【一種基于傳感器和數(shù)據(jù)通信的車輛軌跡自動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)（論文）5000字】

一種基于傳感器和數(shù)據(jù)通信的車輛軌跡自動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u7224一種基于傳感器和數(shù)據(jù)通信的車輛軌跡自動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì) 1189401引言 151731.1課題研究背景 1104811.2課題研究意義 117171.3智能小車作用與功能 2304462整體方案設(shè)計(jì) 2126412.1系統(tǒng)組成部分 2106562.2智能小車設(shè)計(jì)思路 2121103硬件部分選定 3254643.1主控模塊 315503.2智能車驅(qū)動(dòng)模塊 3299503.3智能車傳感器模塊 4103093.4輔助電源模塊 4167964控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 54474.1PWM 5276004.2循跡模塊 53494.3避障模塊 730515仿真 8305506結(jié)論 93522參考文獻(xiàn): 101引言課題研究背景隨著人工智能科技的飛速發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為各國(guó)重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的對(duì)象，對(duì)于社會(huì)的進(jìn)步及發(fā)展有著重要意義。最近這幾年，家用小轎車普及度越來(lái)越廣泛，雖然汽車的出現(xiàn)極大的方便了人們的出行，但也不能忽視它帶來(lái)的種種安全隱患。經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致交通事故發(fā)生的重要原因就是，人們開(kāi)車時(shí)由于開(kāi)車時(shí)間太長(zhǎng)從而導(dǎo)致的反應(yīng)速度變慢，處理緊急事情的能力下降。想要解救此問(wèn)題，由人工智能引導(dǎo)的無(wú)人駕駛汽車就是一種極佳的選擇。當(dāng)汽車進(jìn)入特定駕駛軌道的時(shí)候，無(wú)人駕駛汽車的無(wú)人駕駛技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，無(wú)需人工操作，此時(shí)駕駛員則可以處于休息的狀態(tài)，大大的降低了駕駛員的駕駛時(shí)間，也可以自動(dòng)導(dǎo)航避障，有效的降低交通事故的發(fā)生[1]。課題研究意義無(wú)人駕駛技術(shù)最核心，同時(shí)也是最重要的功能就是自動(dòng)循跡和避障。那么對(duì)智能小車的自動(dòng)循跡和避障功能的深入研究，對(duì)提高智能小車的性能有著重大的影響，且自動(dòng)循跡和自動(dòng)避障功能是智能汽車與智能機(jī)器人的基礎(chǔ)功能，在民用乃至軍事等方面都有著廣泛的應(yīng)用。所以，研究智能小車的自動(dòng)循跡和避障功能有著重大的實(shí)用性價(jià)值。此設(shè)計(jì)可以為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)便利和發(fā)展前景，具有很強(qiáng)的價(jià)值與意義[2]。智能小車作用與功能隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，智能小車發(fā)展很迅速，各行業(yè)都有發(fā)展成果。比如說(shuō)：智能玩具和掃地機(jī)器人等。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)避障礙物等基本功能。本文的設(shè)計(jì)智能小車的功能實(shí)現(xiàn)主要是運(yùn)用紅外反射光線來(lái)進(jìn)行循跡和避障，從而控制小車不會(huì)撞到障礙物上面。它的主要功能有：（1）自動(dòng)識(shí)別路徑駕駛；（2）掃描周邊障礙物并自主避障；（3）自動(dòng)與前后方車輛保持安全間距；（4）自主控制車速；總體來(lái)說(shuō)智能汽車最主要的特點(diǎn)就是自主識(shí)別道路和障礙物，可以沿著特定的軌跡行駛，并自主繞開(kāi)障礙物[2]。2整體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)組成部分本文介紹的系統(tǒng)硬件組成部分有：STM32F103R6T6單片機(jī)，多路穩(wěn)壓電源模塊，ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，紅外光電反射傳感器模塊和能夠促使小車移動(dòng)的直流電機(jī)。具體的硬件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1硬件模塊結(jié)構(gòu)圖2.2智能小車設(shè)計(jì)思路本文設(shè)計(jì)的智能小車一共由四個(gè)主要模塊組成，分別是：（1）多路穩(wěn)壓電源模塊。為小車提供所需的各種電壓，相當(dāng)于人的心臟；（2）傳感器檢測(cè)模塊。為小車檢測(cè)道路信息，相當(dāng)于人的感官；（3）STM32F103R6T6單片機(jī)最小系統(tǒng)。接受處理并輸出各類信息，相當(dāng)于人的大腦；（4）直流電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使小車能夠正常行駛，相當(dāng)于人的四肢。本設(shè)計(jì)的基本功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡和自動(dòng)避障，還可以擴(kuò)展紅外遙控等功能。該智能小車以STM32F103R6T6單片機(jī)作為主控芯片，選用直流電機(jī)作為動(dòng)力，通過(guò)電池供電給電源模塊，電源模塊在給系統(tǒng)的各模塊供電，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。循跡和避障部分采紅外測(cè)距避障，使用PWM對(duì)小車進(jìn)行調(diào)速和轉(zhuǎn)向。3硬件部分選定3.1主控模塊STM32F103R6T6單片機(jī)是由意大利的意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM微控制器。芯片有2個(gè)基本定時(shí)器，4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，112個(gè)通用IO口，時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz。各種參數(shù)都足以滿足主控芯片對(duì)汽車運(yùn)行的要求，而且性能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，性價(jià)比極高，所以我們選擇了這種芯片。Proteus仿真芯片如圖2所示[3]。圖2STM32F103R6T63.2智能車驅(qū)動(dòng)模塊智能車的基本運(yùn)行是通過(guò)直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。本次設(shè)計(jì)需要保證小車可以自動(dòng)追蹤黑線行進(jìn)，所以需要考慮到小車的調(diào)速以及變向功能。該功能我們可以通過(guò)STM32芯片配合直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，但是我們知道STM32芯片的輸出能力較弱，對(duì)于直流電機(jī)這種需要大電流才能驅(qū)動(dòng)的負(fù)載而言，STM32芯片無(wú)法使其正常工作，所以在使用時(shí)要加入相應(yīng)的功率放大器件。這里我們采用的是直流電機(jī)常用的TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)如圖3所示。圖3TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)3.3智能車傳感器模塊智能車的傳感器選用紅外光電反射傳感器模塊。該模塊一般由紅外對(duì)管和LM339比較器組合而成。四路紅外對(duì)管傳感器電路圖如圖4所示。圖4紅外光電反射傳感器模塊圖4中的P1、P2、P3、P4為紅外對(duì)管接口，可接四路紅外對(duì)管。LM339是一款內(nèi)部有四個(gè)獨(dú)立電壓比較器的四路差分比較器。這個(gè)就是整個(gè)電路工作的核心。3.4輔助電源模塊本系統(tǒng)通過(guò)電池供電，但系統(tǒng)每個(gè)模塊所需電壓不同，STM32芯片和紅外傳感器需要3.3V電壓，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊則需要至少5V電壓，所以需要輔助電源來(lái)為各個(gè)模塊供給不同的電壓。5V電按壓轉(zhuǎn)換可以選用AMS1117-5.0電源芯片，將電池電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓供給系統(tǒng)，3V電壓轉(zhuǎn)換可以選用AMS1117-3.3電源芯片，將AMS1117-5.0提供的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V供給系統(tǒng)。輔助電源模塊如圖5所示。圖5輔助電源模塊4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由自主循跡和自動(dòng)避障兩個(gè)部分組成，這是一種模塊化思想，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)或其他設(shè)計(jì)有著明顯的幫助。系統(tǒng)流程如下：紅外傳感器采集信息-->信息傳遞給單片機(jī)-->單片機(jī)處理信息-->單片輸出信息給驅(qū)動(dòng)電路。4.1PWMPWM技術(shù)全稱叫做脈沖寬度調(diào)制（Pulsewidthmodulation，PWM）技術(shù)。它是一種模擬控制方式，可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)進(jìn)行模擬信號(hào)輸出。本文中電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)就是靠PWM信號(hào)來(lái)完成的，PWM信號(hào)之所以能夠調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是因?yàn)樵撔盘?hào)能夠控制智能小車直流電源的開(kāi)關(guān)頻率，這樣就能調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的電壓，完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。不僅僅在電機(jī)調(diào)速控制用到PWM，在其他的如溫度調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)等控制方面也會(huì)用到PWM[4]。可以使用STM32的通用定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。Stm32通用定時(shí)器不僅可以測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度，即輸入捕獲，還可以產(chǎn)生輸出波形，即輸出比較和pwm波形。STM32的通用定時(shí)器之間存在不會(huì)進(jìn)行互相干涉，都是一個(gè)完全可以獨(dú)立的[5]。PWM初始化代碼如圖6所示。圖6PWM初始化代碼在本設(shè)計(jì)中，PWM控制直流電源通斷的周期是固定的，根據(jù)智能小車循跡傳感器采集到的路面信息，由智能小車單片機(jī)運(yùn)行相關(guān)程序改變一個(gè)周期內(nèi)電源“通”與“斷”的時(shí)間，也就是改變了電源的占空比。4.2循跡模塊本文設(shè)計(jì)的智能小車有自主循跡行進(jìn)的功能，通過(guò)小車的底盤下的四個(gè)紅外傳感器模塊，可以檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的軌道信號(hào)，本文用黑線代替軌道。根據(jù)黑色不反射光線原理，如果小車前面兩側(cè)的紅外循跡模塊檢測(cè)到黑線，說(shuō)明小車方向偏了，從而控制小車糾正行車方向，使得小車沿著設(shè)計(jì)好的黑線向前行駛。但如果小車左側(cè)的紅外傳感器檢測(cè)到黑線，說(shuō)明小車的位置偏移到了右側(cè)，此時(shí)可以加快右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速或者減少左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得小車向左轉(zhuǎn)向，但如果在右側(cè)檢測(cè)到黑線，說(shuō)明小車向左側(cè)偏移了，則需要調(diào)整小車方向向右側(cè)行駛。小車通過(guò)四個(gè)傳感器不斷的探測(cè)軌道信息，從而不斷的改變小車前進(jìn)方向，則可以讓小車一直沿著預(yù)定的軌道行駛。循跡模塊程序流程圖如圖7所示[6]。通過(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)到的反饋信號(hào)可分為以下幾種情況。具體實(shí)驗(yàn)分析如下：情況１：小車最左和最右側(cè)傳感器未檢測(cè)到黑線信號(hào)，中間兩個(gè)傳感器其中之一檢測(cè)黑線信號(hào)，說(shuō)明小車正在預(yù)定軌道上正常行駛，未偏離軌道方向，則單片機(jī)向兩邊電機(jī)輸出相同占空比的PWM信號(hào)，使小車直線行駛。情況2：小車中間兩個(gè)傳感器其中之一檢測(cè)黑線信號(hào)，最左側(cè)傳感器檢測(cè)到黑線信號(hào)，最右側(cè)傳感器未檢測(cè)到黑線信號(hào)，說(shuō)明小車向右側(cè)偏移，單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)，增加右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，或者降低左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得小車向左側(cè)轉(zhuǎn)向。情況3：小車中間兩個(gè)傳感器其中之一檢測(cè)黑線信號(hào)，最右側(cè)傳感器檢測(cè)到黑線信號(hào)，最左側(cè)傳感器未檢測(cè)到黑線信號(hào)，說(shuō)明小車向左側(cè)偏移，單片機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)，增加左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，或者降低又側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得小車向右側(cè)轉(zhuǎn)向。情況4：小車四個(gè)傳感器均未檢測(cè)到黑線信號(hào)，說(shuō)明小車以偏離跑道行駛，單片機(jī)可通過(guò)停止向電機(jī)輸送PWM信號(hào)來(lái)停止小車前行。圖7循跡模塊程序流程圖4.3避障模塊本設(shè)計(jì)給智能小車添加了自動(dòng)避障的功能。智能小車可以通過(guò)紅外對(duì)管傳感器探測(cè)到前方是否存在障礙物，當(dāng)小車檢測(cè)到前方障礙物距離過(guò)近，單片機(jī)會(huì)向驅(qū)動(dòng)模塊輸出停止信號(hào)，讓小車停下。但由于小車具有慣性，當(dāng)單片機(jī)輸出停止信號(hào)時(shí)小車依然會(huì)繼續(xù)向前行駛一段距離。此時(shí)小車便可能撞向障礙物，增大了自動(dòng)駕駛的危險(xiǎn)性。所以為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)倒車程序，但單片機(jī)檢測(cè)到前方存在障礙物時(shí)，單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)反向PWM信號(hào)，可以使得直流電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而大大的提高了智能小車的安全性。[7]。障礙避免模塊程序流程圖顯示在圖8中。圖8避障模塊程序流程圖5仿真圖9仿真圖圖9為仿真圖。本設(shè)計(jì)中一個(gè)電機(jī)使用雙PWM通道控制，即兩個(gè)PWM信號(hào)控制一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果使用單個(gè)PWM信號(hào)控制一個(gè)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)需要改變轉(zhuǎn)速，只能通過(guò)改變單一信號(hào)的PWM占空比來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)具有慣性，所以這種方法不能并不能做到及時(shí)改變轉(zhuǎn)速，而且電機(jī)轉(zhuǎn)向還無(wú)法改變[8]。使用兩個(gè)PWM信號(hào)控制一個(gè)電機(jī)，則可以在電機(jī)需要改變轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)同時(shí)改變兩個(gè)PWM信號(hào)來(lái)及時(shí)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)還可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，極大的提高了小車的穩(wěn)定性和靈活性[9]。紅外對(duì)管反射傳感器作用于單片的的原理是，檢測(cè)到黑線或者障礙物向單片機(jī)傳遞一個(gè)高或者低的數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)。由于Proteus軟件中沒(méi)有紅外對(duì)管傳感器，所以我們可以選用按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)替代紅外傳感器，按鍵按下表示檢測(cè)到黑線或者障礙物，按鍵彈出則表示為檢測(cè)到黑線或者障礙物，以此來(lái)模擬紅外傳感器的效果[10]。如圖9所示，左一和右一分別表示小車底盤最左側(cè)和最右側(cè)紅外傳感器，左二和右二則表示小車底盤中間兩個(gè)紅外傳感器，避一和避二表示小車上方避障模塊所用的紅外傳感器。當(dāng)左一右一按鍵彈出，左二或右二按鍵按下，表示小車最左和最右側(cè)傳感器未檢測(cè)到黑線信號(hào)，中間兩個(gè)傳感器其中之一檢測(cè)黑線信號(hào)。說(shuō)明小車正在預(yù)定軌道上正常行駛，未偏離軌道方向。當(dāng)左二或右二按鍵按下，左一按鍵按下，右一按鍵彈出，表示小車中間兩個(gè)傳感器其中之一檢測(cè)黑線信號(hào)，最左側(cè)傳感器檢測(cè)到黑線信號(hào)，最右側(cè)傳感器未檢測(cè)到黑線信號(hào)，說(shuō)明小車向右側(cè)偏移。當(dāng)左二或右二按鍵按下，左一按鍵彈出，右一按鍵按下，表示小車中間兩個(gè)傳感器其中之一檢測(cè)黑線信號(hào)，最右側(cè)傳感器檢測(cè)到黑線信號(hào)，最左側(cè)傳感器未檢測(cè)到黑線信號(hào)，說(shuō)明小車向左側(cè)偏移。當(dāng)四個(gè)按鍵同時(shí)彈出，表示小車四個(gè)傳感器均未檢測(cè)到黑線信號(hào)，說(shuō)明小車以偏離跑道行駛。當(dāng)避一和避二按鍵彈出，表示小車上方兩個(gè)避障模塊紅外傳感器均未檢測(cè)到前方有障礙物，當(dāng)避一或避二按下，則表示小車檢測(cè)到前方有障礙物，此時(shí)小車停下并發(fā)出聲光報(bào)警，直至前方無(wú)障礙物為止。6結(jié)論在目前人工智能的大趨勢(shì)下，智能汽車這個(gè)課題必然會(huì)成為當(dāng)下熱門研究?jī)?nèi)容。伴隨著汽車制造技術(shù)與人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)駕駛的人工智能汽車的發(fā)展速度也隨之加快，本文則主要以智能汽車的自主循跡和自主避障兩方面功能展開(kāi)了深入的研究工作。本文設(shè)計(jì)的智能小車主控芯片選用STM32系列單片機(jī)中的STM32F103R6T6芯片，此芯片用作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和信號(hào)輸出的功能；傳感器則選用紅外對(duì)管光電傳感器，用于采集軌道和障礙物信息；TB6612芯片做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)；在配合MDK軟件與C語(yǔ)言作為智能小車系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一種基于傳感器和數(shù)據(jù)通信的車輛軌跡自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。

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