 半 导 体 ST 公 司 推 出 的 基 于 ARM Cortex-M3 内 核 的 处 理 器，其 主 频 工 作 在 72MHz，具有高速的运算能力、先进的内核结构、丰富的函 数库、低功耗控制等优点。因此，智能小车的开发环境选择 由德国 Keil 公司开发的 Keil 软件平台上进行。
表 1 部分电路元器件介绍 元器件名称 元器件实物图 元器件名称 元器件实物图
毕业设计-基于stm32的智能小车设计
摘要本次试验主要分析了基于STM32F103微处理器的智能小车控制系统的系统设计过程.此智能系统的组成主要包括STM32F103控制器、电机驱动电路、红外探测电路、超声波避障电路.本次试验采用STM32F103微处理器为核心芯片，利用PWM技术对速度以及舵机转向进行控制，循迹模块进行黑白检测，避障模块进行障碍物检测并避障功能，其他外围扩展电路实现系统整体功能。
小车在运动时，避障程序优先于循迹程序，用超声波避障电路进行测距并避障，在超声波模块下我们使用舵机来控制超声波的发射方向,用红外探测电路实现小车循迹功能.在硬件设计的基础上提出了实现电机控制功能、智能小车简单循迹和避障功能的软件设计方案，并在STM32集成开发环境Keil下编写了相应的控制程序，并使用mcuisp软件进行程序下载。
关键词：stm32；红外探测；超声波避障；PWM;电机控制AbstractThis experiment mainly analyzes the control system of smart car based on microprocessor STM32F103 system design process。
The composition of the intelligent system mainly including STM32F103 controller, motor drive circuit， infrared detection circuit, circuit of ultrasonic obstacle avoidance。
This experiment adopts STM32F103 microprocessor as the core chip， using PWM technique to control speed and steering gear steering，tracking module is used to detect the black and white， obstacle avoidance module for obstacle detection and obstacle avoidance function， other peripheral extended circuit to realize the whole system function。
基于STM32的智能移动小车
• 139•本文设计了一款基于PID 控制算法的移动智能小车避障系统，初步研究了基于stm32的移动智能小车路径的识别与跟踪。
本系统首先通过STM32F103ZET6为主控制器，进行图像的处理与小车的控制，通过COMS 摄像头OV7725作为图像采集的传感器，采集小车前方的障碍物以及路径信息，选用OLED 模块作为显示器，显示出经过二值化处理过的图像信息，其中包括障碍物以及路径显示，最后通过PID 算法控制小车的行进与拐弯，避开障碍物。
辅助驾驶人员进行障碍物的避让与路径的识别。
自动智能小车的潜在应用非常广泛，也包括自动驾驶汽车，盲人导航车，火灾中的自救生或办公自动化物品运载车，安保检查车，电力运行检查车，车间中的移动运输车，另外在军事领域移动智能机小车有着广泛地应用如作为练习标靶，在战场上进行排雷，布雷排爆，弹药输送、遥控监察等任务。
基于摄像头的移动智能小车路径跟踪系统充分利用了摄像头传感器采集的信息丰富完整，检测范围宽，并且成本低，符合人的认知习惯的显著优点。
摄像头采集到的路径图像包含了路线的边缘以及路径走向趋势等信息，便于单片机进行处理。
因此，计算机视觉系统的应用将使得移动智能小车路径跟踪的效果更加优化。
其研究成果也具有非常广泛的应用价值。
移动小车的路径跟踪技术在小车实现智能化的过程中十分重要。
小车实现路径跟踪是能够实现各种复杂操作的前提条件。
移动智能小车的路径跟踪技术融合了自动控制原理、电子技术、图像识别技术、数据通信、传感器技术、机器人控制技术、工程数学和智能控制等多种技术。
目前的常用的智能小车路径跟踪的控制算法有PID 控制算法，模糊控制，神经网络控制等。
PID 控制方法是智能车路径跟踪控制中最常用的一种算法，在使用过程中不需要建立精确地数学模型，可以通过调节参数实现最优的控制效果，PID 控制器形式简单，易于整定，因此本设计采用PID 控制算法。
1 总体设计方案本系统采用STM32F103ZET6作为主控制器，以CMOS 图像传感器OV7725 摄像头模块作为移动智能车的视觉采集模块，将采集到的路径信息传送至主控芯片，经过图像处理将图片转换为黑白图片通过算法识别出以黑色线条为标志的路径的中心线，并且将小车前方的路径图像实时显示在LCD 屏幕上，然后通过PID 控制算法控制小车转向和速度调节，确保小车准确跟踪路径。
基于STM32的智能小车摄像头循迹系统
分类号编号烟台大学毕业论文（设计）基于STM32的智能小车摄像头循迹系统Intelligent Car Tracking SystemBased on STM 32 Camera申请学位：工学学士院系：光电信息科学技术学院专业：电子信息工程姓名：王坤学号： 200813503229指导老师：杨尚明（教授）2012年5 月21 日烟台大学EDA实验室基于STM32的智能小车摄像头循迹系统姓名：王坤导师：杨尚明（教授）2012年5 月21 日烟台大学EDA实验室烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：光电信息科学技术学院[摘要]现在人们越来越喜欢安全、节能、环保、智能化和信息化的汽车了，在智能汽车新时代，无人驾驶技术，得到了飞越的发展，成为了智能车时代的新标志。
智能小车不但逐步提高了车辆的控制水平和驾驶水平，而且也保障了车辆行驶的安全、畅通、高效特性。
本文主要讨论了智能车系统的设计方案，并且对智能车自主行驶的决策以及控制，算法也进行了相应的研究。
本论文首先设计了智能车的硬件结构，硬件方面以Cortex-m3为控制核心，另外其他辅助模块包括：电源模块，图像传感模块，速度控制模块以及其他功能模块进行辅助，从而来完成智能车的硬件设计。
由于智能车有一个比较复杂跑道，传统的控制算法在复杂跑道情况下已经无法解决智能车的控制参数的问题。
因此本论文做了一些改进，本论文采用理论结合实际，我们采用了模糊PID控制算法来实现对智能车的控制，并进行了一定的实验。
在该系统中，由CMOS摄像头来实现路径识别，通过对小车的闭环控制，使小车能按照给定的黑色引导线平稳地循迹。
该系统能够很好地满足智能车对路径识别性能和抗干扰能力的要求，稳定误差小，调节相应时间比较快，具有较好的动态性能和良好的稳定性。
实验证明，所设计的智能车具有速度快，适应性强的特点。
[关键词]智能车；图像处理；比例积分微分[Abstract]Now more and more like safety, energy conservation, environmental protection, intelligence and information of vehicles in the new era of smart cars, unmanned technology, has been flying over the development, became the new logo of the smart car era. The smart car has gradually increased the level of control and the standard of driving of the vehicle, but also to protect the safe and smooth traffic, efficient performance. The article focuses on the design of intelligent vehicle systems, and smart car independent driving the decision-making system and control algorithms were also studied. Thesis designs the mechanical hardware structure of the intelligent vehicle hardware to control the core Cortex-m3, other ancillary modules include: the power supply module, the image sensor module, the speed control module and other functional modules to carry out assisted, and thus to complete the smart hardware design of the car. Does not match the smart car a more complicated runway, control algorithms in the control parameters of the smart car has been unable to solve complex runway case. Therefore, this paper has to do improvements, the present theory with reality, we have adopted a fuzzy PID control algorithm to achieve control of the smart car, and carry out certain experiments.In this system, the CMOS camera head path identification, closed-loop control of the car, car tracking smoothly in accordance with the black guide lines given. The system is able to meet the requirements of the intelligent vehicle path recognition performance and anti-jamming capability, small steady state error and adjust the response time is faster, has better dynamic performance and good stability.The experiments show that the design of intelligent vehicle speed adaptability. [Keywords]Intelligent Car, Image Processing, PID Control目录目录 (3)绪论 (1)1 智能车系统总体介绍 (2)1.1 整体设计概述 (2)1.2 关于直流电机的简要介绍 (3)1.3 CMOS图像传感器的特点 (3)1.3.1 CMOS图像传感器的特性 (3)1.4 OV7670的性能特点与工作方式 (4)1.4.1 OV7670的性能和参数 (4)1.4.2 OV7670的功能 (4)1.5 OV7670的数字图像输出 (4)1.5.1 OV7670的输出信号时序 (4)2 方案论证 (6)2.1 控制模块的介绍 (6)2.2 车身车体的介绍 (6)2.3 电机选择与驱动模块的介绍 (6)2.4 路径识别的方案设计与论证 (7)3 智能车系统硬件设计 (9)3.1 智能车系统硬件设计总体结构 (9)3.2 STM32最小系统的设计 (10)3.2.1 方案总结 (10)3.2.2 方案框图 (10)3.3 电路设计与原理 (10)3.3.1 直流电机应用 (10)3.3.2 电源分配电路设计 (11)3.3.3 H桥电机的驱动 (12)4 智能车系统软件设计 (13)4.1 控制算法的简要介绍 (13)4.2 速度控制算法 (14)4.3 图像采集 (18)4.4 图像处理 (18)4.5 动态阈值法介绍 (19)5 系统的测试 (21)5.1 系统测试的目的 (21)5.2 系统测试的原则 (21)5.3 系统测试的结果 (21)5.4 测试结果误差分析 (21)6 结论 (22)6.1 工作总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录一：电路原理图 (25)附录二：程序流程图 (26)附录三：源程序部分代码 (27)绪论随着智能小车技术的不断提高和增强；智能化，安全化，环保性逐渐得到了人们的亲睐，在当今这个公路等级不断改善的情景下，特别是飞速发展的高速公路，人们对汽车的行驶速度有了更高的要求；同时，在人们的物质生活水平和消费水平不断飞速提高的情况下，汽车的数量也随之逐渐快速的增加，车流量越来越大，汽车碰撞的发生几率也越来越大，，然而这些情况，在智能车出现以后，在很大情况下大大减少了因驾驶疏忽而造成交通事故的可能，也使得交通更加畅通，从而很大程度上保证了车辆行驶的安全，同时也保证了其他的人的人身和财产安全，因此发展智能小车是很重要的。
基于STM32的无线视频监控智能小车设计
基于STM32的无线视频监控智能小车设计基于STM32的无线视频监控智能小车设计随着科技的不断进步和智能化的发展，无线视频监控系统正逐渐成为现代社会安全保障的重要手段之一。
为了提高监控系统的实时性和灵活性，本文设计了一款基于STM32的无线视频监控智能小车。
一、引言无线视频监控系统通过将摄像头安装在移动式平台上，能够实现对目标区域的即时监控。
不仅可以在需要时对监控范围内的情况进行远程观察，还可以根据需要调整监控设备的位置和角度。
为了实现这一智能监控功能，本文以STM32微控制器为核心，并结合无线通信技术，设计出了一种功能强大的无线视频监控智能小车。
二、硬件设计1. 硬件平台本设计选用STM32F407VET6微控制器作为主控芯片，其具有较高的性能和丰富的外设接口，能够满足监控小车的需求。
此外，还选用了高清摄像头、无线模块、电机驱动模块和电池供电模块等外围硬件设备。
2. 系统框架整个系统分为上位机和下位机两部分。
上位机负责监控界面的显示和控制信号的发送，下位机则负责接收控制信号并控制小车的运动，同时将摄像头拍摄的视频传输给上位机。
3. 视频传输为了实现无线视频传输，我们选用了2.4GHz的无线模块进行数据传输。
摄像头通过DSP进行图像处理，并以数字信号的形式传给STM32微控制器，经过压缩编码后通过无线模块传输给上位机。
上位机通过接收无线信号并解码，实现对监控画面的实时观察。
4. 姿态控制为了提高小车的稳定性和适应性，我们引入了姿态控制技术。
通过陀螺仪和加速度计等传感器获得小车的姿态信息，并通过PID控制算法对小车进行动态调整以保持平衡。
这样不仅可以防止小车发生倾倒，还可以使其在多种地形上灵活行驶。
三、软件设计1. 控制算法为了使小车具备智能导航和障碍物避免能力，我们采用了模糊控制算法。
通过图像处理技术分析监控范围内的实时图像，识别并计算出目标物体的位置和运动轨迹。
然后根据目标物体的距离和角度信息，利用模糊控制算法生成控制信号，实现小车的自主导航。
基于STM32的智能小车寻迹避障系统硬件设计
基于STM32的智能小车寻迹避障系统硬件设计一、本文概述本文旨在探讨基于STM32的智能小车寻迹避障系统的硬件设计。
随着科技的发展，智能小车在自动化、机器人技术等领域的应用日益广泛。
为了实现小车的自主导航和避障功能，硬件设计显得尤为关键。
本文将首先介绍智能小车寻迹避障系统的总体架构，然后详细阐述硬件设计的主要组成部分，包括传感器选型、电机驱动模块、电源模块以及微控制器STM32的选择与配置。
本文还将探讨如何通过合理的硬件设计，实现小车的稳定寻迹和高效避障，从而提高其在实际应用中的性能和可靠性。
本文将对硬件设计的优化和改进方向进行探讨，以期为智能小车寻迹避障系统的未来发展提供参考。
二、系统总体设计基于STM32的智能小车寻迹避障系统的总体设计，首先需要对整个系统的功能需求进行深入理解，并据此进行硬件架构的规划和设计。
系统的核心功能包括智能寻迹和避障，因此，硬件设计需要围绕这两个功能展开。
我们需要选择一款合适的微控制器作为系统的核心。
考虑到STM32微控制器具有高性能、低功耗和易于编程的特点，我们选择STM32F4系列微控制器作为本系统的主控制器。
STM32F4系列微控制器内置了丰富的外设接口，如GPIO、I2C、SPI、USART等，可以满足系统对传感器数据采集、电机驱动、无线通信等需求。
我们需要设计合适的电路来驱动电机和传感器。
电机驱动电路需要能够根据微控制器的指令，精确控制电机的转速和方向，以实现小车的寻迹和避障。
传感器电路需要能够将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，并传输给微控制器进行处理。
在本系统中，我们选择了红外传感器作为寻迹传感器，超声波传感器作为避障传感器。
我们还需要设计电源电路和无线通信电路。
电源电路需要能够将外部电源转换为适合各个模块工作的电压，并保证系统的稳定供电。
无线通信电路需要能够实现微控制器与上位机之间的通信，以便上位机可以对系统进行远程控制和监控。
我们需要对整个硬件系统进行集成和优化。
基于STM32的智能循迹小车设计
基于STM32的智能循迹小车设计作者：于雷支语睿朱一凡来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2019年第04期摘要：为了满足高校机器人相关课程教学和日常训练的要求，采用STM32嵌入式芯片设计了一款智能循迹小车.该小车通过光敏传感器采集跑道的数值，结合PID经典算法，实现循迹的功能，同时又预留了一些端口，可以实现测距、避障以及无线传输等功能.实践表明，该小车具有低功耗、低成本、高稳定性、易于扩展等特点，能够满足教学、训练及一些比赛的需求.关键词：循迹;智能小车;PID算法中图分类号：TP273;TP212; 文献标识码：A; 文章编号：1673-260X（2019）04-0108-030 引言智能循迹小车是一个融合了传感器技术、自动控制技术、无线通信技术及人工智能技术于一身的综合系统.智能寻迹小车，也称为轮式机器人，在每年的机器人比赛中都是不可缺少的一个赛项，从中也体现了高校在电子设计、自动化控制等多方面的水平，因此，除了用于参加比赛以外，在平时的单片机、自动控制等学科的教学过程中也是一项必不可少的训练项目.目前，智能循迹小车大多数采用的是51系列单片机进行设计的，功能简单，也有采用MSP430、PIC、AVR系列单片机，在功耗和性能上都有很大的改进，但在占用指令空间大以及资料有限等方面也存在着不足;综合考虑，本文采用目前主流的STM32系列嵌入式芯片作为控制器，设计了一款具有循迹、测距、避障以及无线传输等功能的智能循迹小车.1 整体设计智能循迹小车控制系统主要包括控制器模块、电源模块、循迹模块、避障模块、电机控制模块、无线通信模块等，如图1所示.在控制系统中，控制器模块根据循迹模块对路线的采集数据进行分析处理，通过电机驱动模块控制电机的正反转，并由舵机实现车子的方向控制，为了能够实现避障，采用了超声测距模块对障碍物的距离进行测量，另外可扩展光电检测模块，实现对接力棒的检测，从而实现赛事中两车接力的功能.2 硬件设计2.1 主控制模块本文选用STM32F103VET6芯片作为主控制器，该主控器是基于Cortex-M3内核的32位处理器，最高工作频率可以达到72MHz，具有高性能、低成本和低功耗等特点;STM32F103VET6片上不仅集成了256k～512k字节的闪存程序存储器、64k字节的SRAM存储器、3个12位模数转换器和2通道12位数模转换器，还具有丰富的定时器和通信接口等资源，特别是多达6路的PWM输出，为舵机和电机驱动模块提供了方便.设计中，通过PC0～PC4和PA0～PA5引脚读取循迹模块采样值;PB8和PB9输出PWM（Pulse Width Modulation）信号，PB8控制舵机转向，PB9用作接力赛中接力棒的夾持控制;PD8、PD9、PB12～PB14控制无线模块的数据传输.2.2 电源模块电源模块采用12V电源对直流电机供电，考虑到系统中传感器和STM32芯片的供电，还提供5V和3.3V两种电压，电路图如图2和图3所示.5V电压采用PWM控制降压转换芯片AX3111进行降压处理，AX3111芯片不仅具有低纹波、高效率和出色的瞬态特性，还具有软启动功能、限流功能、短路保护功能和过热保护功能.3.3V电压采用AMS1117芯片进行转换，加上磁珠及电容抑制了电源线上的高频噪声和尖峰干扰.2.3 电机驱动模块电机驱动模块采用BTN7960搭成H桥驱动电路，可以提供高达47A的驱动电流.BTN7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC.电路图如图4所示，其中INH引脚为高电平，使能BTN7960.IN引脚用于确定哪个MOSFET导通.IN=1且INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平;IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平，两个芯片的输出端分别接电机的两极，即J2接口，通过左右两边的电平高低来控制电机的正反转.另外，SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能.电机的速度采用PWM脉宽调制技术进行控制，stmPWM信号频率为1kHz，固定不变，通过控制占空比来调节车速，由函数Speed_Set进行设置实现.方向舵机及机械手的控制也是采用PWM来完成的.另外，方向舵机及机械手的控制也是采用PWM来完成的.PWM信号产生频率为50Hz，控制舵机的转向，实现小车方向控制或机械手的抓取功能.2.4 循迹模块为适应不同跑道、不同场地的需求，循迹电路采用抗干扰能力强的光敏对管进行设计.由于设计的智能小车速度较快，在小车的前端并排放置11组光敏对管传感器对跑道数据进行采集，每组传感器包括LED发射电路和光敏电阻接收电路，LED发射电路产生白光，经过场地反射后，通过光敏电阻获取一定的模拟电压值，该电压值经过AD转换由STM32直接读取分析，由此来判别小车在跑道上的位置.2.5 无线通信模块无线通信模块采用nRF24L01射频芯片进行设计，该芯片支持2.4GHz的全球开放ISM频段，GFSK调制，最大发射功率为0dBm，传输速率高达2Mbps，抗干扰能力强，功耗低，125个信道可供选择，完全满足多点通信及调频通信的要求.3 软件设计智能循迹小车的软件设计主要包括循迹、方向舵机的控制、小车速度的控制以及避障功能等，图6所示为两辆接力小车的流程图，（a）为前车流程图，（b）为后车流程图.3.1 循迹循迹是设计的重要组成部分，直接决定着后期数据处理的准确性.光敏对管传感器进行数据采集.经过AD转换后存储在Location_Data[11]数组中，通过与Set_Location[11]数列中对应的阈值进行比较，确定相应传感器的是否采集到跑道，不同的传感器对应于不同的权值，具体如表所示.Location_Data[11]={0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0};Set_Location[11]={505 ， 541 ， 600 ， 422 ， 586 ， 500， 507 ， 370 ， 459 ， 520 ，498 };void Lock_BlackLine（）{for（i=0; i<11; i++）if（Location_Data [i]< Set_Location [i]）{Cnt++;Loc_Para+=5-i;}if（Cnt>0）{if（Cnt>4）{Cross_Line_Cnt++;if（Cross_Line_Cnt>CROSSLINE_Time）{if（Cross_Line_Flag！=1）Cross_Line++;G_Black_Line_Location=（float）（Location_Parameter/L_Location_Cnt）; Cross_Line_Flag=1;Cross_Line_Cnt=0;}}else{Cross_Line_Cnt=0;Cross_Line_Flag=2;G_Black_Line_Location=（float）（Location_Parameter/L_Location_Cnt）; }}else if（L_Location_Cnt==0）{G_Black_Line_Location=0;Cross_Line_Flag=0;}Location_Parameter=0;L_Location_Cnt=0;}3.2 PID（Proportion-Differential-Integral）控制智能車的设计过程中主要是根据采集到的数据实现方向的控制和速度的控制，PID控制算法在智能车的控制方面是应用最广泛、控制效果最理想的一种控制算法.PID控制算法中，输出由比例参数P、积分参数I和微分参数D三个参数决定，公式为：输出=P*误差+D*误差的变化+I*误差的积分但在智能车方向控制方面，积分参数I意义不大，因此，舵机控制的设计中主要由比例参数P和微分参数D来计算出pid_out的值，为了防止超调而损坏舵机，一般要对pid_out的值进行限幅，获得的pid_out的值经过简单处理可以用来调整方向舵机的转角和小车的速度.代码如下：int error_d， last_loc， integral_err;int P， D， pid_out;void pid_value （）{error_d=loc-last_loc;pid_out=P*loc+error_d*D;}if（pid_out>PID_MAX） { pid_out= PID_MAX; }if（pid_out< PID_MIN） {pid_out= PID_MIN; }小结基于STM32的循迹小车集教学、训练、比赛为一体，实现了循迹、避障、接力以及数传等功能;在实践教学中，预留的扩展接口能够开发学生的动手能力，可扩展性强;同时，循迹采用PID算法控制，稳定性强，在最近两年的安徽省机器人比赛中获得了优异的成绩.实践证明，该小车功耗低、稳定性高、易于扩展、价格便宜，能够满足教学、训练及一些比赛的需求.参考文献：〔1〕喻伟闯，刘世焯，钱楷，等.基于STC89C52单片机的自动泊车智能小车的设计与实现[J].湖北民族学院学报（自然科学版），2017，35（02）：195-197.〔2〕索南尖措，杨建，周欢欢，等.基于STC89C52单片机的智能小车的设计[J].信息安全与技术，2016，7（04）：67-69.〔3〕唐琳.基于单片机的智能消防灭火车模型的原理及设计[J].赤峰学院学报（自然科学版），2013，29（24）：23-24.〔4〕吕闪，金巳婷，沈巍.基于STM32的循迹避障智能小车的设计[J].计算机与数字工程，2017，45（03）：549-552+588.〔5〕冷雪锋.基于PID的STM32智能小车机器人的设计[J].自动化技术与应用，2016，35（11）：122-127.〔6〕张锴，李世光，朱晓莉，等.基于STM32的智能巡线小车[J].电子测量技术，2012，35（02）：105-107.。
基于STM32 的智能小车设计
第21期2022年11月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.21November,2022基金项目:2021年江苏省高等教育教改研究立项项目;项目名称:基于创客教育的高职‘单片机技术与应用“课程思政建设研究与实践;项目编号:2021JSJG634㊂作者简介:杨阳(1988 ),男,江苏南京人,讲师,工程师,本科;研究方向:单片机,智能控制㊂基于STM32的智能小车设计杨㊀阳,刘庆华(南京机电职业技术学院,江苏㊀南京㊀211306)摘㊀要:针对单片机技术在智能硬件产品设计开发中的应用,文章设计并开发了基于STM32的智能小车系统㊂该系统包括循迹功能单元㊁避障功能单元㊁核心控制单元㊁电机驱动单元㊁云台摄像头单元㊂其中,核心控制单元以STM32F407IGT6单片机作为核心控制芯片㊂整个STM32的智能小车系统采用CAN 总线通信㊂多个处理器同时工作,数据处理更加流畅稳定㊂该智能小车系统能够实现自动循迹㊁超声波测距㊁语音播报㊁ETC 自动开关闸㊁无线充电㊁图像识别㊁车牌识别等功能㊂关键词:单片机;STM32F407IGT6;超声波;图像传输图1㊀基于STM32的智能小车系统架构0㊀引言㊀㊀日常生活中,智能化设备不断普及,不管是智能手机㊁智能家居还是智能汽车,产品一经面世就受到大家的热捧㊂不久之前,百度的智能汽车开始了自己的第一段里程,这也标志着智能汽车将进入人们日常生活㊂自动泊车㊁自动召唤㊁哨兵模式㊁自动巡航㊁自动驾驶等,都已经成为现代汽车制造中可实现的功能,这些功能也进一步使得人们在驾驶时感到轻松有趣,也让驾驶生活变得更加便利[1-2]㊂本款智能小车很好地模仿了现代自动智能汽车的设计,同时以STM32单片机作为小车的核心控制芯片,将单片机技术融入小车的各个功能模块,能够推动单片机技术的蓬勃发展[3-4]㊂1㊀智能车系统架构㊀㊀本系统设计的智能车由循迹单元㊁避障单元㊁STM32控制单元㊁电机驱动单元和云台摄像头单元组成㊂循迹单元是智能车实现自动行驶的基本功能单元,采用光电传感器获取循迹数据㊂避障单元可以保障智能车自动行驶的安全,同时也可以对目标物进行举例测量㊂STM32控制单元是整个系统的核心,负责整个系统的数据处理及控制㊂电机驱动单元提供智能车的动力输出,同时带有测速码盘,实时获取速度信息供处理器控制㊂云台摄像头单元用于实时传输智能车画面,提供画面监控㊂各单元间通过CAN 总线进行数据交互,通信速率最高可达到1Mb /s,系统架构如图1所示㊂2㊀系统硬件设计2.1㊀循迹功能单元设计㊀㊀循迹功能单元电路由红外传感器和微处理器两部分组成㊂红外传感器采用TCRT5000型光电对管,TCRT5000是一种由红外辐射源和光电接收二极管组成的光电传感器,它具有反应速度快㊁功耗低等特点㊂采用该传感器能够较为简单地设计循迹电路,探测有效距离可达5~25mm㊂利用红外光在参照物上的漫反射原理,光电接收管能够将接收到的不同灰度值以模拟量传递给微处理器处理,从而能够准确地识别黑㊁白循迹线,调整运行轨迹,使嵌入式智能车能够安全平稳的运行㊂循迹功能单元架构如图2所示㊂循迹功能电路单元由9组红外对管组成,采用前5后4交叉排列,大大提高了循迹精准度,循迹单元分别排列于智能车前后两端,电路设计如图3所示㊂前5路循迹灯实现对前进方向的道路预判,增强智能车循迹的稳定性,该功能单元处理器采用型号为STM32F103C8T6微控制器,硬件资源多达10个ADC 通道,电路中ADC1-ADC9与微控制器ADC 引脚相连,接收红外传感器的模拟信号,无需附加驱动电路㊂利图2㊀循迹功能单元架构㊀㊀用微控制器自身ADC功能可以方便地设定阈值,达到更准确地循迹效果㊂该处理器支持CAN接口,从而实现对循迹数据的实时采集㊁处理㊁传输[5]㊂2.2㊀避障功能单元设计㊀㊀避障功能采用超声波测距的方法实现,由发射探头㊁接收探头㊁蜂鸣器组成㊂该功能单元保障智能车在执行自动控制如循迹时,确保前方道路通畅㊁周围环境安全㊂超声波发送和接收电路设计原理图如图4所示,当智能车在规定运行轨迹上进行到某一位置处,利用STM32微控制器控制超声波发射电路发送超声波信号,并通过GPIO口获取超声波接收电路的信号,通过时间差计算出超声波传感器与前方障碍物的距离㊂该㊀㊀图3㊀循迹红外对管电路电路由555定时器㊁74HC08(与门)㊁74HC14(非门)㊁CD4069反相器和CY1超声波发射装置组成㊂通过调节电位器RW1可以调节555定时器的输出频率,而超声波实际的输出频率,需要根据超声波传感器的测量误差来进行调节㊂当555定时器输出频率为40kHz,控制引脚INC为低电平时,超声波信号即可发送出去[6]㊂蜂鸣器可作为安全距离报警作用由程序控制㊂2.3㊀核心控制单元电路设计㊀㊀核心控制单元的开发板采用ARM Cortex-M4内核的STM32F407IGT6为主控芯片,最高时钟频率可达168MHz,开发板单元电路接口包括:功能电路单元接口㊁USART通信接口㊁CAN总线通信接口㊁USB方形接口㊁I/O扩展接口㊁DAC接口㊁SD卡槽㊁SWD程序下载接口等,其开发板单元组成如图5所示㊂控制单元电路通过多个CAN总线通信接口实现和其他各电路单元进行通信,循迹功能电路通过CAN 总线将循迹数据发送给开发板,开发板与电机驱动单元通信获取速度信息并控制小车前进㊁后退㊁左转和右转㊂功能任务板通过CAN总线接口实现图像传输和超声波测距算法㊂2.4㊀电机驱动单元电路设计㊀㊀电机驱动单元电路配备独立的微控制器STM32F103RCT6和两组DRV8848电机驱动模块,用于驱动四组带测速码盘的直流电机㊂独立的电机驱动单元可使核心控制器通过更短㊁更快的程序指令进行控制㊂直流减速电机能够提供更加准确的控制㊂电机驱㊀㊀图4㊀超声波接收和发送电路图5㊀开发板单元电路组成图6㊀电机驱动芯片DRV8848电路动芯片DRV8848驱动电路如图6所示,DRV8848是TI 公司的一款双路H 桥电机驱动器芯片,支持单通道/双通道刷式直流电机,单个H 桥最大可提供2A 工作电流,并且能够支持4V ~18V 较宽的工作电压,满足智能车电机驱动的设计需求㊂智能小车中4个电机由4组PWM 进行控制,从而实现电机的正反转以及速度的调节,PWM 信号由微控制器STM32F103RCT6提供,使用20栅格测速码盘能够更加准确地得到电机的转速,从而获得速度信息,准确控制小车的行走路线㊂2.5㊀云台摄像头㊀㊀云台摄像头采用100万像素(720P),该摄像头最大支持1280ˑ720分辨率,远程控制可以实现云台在水平355度,垂直120度范围内的角度调整,可以直接通过网线与A72处理终端连接,同时在无线WiFi 覆盖范围内也支持与客户端无线连接,能够实现摄像头图像采集传输,提供实时监控信息㊂3 软件系统设计3.1㊀系统整体软件设计始化操作,再依次完成系统函数㊁功能模块函数的初始化,包括系统变量定义和系统变量赋初始值等,最后进行功能模块检测,实现与循迹模块㊁避障模块㊁电机驱动模块㊁摄像头模块之间的通信㊂系统初始化并检测完毕后进入等待运行状态,通过智能车板载启动按键启动运行㊂程序判断启动按键是否按下,如果按键被按下则进入主循环,反之则继续判断按键状态㊂主程序会调用各传感器模块函数,执行相关动作㊂系统整体流程如图7所示㊂3.2㊀循迹模块程序设计㊀㊀循迹模块能获取当前智能车所在路线的位置状态,实现智能车路径的自动识别,并且采用CAN 总线读取电机驱动板上的码盘数据并控制直流电机㊂循迹模块单元具有独立的微控制器,能够直接处理传感器的数据,并将当前状态以固定数据格式发送给核心控制单元,循迹模块程序设计流程如图8所示[5]㊂3.3㊀避障程序设计㊀㊀避障模块采用超声波测距的方法实现对目标物距离计算,由程序控制智能车行驶状态,确保车体安全行驶㊂超声波测距是借助超声脉冲发射与接收时间差进行计算的,假设超声波脉冲从发出到接收之间的时间为T ,即超声波经历两段被测距离㊀㊀图7㊀系统整体流程图8㊀循迹模块程序设计流程的时间,超声波在空气中的传播速度为M ,可以得到超声波探头距离被测物体的距离S =(T ˑM )/2㊂避障模块程序设计流程如图9所示㊂3.4㊀电机驱动程序设计㊀㊀智能小车通过循迹模块获取行驶路线,经过核心处理器处理后控制电机驱动模块,该模块通过测速码盘获取左右轮的速度信息,从而准确地控制左右电机,图9㊀避障模块程序设计流程电机驱动模块架构如图10所示㊂电机驱动模块采集测速码盘信息并驱动控制电机,测速码盘是一种集光㊁电一体的传感器,不同规格的测试码盘内部具有不同规格的光栅,可以精确地计算电机运动的状态㊂使用传统的M 法进行测量[7],通过计算在固定的采样时间内测速码盘光电信号输出的脉冲次数,即可得到电机实际的每分钟转速信息㊂电机驱动信号的PWM 由电机驱动模块上的微控制器提供,其占空比的调节根据实际测得速度信息进行控制,确保两侧实际速度与控制速度一致㊂电机驱动模块程序流程如图11所示㊂3.5㊀云台摄像头程序设计㊀㊀智能小车上电后,云台摄像头自动开机执行自检,自检过程中摄像头水平旋转一周,垂直旋转120度,以确保云台功能正常,自检过程约为1分钟,核心板主程序在自检后尝试与摄像头进行通信㊂4 结语㊀㊀经过对STM32智能小车的硬软件分析和测试,该智能车可实现自动循迹㊁避障测距㊁图像传输等一系列智能化的功能,本项目可作为移动机器人的载体,在相关技术成熟以后,可广泛应用于农业㊁工业㊁国防军事图10㊀电机驱动模块架构图11㊀电机驱动模块程序流程[参考文献][1]潘晓贝.基于ARM 嵌入式系统的智能家居系统设计研究[J ].江西电力职业技术学院学报,2018(8):15-16.[2]潘晓贝.基于ARM 嵌入式的智能小车的控制系统设计研究[J ].时代农机,2018(3):136-137.[3]邢晓敏,杨正祥.嵌入式智能小车设计[J ].自动化应用,2017(5):62-64.[4]张晓明.基于嵌入式的智能小车设计[J ].现代制造技术与装备,2016(6):73-74.[5]王栋.基于ARM 的智能探测小车的设计与实现[D ].苏州:苏州大学,2010.[6]蔡静怡,王才峄.基于STM32移动智能小车室内避障模块设计[J ].无线互联科技,2019(4):76-77.[7]宋刚,秦月霞,张凯,等.基于普通编码器的高精度测速方法[J ].上海交通大学学报,2002(8):1169-1172.(编辑㊀傅金睿)Design of intelligent vehicle based on STM 32Yang Yang ,Liu Qinghua(Nanjing Vocational Institute of Mechatronic Technology ,Nanjing 211306,China )Abstract :Aimed at the application of SCM technology in the design and development of intelligent hardware products ,an intelligent car system based on STM 32is designed and developed ,with units including tracking function unit ,obstacle avoidance function unit ,core control unit ,motor drive unit and gimbal camera unit.The core control unit takes STM 32F 407IGT 6microcontroller as the core control chip.The whole intelligent car system of STM 32adopts CAN bus communication ,and multiple processors work simultaneously ,so that the data processing is more smooth and stable.The intelligent car system can realize functions such as automatic tracking ,ultrasonic ranging ,voice broadcast ,ETC automatic switching ,wireless charging ,image recognition ,license plate recognition and other functions.Key words :MCU ;STM 32F 407IGT 6;ultrasonic ;image transmission。
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指导老师： 杨尚明（教授）
2012 年 5 月 21 日 烟台大学 EDA 实验室
基于 STM32 的智能小车 摄像头循迹系统
姓 名： 王 坤 导 师： 杨尚明 （教授）
2012 年 5 月 21 日 烟台大学 EDA 实验室
烟台大学毕业论文（设计）任务书
院（系） ：光电信息科学技术学院 姓名 王坤 学号 200813503229 毕业届别 2012 专业 电子信息工程
毕业论文（设计） 题目 指导教师 杨尚明 学历 本科
基于 STM32 的智能小车摄像头循迹系统 职称 教授 所学专业 无线电技术
具体要求(主要内容、基本要求、主要参考资料等)： 主要内容：设计一个抗干扰能力强的智能小车循迹系统。 基本要求：通过对本课程的设计，能够利用 OV7670 实现黑白线信息采集；并且能够达 到一定的抗干扰效果；能够实现实时采集外界环境信息的效果。 主要参考资料： [1]陈启军. 嵌入式系统及其应用:基于 Cortex-M3 内核和 STM32F103 系列微控制器 的系统设计与开发. [M].北京: 同济大学出版社,2008. [2]谭浩强. C 语言程序设计. [M].北京: 清华大学出版社,2010. [3]曾星星. 基于摄像头的路径识别智能车控制系统设计[J].湖北汽车工业学院学报, 2008(6): P76-80. 进度安排： 第一阶段：1～4 周通过资料、网络、导师了解本设计所需要的知识、资料、相关软件及 设计思路方案； 第二阶段：5～8 周请教老师查阅资料按要求并由实际情况逐渐得出设计方案及方法； 第三阶段：9～11 周根据方案在老师的指导下完成相关的软硬件设计； 第四阶段：12～13 周撰写论文（分初稿、定稿、审合、打印论文） ； 第五阶段：14 周进行优化调试达到目标并进行论文答辩。
指导教师（签字） ： 年 院（系）意见： 月 日
教学院长（主任） （签字） ： 年 备注： 月 日
烟台大学毕业论文（设计）
[摘要]现在人们越来越喜欢安全、节能、环保、智能化和信息化的汽车了，在智能汽车新 时代，无人驾驶技术，得到了飞越的发展，成为了智能车时代的新标志。智能小车不但逐 步提高了车辆的控制水平和驾驶水平，而且也保障了车辆行驶的安全、畅通、高效特性。 本文主要讨论了智能车系统的设计方案，并且对智能车自主行驶的决策以及控制，算法也 进行了相应的研究。 本论文首先设计了智能车的硬件结构，硬件方面以 Cortex-m3 为控制核心，另外其他 辅助模块包括：电源模块，图像传感模块，速度控制模块以及其他功能模块进行辅助，从 而来完成智能车的硬件设计。由于智能车有一个比较复杂跑道，传统的控制算法在复杂跑 道情况下已经无法解决智能车的控制参数的问题。因此本论文做了一些改进，本论文采用 理论结合实际，我们采用了模糊 PID 控制算法来实现对智能车的控制，并进行了一定的实 验。 在该系统中，由 CMOS 摄像头来实现路径识别，通过对小车的闭环控制，使小车能按 照给定的黑色引导线平稳地循迹。该系统能够很好地满足智能车对路径识别性能和抗干扰 能力的要求，稳定误差小，调节相应时间比较快，具有较好的动态性能和良好的稳定性。 实验证明，所设计的智能车具有速度快，适应性强的特点。
分类号
编号
烟 台 大 学 毕 业 论 文（设 计）
基于 STM32 的智能小车 摄像头循迹系统
Intelligent Car Tracking System Based on STM 32 Camera
申请学位： 院 专 姓 学
工学学士
系：光电信息科学技术学院 业： 名： 号： 电子信息工程 王 坤 200813503229
[关键词]智能车；图像处理；比例积分微分
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烟台大学毕业论文（设计）
[Abstract]Now more and more like safety, energy conservation, environmental protection, intelligence and information of vehicles in the new era of smart cars, unmanned technology, has been flying over the development, became the new logo of the smart car era. The smart car has gradually increased the level of control and the standard of driving of the vehicle, but also to protect the safe and smooth traffic, efficient performance. The article focuses on the design of intelligent vehicle systems, and smart car independent driving the decision-making system and control algorithms were also studied. Thesis designs the mechanical hardware structure of the intelligent vehicle hardware to control the core Cortex-m3, other ancillary modules include: the power supply module, the image sensor module, the speed control module and other functional modules to carry out assisted, and thus to complete the smart hardware design of the car. Does not match the smart car a more complicated runway, control algorithms in the control parameters of the smart car has been unable to solve complex runway case. Therefore, this paper has to do improvements, the present theory with reality, we have adopted a fuzzy PID control algorithm to achieve control of the smart car, and carry out certain experiments. In this system, the CMOS camera head path identification, closed-loop control of the car, car tracking smoothly in accordance with the black guide lines given. The system is able to meet the requirements of the intelligent vehicle path recognition performance and anti-jamming capability, small steady state error and adjust the response time is faster, has better dynamic performance and good stability. The experiments show that the design of intelligent vehicle speed adaptability.
[Keywords]Intelligent Car, Image Processing, PID Control2烟台大学毕业论文（设计）
目 录
目 录....................................................................................................................................... 3 绪 论....................................................................................................................................... 1 1 智能车系统总体介绍......................................................................................................... 2 1.1 整体设计概述.............................................................................................................. 2 1.2 关于直流电机的简要介绍.......................................................................................... 3 1.3 CMOS 图像传感器的特点............................................................................................. 3 1.3.1 CMOS 图像传感器的特性..................................................................................... 3 1.4 OV7670 的性能特点与工作方式..............