技 术 与 市 场 第18卷第6期2011年 技 术 研 发 基于STM32的智能小车设计 周 柱，孟 文，田环宇 (西南交通大学 智能机电技术研究所，四川 成都 610031) 摘 要:介绍了基于STM32F103C08芯片的智能小车硬件和软件系统设计。 智能小车应用超声波传感器和红外光电传感器 采集外部障碍信息；使用左、右两侧电动机的差速驱动实现转向 ；采用光电编码器测量 实时转速 ；避障控制采用模糊控制 算法；外部通信拓展了无线和有线两种方式。 软件使用模块化设计，方便进行后续更新和升级 。 该智能小车可以作为对智 能车辆进一步研究的平台。 关键词：STM32；智能小车；模糊控制；外部通讯 doi:10.3969/j.issn.1006- 8554.2011.06.001 0 引言 智能小车是能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在 有障碍物的复杂环境中面向目标的自主运动，从而完成一定作 业功能的机器人系统。它的系统设计是以汽车电子为背景，涵 盖机械、电子技术、传感器技术、控制等多学科的创意设计。本 设计采用意法半导体公司的STM32F103C08芯片作为主控制芯 片，该芯片具有先进的内核结构、优秀的功耗控制、性能出众而 且功能创新的片上外设、高度的集成整合、易于开发等特点，适 宜作为小车的主控制芯片。 1 智能小车控制系统设计 智能小车采用差速驱动式的四轮轮式机构作为小车的机 械结构，驱动电机选用额定电压12 V，额定功率5 W的直流电 机。智能小车控制系统具备了障碍物检测、自主定位、自主避 障、外部通讯扩展等功能。相应的控制系统模块主要包括：电源 模块、微控制器模块、障碍物检测模块、电机驱动模块、速度检 测模块、CAN总线通信模块，无线通信模块等部分。系统总体框 图如图1所示。 块电路设计主要为主控制器添加电源电路、晶振电路、复位电路 以及JTAG电路。其最小系统电路图如图2所示，图3为JTAG电路： 图2 主控制器最小系统电路 图1 系统总体框图 1.1 电源系统设计 1.3 障碍物检测模块设计 图3 JTAG电路 本文设计的智能小车,其能耗主要为控制电路和电机驱动 电路两部分。其中控制电路部分使用+3.3 V和+5 V直流供电， 驱动电机部分使用+12 V直流供电。因此设计选用10节1.2 V， 4 500 mAh的锂电池串联作为系统的供电电源，+12 V的电压可 以直接由电池组得到，控制电路部分所需的+5 V电压通过三端 稳压块7805转换得到。而主控制器所需的+3.3 V，需通过低压 差电压调节芯片LM1117转换+5 V电压得到。 1.2 微控制器模块设计 系统采用STM32F103C08作为控制系统的主控制器。它的模 模块使用超声波传感器和红外光电传感器对前方障碍物 信息进行检测。超声波传感器采用HC- SR04超声波测距模块， 此测距模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能。其测 距精度可达到3 cm。它与外界相连接的四个端口分别为Vcc， GND，TRIG，ECHO。其工作原理为主控制器提供一个10 μs以 上脉冲触发信号到TRIG端，该模块内部将发出8个周期为40 kHz电平并检验回波，一旦检测有回波信号ECHO端则输出回 响信号，在主控制器端产生中断。通过主控制器内部通用定时 器计算发出触发信号到收到回响信号的时间间隔，从而可确定 1 

技 术 研 发 障碍物的距离。红外光电传感器选用的是Arduino数字型红外 开关。使用时设定其探测距离为70 cm，传感器正常状态下输出 高电平，检测到障碍物目标输出低电平。 1.4 电机驱动模块设计 智能小车的驱动轮分别使用两个直流电机单独驱动，由主 控制器内部的通用定时器产生两路PWM信号输出控制两个驱 动电机的转速。因直流电机工作所需的电压、电流较大，且转动 方向的改变需要通过调整所加电压极性来实现。因此，必须通 过专门的电机驱动电路来进行控制。系统使用意法半导体公司 的L293D专用电机驱动芯片作为小车左、右驱动轮的直流电机 的核心功率模块。 L293D为四重推挽驱动电路，可驱动2个直流电机。EN为电 机使能端。使用主控制器通用计时器输出二路PWM信号给EN 端。当EN端输入为高电平的时候，电机处于使能状态，当EN端 输入为低电平时，电机就停止。另外使用四个I/O引脚与L293D 的INPUT1,2,3,4引脚相连，用于改变电机的转速和方向。OUT1 和OUT2分别与两个电机的输入端相连，可带动电机转动。 1.5 速度检测模块设计 智能小车的两个驱动轮上加装增量光电编码器，随被测轴 一起转动，在轴旋转一周中编码器在固定位置上产生一个脉 冲，通过检测单位时间的脉冲数，即可确认电机的转速。速度 检测采用M/T测速法，也称为频率/周期法，即同时测量时间以 及在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数得到转速。 1.6 通信扩展模块设计 主控制器STM32F103C有各种通信外围接口可供扩展，包 括USART、CAN、I2C、SPI和USB。本文设计的通信扩展主要分 为有线和无线两部分。有线通信模块使用CAN总线，主控制器 STM32F103C8内嵌CAN总线控制器，可通过CAN总线接收芯片 TJA1050与CAN总线连接，CAN总线可为机器人间提供可靠的 有线通信；而无线通信模块主要是通过串行接口（USART）扩 展的无线射频模块PTR2000。 2 智能小车控制系统的软件设计 小车的控制方式分两种，一种是远程无线指令控制，另一 种是自主行进，即在小车向前行进的时候通过传感器检测到信 号后，根据左侧、正前、右侧判断障碍物距离，同时使用里程统 计的方式进行自主定位，从而得到与目标点的定位信息，然后 通过改变电机驱动模块的输入信号，调节电机的转速和方向， 使左右驱动轮产生速度差，从而使小车避开障碍物，继续行进。 图4为智能小车控制系统的主程序流程图。 3 智能小车避障的模糊控制 3.1 模糊控制原理 模糊控制是一种基于模糊数学理论的新型控制方法。模糊推 理控制方式借助模糊数学这一工具通过推理来实现控制。经典数 学以精确方法来描述事物。模糊数学与之不同，它以隶属函数恰 当的描述事物的模糊性，并且把具有模糊现象和模糊概念的事物 处理成精确的东西。模糊控制器的结构如图5所示。它是由模糊输 入接口、模糊推理模块以及模糊输出接口三个部分组成的。 3.2 模糊控制器的设计 避障路径规划模糊控制器的输入量包括小车前方左、中、 2 TECHNOLOGY AND MARKET Vol.18,No.6,2011 图4 系统主程序流程图 图5 模糊控制器的结构 和A，输出为小车的转动角度B。其中：d1、d2 右三个方向上的障碍物距离信息，再加上通过自主定位时得到 的目标点与小车当前行进方向夹角A。设置模糊推理控制器的 输入为d1、d2、d3 和d3 分别表示智能小车右方、前方和左方距离障碍物的距离；A表 示智能小车运动方向与目标中心连线的目标定位。当目标在智 能小车右方时，目标定位A为正，否则A为负。输出变量B表示智 能小车的转动角。当智能小车转向为右方向时，转向角B定义 为正；当转向为左方向时，B定义为负。 和d3 定义模糊推理控制器的输入变量d1、d2 的模糊语言变 量为{Near，Far}={“近”，“远”}；目标定位变量A的模糊语言分为 {LB，LS，Z，RS，RB}= {“左大”，“左小”，“零”，“右小”，“右大”}。 输出变量B的模糊语言描述分成{TLB，TLS，TZ，TRS，TRB}={“左 大”，“左小”，“零”，“右小”，“右大”}。 当探测到障碍物接近智能小车时，智能小车应改变运动轨 迹，以避免碰撞。智能小车转动的基本规则是，当探测到智能小 车左（右）和前方出现障碍物时，智能小车应及时转向右（左）方 向。设计的模糊控制器规则库共有四十条规则，以传感器在左 侧和前侧均探测到障碍物接近智能小车为例，规则如下 r21：if d1 is FAR and d2 is NEAR and d3 is NEAR and A is LB then B is TRS; r22：if d1 is FAR and d2 is NEAR and d3 is NEAR and A is LS then B is TRS; （下转第4页） 

技 术 研 发 1.4 报警功能 监测单位在监测数据达到设定的各监测项目和各测点的 控制指标时，在未使用系统时是以口头和书面形式向有关部门 报告的，这种人工的报告方式存在上报和反馈信息渠道不畅， 造成漏报、晚报的可能。系统的预报警功能，则有效地避免了此 类事情的发生。系统会依据预先设定的各监测项目和各测点的 控制指标，结合监测基准，来判断当前监测项目和各测点的安 全状态，并以不同的颜色在地图上动态发布出来，使用户可以 非常方便地看到报警的测点空间位置和监测项目的空间分布 信息以及报警值。 1.5 监测数据分析决策功能 系统对于监测数据进行分析，预测数据的变化趋势，用来 指导实际的施工。系统可以利用一些以往的施工案例，对于监 测项目或各测点的时态变化数据、变化速率进行科学的分析。 对于关键区域、关键时刻给出重点监测建议，有利于保证铁路 隧道施工的安全，降低施工带来的风险。 1.6 文档资料管理功能 系 统 可 以 把 所 有 监 测 项目 中 以 Word、Excel、JPG、PDF、 DWG等格式存在的设计文档资料、设计图纸资料、监测方案资 料、关键的巡视图片资料等信息一起上传服务器，以便用户查 询访问。 1.7 用户权限设置功能 系统依据现有的管理体系和用户要求，把现有用户按区域 进行划分。系统设立一个总管理员来管理各区域管理员，各区 域管理员把自己区域的用户分为监测公司用户、监管公司用 户、设计单位用户、监理单位用户等不同用户角色，并对不同角 色赋予不同的用户权限。各用户分配一定角色，赋予不同权限 职责后，登陆到系统进行操作。这可以有效地保证数据访问的 安全，同时保证当各工点或监测对象出现异常状态时，可以及 时地通知到相关负责人。 2 结束语 WebGIS技术以数字化信息为核心的信息系统对土木工程 领域原有的设计模式、检测和监测技术产生了深远的影响。信息 系统的自动化、网络化、以及数据库技术为解决现存监测工作的 TECHNOLOGY AND MARKET Vol.18,No.6,2011 图1 铁路隧道监测系统的用户界面 不足提供了重要途径。为了能及时对铁路隧道线下工程稳定程 度和变形进行分析，并能长期安全地保存监测信息，以实现信息 化施工，有必要建立一套隧道地下工程监测系统。它不仅用于分 散的、各自独立的施工现场的监测数据的管理，还可以对所有监 测数据进行集中统一管理和长期保存，让用户及时、准确地查询 信息、获取监测信息，为施工决策、施工安全、降低施工成本提供 科学依据，也为今后类似的工程提供良好的管理经验。(图1为系 统用户界面展示) 基于WebGIS的铁路隧道监测系统的建立，借助了地理信 息系统平台，直观有效地展示了地铁施工中各监测对象和监测 点的空间分布状态和监测数据。其迅捷的监测数据和属性信息 查询功能，动态的预报警功能，使地铁施工工程管理能够从全 局把握，也使第三方监测真正起到指导施工，及时发现问题，有 效地预防地铁施工中可能出现的事故的作用，从而保证地铁施 工和人民生命财产的安全。 参考文献： [1] 甘 泉.基 于oracle空 间 数 据 库 的 铁 路 工 务WobGIS网 上 发 布 系统的研究[D].成都:西南交通大学，2003. [2] 韩秀媛.铁路建设项目管理信息系统(RCPMIS)研发的思 考 [J].铁道建筑，2006，(5):102-105. 作者简介： 阴鹏（1981-），男，黑龙江牡丹江人，西南交通大学硕士 研 究生，主要研究方向：地理信息系统、WebGIS。 (上接第2页) r23：if d1 is FAR and d2 is NEAR and d3 is NEAR and A is Z then B is TRS; r24：if d1 is FAR and d2 is NEAR and d3 is NEAR and A is RS then B is TRB; r25：if d1 is FAR and d2 is NEAR and d3 is NEAR and A is RB then B is TRB; 外设接口资源，并结合CAN总线以及无线通讯接口为智能小车 提供了一个功能强大并具有一定扩展性的硬件平台。在软件 设计中使用模块化设计，方便进行软件更新和升级。本小车可 作为对智能车辆进一步研究的平台。 参考文献： [1] 蔡 自 兴,贺 汉 根,陈 虹.未 知 环 境 中 移 动 机 器 人 导 航 控 制 理 论与方法[J].控制理论与应用.2009，(1). 最后使用重心法将输出模糊量清晰化，即将每个输出变量 [2] 李 宁.基 于MDK的STM32处 理 器 开 发 应 用[M].北 京 航 空 航 的隶属度值乘以输出隶属度集合的最大单值，从而得到一个与 隶属度集合等价的输出值; 再将对应各个集合的等价值相加， 然后进行归一化处理，就得到了这一输出的等价输出值。 4 总结 本设计选择意法半导体公司的STM32F103微控制器作为 核心处理器，利用其高速的处理能力和芯片内部集成的丰富的 天大学出版社,2008. [3] 丛爽.神经网络、模糊系统及其在运动控制中的应用[M].合 肥:中国科技大学出版社,2001. 作者简介： 周柱(1980-)，男，湖北孝感人，硕士研究生，就读于西南交 通大学，研究方向：机电液一体化系统控制及仿真 。 4