-PAGEI-摘要本研究旨在探討如何利用先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對小車運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，智能車輛技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32的坡道行駛小車，該控制系統(tǒng)在當(dāng)前研究中備受關(guān)注。通過PID算法對四個(gè)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對小車速度的準(zhǔn)確控制，并通過三路紅外傳感模塊實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)路徑的檢測與處理，從而實(shí)現(xiàn)小車的基本運(yùn)動(dòng)模式與始、停功能。本研究硬件方案的核心組件選定為STM32F407ZGT6型微控制器，其與霍爾效應(yīng)編碼電機(jī)以及TB6612型電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊共同構(gòu)建了系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。通過對PWM脈沖信號(hào)的有效運(yùn)用，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對智能小車運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，利用三路紅外傳感器實(shí)現(xiàn)紅外探測電路，檢測電路，實(shí)現(xiàn)小車的巡線控制功能。按鍵模塊實(shí)現(xiàn)的按鍵電路可在程序中輸入目標(biāo)完成時(shí)間，確保小車在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成爬坡任務(wù)。關(guān)鍵詞 ：PID算法STM32傳感器PWMAbstractThepurposeofthisstudyistoexplorehowtouseadvancedembeddedsystemtechnologytoachieveaccuratecontrolofvehiclemotion.WiththerapiddevelopmentoftheInternetofThingsandintelligenttransportationsystems,intelligentvehicletechnologyhasbeenwidelyusedinvariousfields.Inthispaper,wedesignandimplementakindofSTM32-basedrampcarcontrolsystem,whichhasattractedmuchattentioninthecurrentresearch.ByusingPIDalgorithmtocontrolthefourmotorsinrealtime,thespeedofthecarisaccuratelycontrolled,andthetargetpathisdetectedandprocessedbythreeinfraredsensingmodules,soastorealizethebasicmotionmodeandstartandstopfunctionsofthecar.ThehardwaresystemofthisdesignmainlyusesSTM32F407ZGT6singlechipmicrocomputerasthecore,combinesHallcodemotorandTB6612motordrivetorealizethemotordrivecircuit,andrealizesthedrivingfunctionofthecarthroughtheoutputofPWMwave.Atthesametime,theinfrareddetectioncircuitanddetectioncircuitarerealizedbyusingthreeinfraredsensorstorealizethepatrolcontrolfunctionofthecar.Thekeycircuitrealizedbythekeymodulecaninputthetargetcompletiontimeintheprogramtoensurethatthecarcancompletetheclimbingtaskwithinthespecifiedtime.Keywords:PIDAlgorithm,STM32,Sensor,PWM目錄TOC\o"1-3"\h\u1引言 11.1研究背景與意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3本課題的主要內(nèi)容 22系統(tǒng)整體方案的總體設(shè)計(jì) 42.1整體設(shè)計(jì)思路 42.2方案對比和硬件器件的選擇 42.2.1主控芯片方案的對比 42.2.2循跡方案的對比 52.2.3曲線循跡方案的對比 62.2.4驅(qū)動(dòng)模式方案對比 72.2.5測速調(diào)速方案的選擇 82.2.6系統(tǒng)電源電路方案選擇 82.2.7指定時(shí)間錄入方案 93系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 103.1硬件系統(tǒng)框圖 103.2STM32主控電路 113.3循跡電路設(shè)計(jì) 123.4按鍵電路設(shè)計(jì) 133.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 143.6報(bào)警電路設(shè)計(jì) 163.7系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 174系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 184.1STM32F407ZGT6處理器介紹 184.2ARM軟件開發(fā)環(huán)境 184.3主程序設(shè)計(jì) 194.4循跡程序設(shè)計(jì) 214.4.1小車循跡原理 214.4.2小車循跡軟件流程 214.5定時(shí)器模式配置軟件流程 224.5.1定時(shí)器關(guān)于PWM波的原理 224.5.2定時(shí)器輸出PWM波的軟件流程 244.5.3編碼器輸入輸出的設(shè)計(jì) 254.5.4小車任務(wù)輸入設(shè)計(jì) 264.5.5任務(wù)完成與報(bào)警設(shè)計(jì) 274.6PID算法 284.6.1設(shè)計(jì)PID算法調(diào)速 284.6.2小車調(diào)速程序設(shè)計(jì) 315系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試過程 335.1紅外傳感器實(shí)驗(yàn)與調(diào)試 335.2按鍵錄入目標(biāo)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試 345.3系統(tǒng)電源的測試 355.4調(diào)速算法的調(diào)試 365.4.1電機(jī)轉(zhuǎn)向與編碼器測速的調(diào)試 365.4.2調(diào)試PID算法 375.5試驗(yàn)與調(diào)試 385.5.1小車外部設(shè)計(jì) 385.5.2綜合試驗(yàn) 38總結(jié) 41致謝 42參考文獻(xiàn) 43--1引言1.1研究背景與意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化智能系統(tǒng)已經(jīng)深入到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，展現(xiàn)出了其所蘊(yùn)含的雄厚的潛力。智能循跡技術(shù)作為自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，具有深厚理論支持、創(chuàng)新性和可拓展性，未來展望廣闊，更具有廣泛的實(shí)用性和發(fā)展空間。通過引入先進(jìn)的傳感器技術(shù)和智能控制算法，自動(dòng)循跡小車實(shí)現(xiàn)了對路徑的自主識(shí)別和跟蹤，為移動(dòng)裝置的智能化，實(shí)用化提供了新的可行性，能夠代替人類完成較為復(fù)雜，繁瑣的活動(dòng)，節(jié)能提效。此外，自動(dòng)循跡小車的一些功能可以在諸多實(shí)用性工具上體現(xiàn)，例如在無人戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈追蹤技術(shù)、自動(dòng)泊車和自動(dòng)巡航等設(shè)備中都有體現(xiàn)。自動(dòng)循跡小車的自動(dòng)化駕駛技術(shù)是其核心功能之一。借助先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)，自動(dòng)循跡小車能夠?qū)崟r(shí)獲取周圍環(huán)境的信息，包括地面的軌跡和障礙物等，從而實(shí)現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和跟蹤。通過對智能控制算法的提升與對硬件系統(tǒng)的增強(qiáng)，自動(dòng)循跡小車可以在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行駛狀態(tài)，能夠優(yōu)秀且準(zhǔn)確的完成人工設(shè)置的目標(biāo)任務(wù)并能智能的對特殊情況做對應(yīng)應(yīng)急處理。近年來，自動(dòng)循跡小車在技術(shù)和應(yīng)用方面取得顯著發(fā)展，隨著OpenAI公司發(fā)布ChatGPT，人工智能掀起了激動(dòng)人心的浪潮，Google、特斯拉、小米、極氪、華為等一眾物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)軍企業(yè)加入，傳感器技術(shù)和人工智能算法不斷進(jìn)步，自動(dòng)循跡小車的感知和決策能力不斷提升。新一代的自動(dòng)循跡小車能夠更準(zhǔn)確的感知周圍環(huán)境，在自動(dòng)駕駛中，能更智能的做出行駛決策，更高效，更安全的完成行駛需求。算法和傳感器作為自動(dòng)循跡小車的重要構(gòu)成因素，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化駕駛功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步和智能控制算法的優(yōu)化使得自動(dòng)循跡小車能夠?qū)崿F(xiàn)路徑的自主識(shí)別和跟蹤，而算法則更能讓小車具備智能調(diào)節(jié)的作用，提高了移動(dòng)裝置的智能化水平。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自動(dòng)循跡小車在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀展示了其在自動(dòng)化駕駛領(lǐng)域的前沿技術(shù)和發(fā)展趨勢。在中國，自動(dòng)循跡小車的研究和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，許多高校和科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行相關(guān)研究。例如，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等知名院校的機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)自動(dòng)循跡小車技術(shù)，不斷推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。國內(nèi)企業(yè)如百度、騰訊、小米等也在積極探索自動(dòng)駕駛技術(shù)，推動(dòng)自動(dòng)循跡小車在智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用。其中清華大學(xué)的自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室一直處于該領(lǐng)域的前沿。他們開發(fā)了一款基于深度學(xué)習(xí)和傳感器融合技術(shù)的自動(dòng)循跡小車，能夠在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效的路徑規(guī)劃和智能避障。同時(shí)，在國內(nèi)諸多大學(xué)生電子競賽，研究課題中都有自動(dòng)循跡小車的身影，該課題是未來國內(nèi)諸多發(fā)展趨勢中的一環(huán)，對汽車領(lǐng)域有舉足輕重的作用。在國外，自動(dòng)循跡小車的研究也取得了重要進(jìn)展。美國的斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等頂尖學(xué)府在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，他們的研究成果不斷推動(dòng)著自動(dòng)循跡小車技術(shù)的創(chuàng)新。此外，歐洲國家如德國、法國等也在自動(dòng)化駕駛技術(shù)方面投入大量資源，推動(dòng)自動(dòng)循跡小車的發(fā)展。美國的特斯拉公司一直在推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展。他們的自動(dòng)循跡小車系統(tǒng)采用了先進(jìn)的雷達(dá)、攝像頭和激光雷達(dá)等傳感器，結(jié)合人工智能算法實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化的駕駛功能。特斯拉的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際道路上進(jìn)行了多次測試，并取得了令人矚目的成績。另外，德國的奔馳公司也在自動(dòng)循跡小車領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們的自動(dòng)駕駛車輛配備了先進(jìn)的車載計(jì)算機(jī)和傳感器系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)感知周圍環(huán)境并做出智能駕駛決策。奔馳的自動(dòng)駕駛車輛已經(jīng)在高速公路上進(jìn)行了長途測試，并展示了出色的自動(dòng)循跡和自適應(yīng)駕駛能力。1.3本課題的主要內(nèi)容本文研究的課題主要包括三個(gè)關(guān)鍵部分：首先是基于STM32單片機(jī)的小車硬件處理單元模塊，其集成了多個(gè)功能模塊，其次是基于PID算法的動(dòng)態(tài)調(diào)速算法，最后是基于C語言的小車運(yùn)動(dòng)程序編寫部分。硬件處理單元采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，集成了多個(gè)小車功能模塊，包括基于三路紅外感應(yīng)的沿線循跡識(shí)別模塊、基于TB6612驅(qū)動(dòng)的四位霍爾編碼電機(jī)控制模塊，以及基于12V鋰電池的電源模塊。小車通過傳感器所傳回的信號(hào)高低電平來確定輸出當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)編碼器當(dāng)前傳回?cái)?shù)據(jù)來動(dòng)態(tài)的使用PID算法，實(shí)時(shí)控制脈寬調(diào)制輸出從而穩(wěn)定當(dāng)前小車速度，使其在坡道行駛時(shí)保持勻速狀態(tài)，不會(huì)因特殊坡道、曲線導(dǎo)致速度產(chǎn)生交大誤差。在巡線時(shí)，根據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，并增加PWM輸出以穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎。PID算法用于穩(wěn)定小車速度，確保在起始、轉(zhuǎn)彎和停止時(shí)速度誤差在目標(biāo)要求范圍內(nèi)。C語言程序部分涉及GPIO配置、PWM波的輸出、紅外信號(hào)的傳入與識(shí)別處理、四個(gè)電機(jī)定時(shí)器的使用以及PID算法的整合，使小車智能化，能夠根據(jù)指令完成目標(biāo)。設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：在坡度角θ=0°的情況下，小車能夠沿線行駛，不偏離場地所設(shè)軌跡；小車上標(biāo)記點(diǎn)到停車標(biāo)記中心線的垂直距離誤差應(yīng)控制在≤2cm范圍內(nèi)。小車行駛過程中地面投影不得偏離標(biāo)記線。在達(dá)成第一目標(biāo)的基礎(chǔ)上，電動(dòng)小車應(yīng)能夠設(shè)定行駛時(shí)間，自動(dòng)控制小車勻速通過1米長線路，并在停車點(diǎn)停車。行駛時(shí)間可在10秒至20秒之間設(shè)定，時(shí)間誤差絕對值需≤1秒。行駛過程中不得碾壓或偏離標(biāo)記線。在坡度角θ=10°的情況下，完成第二目標(biāo)要求。能夠在指定坡度角θ在11°至30°范圍內(nèi)，完成第二目標(biāo)的要求。2系統(tǒng)整體方案的總體設(shè)計(jì)2.1整體設(shè)計(jì)思路

小車系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括信號(hào)輸入模塊、運(yùn)動(dòng)輸出模塊、動(dòng)態(tài)調(diào)速模塊和電源模塊。信號(hào)輸入模塊由三路紅外傳感器組成，用于接收環(huán)境信號(hào)。運(yùn)動(dòng)輸出模塊由TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器組成，通過脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)控制。動(dòng)態(tài)調(diào)速模塊由編碼器測速反饋和PID控制器組成，用于實(shí)現(xiàn)小車的動(dòng)態(tài)調(diào)速REF_Ref17003\r\h[1]。電源模塊為整套系統(tǒng)提供動(dòng)力來源。如REF_Ref3641\h圖2.1所示。圖2.SEQ圖\*ARABIC\s11整體系統(tǒng)邏輯框圖本研究設(shè)計(jì)的坡道行駛小車首先利用紅外傳感器采集外部信號(hào)，將信號(hào)輸入STM32單片機(jī)進(jìn)行命令判斷，以產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令用于編碼器和電機(jī)；在行駛過程中，STM32單片機(jī)根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)采集情況，并結(jié)合PID算法對小車的運(yùn)行速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的速度控制并完成指定任務(wù)。2.2方案對比和硬件器件的選擇2.2.1主控芯片方案的對比在選擇適合的單片機(jī)作為小車循跡系統(tǒng)主控芯片時(shí)，需要考慮處理速度、資源豐富度、功耗以及接口性能等因素。根據(jù)51系列單片機(jī)、STC12系列單片機(jī)和STM32系列單片機(jī)各自的優(yōu)缺點(diǎn)來進(jìn)行對比，采用最具特點(diǎn)、最能符合本設(shè)計(jì)要求的一款單片機(jī)。方案一：選取51系列單片機(jī)作為主控芯片。51系列單片機(jī)作為傳統(tǒng)的經(jīng)典型單片機(jī)，擁有豐富的系統(tǒng)資源與廣泛的實(shí)體應(yīng)用基礎(chǔ)REF_Ref19171\r\h[2]。然而，由于其處理速度的緩慢性很難滿足本設(shè)計(jì)中對小車循跡系統(tǒng)的高速響應(yīng)、動(dòng)態(tài)調(diào)速的需求。方案二：選取STC12系列單片機(jī)作為主控芯片。STC12系列單片機(jī)是一款高性能的處理器，其操作方式與經(jīng)典的51系列單片機(jī)相似，但在功能上有所增強(qiáng)REF_Ref19429\r\h[3]。該系列單片機(jī)具有分頻器功能，可以將工作頻率降至0-35MHz。此外，STC12系列單片機(jī)還提供了36個(gè)通用I/O口，用戶可以通過編程將其配置為四種不同的輸入輸出模式。盡管I/O口數(shù)量較多，但在當(dāng)前設(shè)計(jì)中仍顯不足。STC12系列單片機(jī)在處理速度上有所提升，但資源仍顯不足，難以完全發(fā)揮在復(fù)雜系統(tǒng)中的潛力。方案三：選取STM32系列單片機(jī)作為主控芯片。相比之下，STM32系列單片機(jī)憑借其低功耗、高性能、豐富的接口和強(qiáng)大的處理能力成為了更為優(yōu)秀的選擇。采用ARMCortex系列處理器，STM32在運(yùn)行速度、存儲(chǔ)容量和外設(shè)接口等方面均有明顯優(yōu)勢。其內(nèi)部集成了FLASH和SRAM存儲(chǔ)器，擁有雄厚的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力，同時(shí)內(nèi)部含有獨(dú)特的RTC時(shí)鐘電路，定時(shí)功能高效且準(zhǔn)確。在小車循跡系統(tǒng)中，STM32作為主控芯片能夠利用其高速響應(yīng)的速度和多引腳可拓展的硬件特性。通過結(jié)合紅外傳感器采集路線信息，利用串口資源和定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)識(shí)別路線和按軌行駛。此外，STM32的脈寬調(diào)制輸出功能可通過霍爾編碼器所測量的當(dāng)前轉(zhuǎn)速配合PID算法得出最適合當(dāng)前速度的占空比，配合傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精確的循跡和爬坡功能REF_Ref19622\r\h[4]。綜上所述，本設(shè)計(jì)選取方案三，選取STM32單片機(jī)作為主控芯片。2.2.2循跡方案的對比循跡需要信號(hào)輸入，而信號(hào)輸入主要來源于識(shí)別場地路線所反饋的高低信號(hào)，在小車運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)將獲取的高低電平信號(hào)傳遞給芯片，從而處理收集到的數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前應(yīng)執(zhí)行的指令，如啟動(dòng)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或停止。目前可用于小車傳感器路徑識(shí)別的模塊包括光電傳感器、超聲波傳感器和攝像頭圖像識(shí)別技術(shù)。方案一：選取紅外感應(yīng)器作為循跡模塊。紅外感應(yīng)器原理：紅外傳感器利用紅外線檢測環(huán)境。當(dāng)物體靠近感應(yīng)器時(shí)，會(huì)反射紅外線，感應(yīng)器接收到反射的紅外線并產(chǎn)生高低電平信號(hào)REF_Ref19817\r\h[5]，從而檢測到物體的存在，符合本小車循跡模塊要求。方案二：選取光電傳感器作為循跡模塊。光電傳感器原理：光電傳感器是利用光電效應(yīng)來檢測物體的傳感器，通常包括發(fā)光二極管和光敏電阻REF_Ref19968\r\h[6]。當(dāng)有異物出現(xiàn)時(shí)，光敏電阻的電阻值發(fā)生變化，從而檢測到物體的存在，本設(shè)計(jì)中任務(wù)場地處于曝光處，而光電傳感器對光線要求較高，故不采用。方案三：選取超聲波傳感器作為循跡模塊。超聲波傳感器原理：超聲波傳感器可以發(fā)射可返回的超聲波脈沖，通過超聲波被環(huán)境反射回來的時(shí)間來計(jì)算物體與傳感器的位置差，從而檢測到物體的距離信息。但本設(shè)計(jì)中沒有相關(guān)物體提供反射，故不采用。方案四：選取攝像頭作為循跡模塊。攝像頭圖像識(shí)別具有準(zhǔn)確，高效的特性，但一般設(shè)備偏大，且價(jià)格昂貴，不考慮使用。三路紅外感應(yīng)器具有穩(wěn)定性高、成本低、適用簡單算法等特點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)選擇方案四，選取三路紅外感應(yīng)器作為最終循跡方案的核心。2.2.3曲線循跡方案的對比方案一：選取舵機(jī)作為曲線行駛方案。舵機(jī)是一種特殊的電機(jī)，具有可以精確控制角度位置的能力，適用于需要精準(zhǔn)定位和角度調(diào)節(jié)的場合。在小車循跡系統(tǒng)中，使用舵機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對車輪轉(zhuǎn)向角度的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)曲線行駛和轉(zhuǎn)彎功能。通過控制舵機(jī)的PWM信號(hào)，可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)舵機(jī)的角度位置，使小車能夠按照預(yù)設(shè)的曲線路徑行駛。細(xì)致的角度控制能夠確保小車在復(fù)雜環(huán)境中的準(zhǔn)確曲線行駛，使循跡系統(tǒng)的準(zhǔn)確性大幅提升。但本設(shè)計(jì)中，循跡路線明顯，且距離不長，無需精度過高，且舵機(jī)在程序處理中較為復(fù)雜，故不采用。方案二：選取差速曲線行駛方案。小車的動(dòng)力由電機(jī)提供，每個(gè)輪胎都因電機(jī)而具備驅(qū)動(dòng)功能。電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過PWM波輸出來調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)從零到最大速度之間的任意轉(zhuǎn)速，當(dāng)小車左右兩邊轉(zhuǎn)速、方向達(dá)到一定區(qū)間，則可使小車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)向方式具有同向差速和反向差速兩種REF_Ref20043\r\h[7]。這兩種方案的電路相同，只是引腳的驅(qū)動(dòng)有所不同。采用反向差速方案是因?yàn)槠涓鼮楹唵蚊髁?。?dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，小車的左邊兩個(gè)輪胎和右邊以反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向更需要轉(zhuǎn)速差，通過輸出不同的PWM波來控制左右輪的轉(zhuǎn)速不同，造成速度差，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向REF_Ref20082\r\h[8]。且其程序簡單，不用再添加多余電路與程序。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案二，選取反向差速方案作為曲線行駛方案。2.2.4驅(qū)動(dòng)模式方案對比方案一：選取LM2596作為驅(qū)動(dòng)模塊。LM2596作為驅(qū)動(dòng)模塊具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括高效率、穩(wěn)定性強(qiáng)、廣泛且可調(diào)的輸出電壓范圍、成本低廉等，可有效實(shí)現(xiàn)降壓功能。此外，其體積相對較小，能夠配備大電容濾波電路。然而，LM2596也存在一些缺點(diǎn)，如散熱需求較高、有限的負(fù)載能力以及手動(dòng)電壓調(diào)節(jié)的限制。在設(shè)計(jì)龐大、電路復(fù)雜的情況下，可能需要額外增加控制電路以滿足需求，這可能會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和繁瑣性。方案二：選取L298N作為驅(qū)動(dòng)模塊。L298N是一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過PWM控制方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)輸出，具備多引腳，多輸出的特性，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)。并且還提供了5V電源接口，能夠?yàn)槠渌庠O(shè)提供電源輸出。但缺點(diǎn)是，因其具備較大的工作電流需要安裝散熱裝置進(jìn)行散熱冷卻處理。同時(shí)，由于其低廉價(jià)格導(dǎo)致產(chǎn)品層次不其，容易在工作中損壞，可以作為一個(gè)備用方案選擇。方案三：選取TB6612作為驅(qū)動(dòng)模塊。TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和L298N一樣，具有雙通道驅(qū)動(dòng)功能，可以同時(shí)控制兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)，適用于本循跡爬坡小車多個(gè)電機(jī)同時(shí)工作的場合，在本設(shè)計(jì)中有四個(gè)電機(jī)，需要復(fù)雜的調(diào)速配合來實(shí)現(xiàn)循跡和爬坡。另外，TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置過載保護(hù)功能，可以在電流超過設(shè)定閾值時(shí)自動(dòng)停止輸出，保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器不受損壞。相比于L298N和LM2596，其效率更高、保護(hù)功能更為齊全，且TB6612的多電機(jī)控制性尤為不可替代。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案三，選取TB6612作為驅(qū)動(dòng)模塊。2.2.5測速調(diào)速方案的選擇在調(diào)速系統(tǒng)中，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確檢測當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，并根據(jù)目標(biāo)任務(wù)時(shí)間，輸出正確的PWM。本設(shè)計(jì)通過編碼器監(jiān)測當(dāng)前速度，并將其輸入主控芯片。經(jīng)過PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較，輸出精確的PWM，以實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。這一過程確保了速度的準(zhǔn)確更新，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速功能。流程如圖2.2所示。圖2.2調(diào)速模塊框圖2.2.6系統(tǒng)電源電路方案選擇方案一：選擇電源直接供電。通過電源直接供電，雖然能夠使電路簡單，但涉及電源卻并不好拆分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要外接12V電壓，而STM32芯片則需要穩(wěn)定的5V電壓，并且蓄電池的電壓會(huì)隨著使用時(shí)間變化，可能影響芯片的正常運(yùn)行，而紅外又需要3.3V穩(wěn)定電壓。故此種方法不現(xiàn)實(shí)。方案二：通過TB6612驅(qū)動(dòng)作為中介供電。通過12V電源直接給TB6612供電TB6612含有穩(wěn)定的5V電壓引腳，能夠避免STM32因供電電壓不穩(wěn)而造成的性能問題，并且解決多個(gè)模塊電壓不同的問題，減少降壓模塊的使用。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案二，通過TB6612驅(qū)動(dòng)作為中介供電。2.2.7指定時(shí)間錄入方案為實(shí)現(xiàn)爬坡循跡需求，本小車系統(tǒng)需錄入指定完成時(shí)間。由于STM32主控芯片本身含有數(shù)個(gè)按鍵，這里直接采用自帶按鍵以降低成本且減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度。通過按鍵錄入指定時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)起始為10秒，通過按鍵1，每次按下增加1秒，通過按鍵二，每次按下減少一秒，最高20秒，設(shè)置上下10與20的閾值區(qū)間，實(shí)現(xiàn)10秒到20秒的爬坡循跡目標(biāo)時(shí)間錄入。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上一章節(jié)詳細(xì)分析并總結(jié)了本系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)，包括硬件材料選擇、識(shí)別模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、速度調(diào)節(jié)模塊和小車系統(tǒng)電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本章將重點(diǎn)討論小車系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，詳細(xì)研究各功能電路的硬件設(shè)計(jì)與流程分析，包括三路紅外傳感器傳感器電路、系統(tǒng)電源電路、TB6612驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路和主控芯片電路。在眾多電路中，STM32主控芯片的電路至關(guān)重要，與系統(tǒng)所有功能密切相關(guān)，包括對感應(yīng)輸入信號(hào)的處理、根據(jù)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM輸出、通過GPIO控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。本章將重點(diǎn)討論與之相關(guān)的內(nèi)容。3.1硬件系統(tǒng)框圖系統(tǒng)采用STM32F407ZGT芯片控制整體硬件系統(tǒng)。各模塊連接如下：首先通過按鍵KEY1，KEY2設(shè)置本次循跡爬坡的任務(wù)時(shí)間，通過三路紅外傳感器檢測場地路跡，并將檢測后引腳上產(chǎn)生的電平信號(hào)到STM32單片機(jī)，芯片通過傳回的當(dāng)前信號(hào)進(jìn)而做出動(dòng)作指令，調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，過TB6612驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對四個(gè)電機(jī)的不同的控制。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，編碼器將記錄轉(zhuǎn)速反饋給芯片，實(shí)現(xiàn)對各輪轉(zhuǎn)速監(jiān)控，此過程中，PID不斷配合編碼器所傳回的當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)出適合當(dāng)前速度的PWM值。整體框圖如圖3.1所示。圖3.1硬件系統(tǒng)框圖3.2STM32主控電路STM32F407ZGT6微控制器集成了ARMCortex-M4內(nèi)核，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，適合需要快速響應(yīng)和高效能的應(yīng)用場景。其內(nèi)置的豐富外設(shè)包括多個(gè)通用定時(shí)器、串行通信接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等，為智能小車提供了強(qiáng)大的控制和數(shù)據(jù)處理能力，部分原理圖如圖3.2所示。此外，STM32F407ZGT6還支持廣泛的軟件開發(fā)工具和庫，如STM32CubeMX和HAL庫，簡化了開發(fā)流程并提高了開發(fā)效率?？傮w而言，STM32F407ZGT6以其出色的性能、豐富的外設(shè)和廣泛的軟件支持，成為智能小車項(xiàng)目的理想選擇。圖3.2STM32F407ZGT6部分原理圖利用STM32F407芯片的不同定時(shí)器的CH1-CH4通道產(chǎn)生PWM波和利用其充分的GPIO引腳可以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)編碼器AB相的配置，完成小車驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)。此外，為了更明了的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路，可以直接通過STM32豐富的外設(shè)口來對紅外傳感器供電，以此減少對電路設(shè)計(jì)的繁雜度，提高外設(shè)利用率。3.3循跡電路設(shè)計(jì)對紅外傳感器供電，以此減少對電路設(shè)計(jì)的繁雜度，提高外設(shè)利用率。檢測電路由發(fā)射電路、接收電路及比較電路組成REF_Ref20173\r\h[9]。小車的主要運(yùn)動(dòng)指令來源于循跡模塊，循跡必須要精準(zhǔn)，且能夠準(zhǔn)確回應(yīng)，在最大程度上不受環(huán)境影響。循跡電路選擇了采用三路紅外循跡電路，其原理圖如圖3.3所示，該電路原理是發(fā)射電路將會(huì)不斷的發(fā)射檢測光纖，經(jīng)路跡后將會(huì)反射給接收管接收，此過程中將會(huì)對其引腳造成高低電平輸入影響，當(dāng)發(fā)射出的紅外線并沒有受到場地指定路跡反射即沒有檢測到路跡時(shí)，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，無指令輸入系統(tǒng)；當(dāng)路跡被成功檢測時(shí)能夠?qū)⒓t外光線成功返回，給接收管一個(gè)信號(hào)輸入，使其輸出端電壓發(fā)生改變，此時(shí)模塊的輸出端為低電平REF_Ref20216\r\h[10]。圖3.3紅外傳感循跡電路其管腳功能如表3.1所示。表3.1三路紅外傳感器管腳功能管腳名稱功能描述AO1左探測輸入AO2中探測輸入AO3右探測輸入VCC電源正極GND電源負(fù)極3.4按鍵電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，采用按鍵調(diào)節(jié)方式對STM32主控芯片完成對目標(biāo)爬坡循跡時(shí)間的設(shè)置。由于在程序中已經(jīng)設(shè)置上下秒數(shù)10和20闕值，故只需兩個(gè)獨(dú)立按鍵分別進(jìn)行增秒，減秒錄入，并且采用一個(gè)按鍵作為復(fù)位程序?qū)嵱?。其硬件電路如圖3.4所示。圖3.4按鍵電路其中，K0,K1按鍵分別與PE4,PE3高電平輸入方式連接，設(shè)置高電平按下時(shí)則對相關(guān)任務(wù)時(shí)間做更改，另外，WK_UP與PA0進(jìn)行連接，三個(gè)按鍵分別獨(dú)立，用戶可通過按鍵設(shè)定目標(biāo)循跡爬坡的耗費(fèi)時(shí)間。3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用四輪四驅(qū)動(dòng)小車，每個(gè)輪子的電機(jī)均具備驅(qū)動(dòng)功能，轉(zhuǎn)速由PWM波決定，可實(shí)現(xiàn)零至最大速度間的任意轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)采用四個(gè)直流電機(jī)共同配合，通過TB6612分別控制，能夠準(zhǔn)確輸出每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制細(xì)微差別，達(dá)到高效且準(zhǔn)確的在平面或坡道上循跡行駛。TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，其中AIN1、AIN2引腳為控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，PWMA、PWMB負(fù)責(zé)單片機(jī)脈寬調(diào)制的輸出。并且還包含多個(gè)5V電壓輸出，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供必要的電源和穩(wěn)定電壓支持，系統(tǒng)僅需外接一個(gè)12V電源即為所有模塊提供電源支持。該模塊主電路如圖3.5所示。所配合的霍爾編碼器工作電壓為5V，線數(shù)為260，每車輪轉(zhuǎn)一圈電機(jī)輸出260脈沖，經(jīng)倍頻后為1040，精度為0.35REF_Ref20294\r\h[11]，可準(zhǔn)確獲取小車實(shí)際速度，為精準(zhǔn)控速提供基礎(chǔ)硬件支持?？紤]到硬件限制，僅使用兩個(gè)后輪編碼器采集速度，需注意編碼器存在轉(zhuǎn)速上限，超過上限將無法正常工作電機(jī)連接原理如圖3.6所示。圖3.5TB6612驅(qū)動(dòng)原理圖3.6TB6612電機(jī)連接原理圖該模塊含有指定的直流編碼器電機(jī)輸出口，可直接與編碼器電機(jī)連接REF_Ref20376\r\h[12]。以電機(jī)B為例，1~5對應(yīng)編碼器電機(jī)的引腳分別為：電機(jī)輸出1、電源、編碼器B相、編碼器A相、編碼器接地、電機(jī)輸出2。在電路中，編碼器的AB相為輸出相，將會(huì)將數(shù)據(jù)傳達(dá)給單片機(jī)STM32，從而獲取到當(dāng)前轉(zhuǎn)速。該模塊另含有一排輸出口，包含AB相輸出的同時(shí)，輸入部分還包括AIN1,AIN2兩個(gè)使能方向和PWM波的輸入。輸入輸出電路如圖3.7所示。圖3.7TB6612輸入輸出原理圖3.6報(bào)警電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中對蜂鳴器報(bào)警音效要求不高，只需實(shí)現(xiàn)脫離路線長鳴警告，到達(dá)目標(biāo)位置短鳴提醒即可，故無源蜂鳴器與有源蜂鳴器都可。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3.8所示。圖3.8蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路的區(qū)別在于無源蜂鳴器本質(zhì)是一個(gè)感性原件，電流不能瞬變REF_Ref20431\r\h[13]，故必須有一個(gè)續(xù)流二極管D1提供續(xù)流，否則蜂鳴器兩端將會(huì)有反向感應(yīng)電動(dòng)勢，產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，將會(huì)對電子元器件造成損壞。有源蜂鳴器不需要外部的激勵(lì)源，只需要給其接入直流電源就能發(fā)揮作用。工作原理是：直流電源通過振蕩系統(tǒng)的放大取樣電路在諧振裝置作用下產(chǎn)生聲音信號(hào)REF_Ref20490\r\h[14]，原理如圖3.9所示。圖3.9蜂鳴器輸出原理3.7系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路電路是整個(gè)小車的命脈所在，本設(shè)計(jì)采用了TB6612作為中介的方式對系統(tǒng)板、傳感器等進(jìn)行供電，其硬件連接如圖3.10所示。TB6612驅(qū)動(dòng)通過外接12V電源進(jìn)行穩(wěn)定供電，而因?yàn)槠涞亩嚯娫匆_特性，通過5V外部輸出引腳給STM32供電，而紅外傳感器P1則因耗電少，只需3.3V，通過引腳2供電。圖3.10系統(tǒng)電源電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文研究了基于STM32F407ZT6處理器的坡道行駛小車的程序設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，首先介紹了STM32F407ZGT6處理器及所需的ARM開發(fā)環(huán)境，然后采用STM32F4所具有的多個(gè)定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生多個(gè)PWM波控制多個(gè)電機(jī)輸出，并使用其多GPIO的豐富性來匹配多個(gè)編碼器的A、B相，然后再通過PID算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的小車速度輸出。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的系統(tǒng)程序方案的有效性。4.1STM32F407ZGT6處理器介紹STM32F407ZGT6是一款由STMicroelectronics公司推出的高性能32位ARMCortex-M4處理器。該處理器整合了多種外設(shè)和功能模塊，適用于各種嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。采用了Cortex-M4內(nèi)核，具備卓越的性能和低功耗特性REF_Ref20556\r\h[15]。主頻可達(dá)168MHz，具備高速存儲(chǔ)器接口和多樣的外設(shè)，例如通用定時(shí)器和通用異步串行接口等，滿足各種應(yīng)用需求。此外，STM32F407ZGT6處理器支持多種通信接口，如SPI、I2C、USART等，可實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備之間快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，該處理器還擁有豐富的模擬接口，包括ADC和DAC，可實(shí)現(xiàn)精確的模擬信號(hào)采集和輸出。4.2ARM軟件開發(fā)環(huán)境ARM軟件開發(fā)環(huán)境是專為ARM架構(gòu)處理器設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)工具套件REF_Ref20618\r\h[16]。其中，ARMKeilMDK是一款常用的綜合開發(fā)環(huán)境，因其系統(tǒng)全面且容易學(xué)習(xí)實(shí)用的特性，在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，支持多款A(yù)RM處理器系列，如Cortex-M和Cortex-A系列。KeilMDK提供了完整的工具鏈，包括編譯器、調(diào)試器和仿真器，并且支持多種接口連接REF_Ref20660\r\h[17]，能夠適應(yīng)不同環(huán)境，能夠廣泛實(shí)用，便于開發(fā)人員編寫、調(diào)試和優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)軟件。Keil提供了豐富的功能和附屬插件，支持多種調(diào)試接口和硬件平臺(tái)，能夠在最大程度上為開發(fā)者提供支持與輔助。開發(fā)人員可以利用各種軟件包和庫快速構(gòu)建嵌入式應(yīng)用程序，同時(shí)借助豐富的文檔和示例代碼提高開發(fā)效率。Keil5MDK界面簡潔實(shí)用，為開發(fā)人員提供了強(qiáng)大的工具和功能，助力他們進(jìn)行ARM架構(gòu)處理器的軟件開發(fā)。界面包含工程管理器、編輯器、項(xiàng)目資源管理器等核心組件，通過圖標(biāo)和按鈕實(shí)現(xiàn)操作。工程管理器展示項(xiàng)目和文件列表，編輯器支持代碼高亮、自動(dòng)完成和折疊功能，提高編寫效率。項(xiàng)目資源管理器展示項(xiàng)目資源文件，如頭文件和庫文件，便于查看和管理。這些功能有助于用戶快速上手，提高工作效率，降低開發(fā)難度，促進(jìn)對程序操作流程的理解。4.3主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序邏輯如圖4.1所示，首先初始化紅外傳感器、編碼器、電機(jī)等模塊，配置STM32F407ZGT6主控芯片的系統(tǒng)資源。1.小車通過檢測紅外傳感器輸出的電平來判斷循跡路線。根據(jù)輸入的目標(biāo)任務(wù)完成時(shí)間和PID參數(shù)，程序開始動(dòng)態(tài)監(jiān)測小車狀態(tài)。2.如果紅外傳感器中間管腳因檢測路徑后輸出低電平，而兩方傳感器輸出為高電平，則調(diào)用前進(jìn)函數(shù)使小車前進(jìn)。如果左側(cè)紅外傳感器輸出低電平，表示檢測到黑線，則調(diào)用左轉(zhuǎn)函數(shù)；右側(cè)類似。當(dāng)三個(gè)紅外傳感器同時(shí)輸出低電平時(shí)，表示到達(dá)終點(diǎn)線，調(diào)用停止函數(shù)使小車停止。3.編碼器和PID算法利用STM32F407ZGT6的定時(shí)器動(dòng)態(tài)監(jiān)管小車速度，并通過主程序輸出PWM信號(hào)。從程序上來說，將小車的驅(qū)動(dòng)封裝成函數(shù)，根據(jù)紅外傳感器傳回的電平數(shù)據(jù)來進(jìn)行分別調(diào)用，在函數(shù)中，通過對電機(jī)、編碼器、傳感器等多個(gè)GPIO引腳進(jìn)行使能，并對PWM的輸出進(jìn)行不同通道的劃分，分別為CH1~CH4，將整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)集成，實(shí)現(xiàn)封裝。另外，通過定時(shí)器TIM3完成對編碼器測量A、B相拿到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)的傳回主程序中，通過對當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)速度的對比來判斷是否需要調(diào)節(jié)。調(diào)速通過PID算法來矯正正確且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，同樣也是利用定時(shí)器類似外部時(shí)鐘的效果達(dá)成對速度動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，與主程序相互協(xié)調(diào)，最終返回一個(gè)調(diào)節(jié)后的PWM占空比值給主程序，后者進(jìn)行輸出，從而完成坡道行駛中的規(guī)定時(shí)間完成循跡目標(biāo)。圖4.1主程序設(shè)計(jì)框圖4.4循跡程序設(shè)計(jì)4.4.1小車循跡原理本設(shè)計(jì)小車系統(tǒng)采用四輪差速曲線驅(qū)動(dòng)模式，即每個(gè)車輪都由單獨(dú)的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)REF_Ref20725\r\h[18]，而差速巡線的信號(hào)則由三路紅外傳感器檢測、回響的信號(hào)決定，主程序根據(jù)左、中、右三路的高低電平信號(hào)來決定驅(qū)動(dòng)左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)。假設(shè)傳感器左電平高亮，控制系統(tǒng)主程序?qū)⒏鶕?jù)該信號(hào)驅(qū)動(dòng)左轉(zhuǎn)函數(shù)，小車在左轉(zhuǎn)循跡途中，四個(gè)電機(jī)左右進(jìn)行差速執(zhí)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，由于此時(shí)差速造成的速度差，車輛能產(chǎn)生橫擺力矩，實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎。而此過程中的由于左右兩邊的輪胎轉(zhuǎn)速、場地摩擦和坡道坡度等條件所引起的小車整體的速度發(fā)生改變，而導(dǎo)致影響目標(biāo)完成時(shí)間的誤差，則可以通過PID算法對編碼器返回的當(dāng)前轉(zhuǎn)速做一個(gè)評(píng)估，得出一個(gè)符合目標(biāo)完成時(shí)間的輸出速度，從而控制小車保持一個(gè)穩(wěn)定速度，將誤差降低，實(shí)現(xiàn)可控時(shí)間內(nèi)的爬坡循跡。4.4.2小車循跡軟件流程圖4.2小車循跡軟件流程如圖4.2所示，小車的循跡流程過程中，主要的數(shù)據(jù)來源是讀取傳感器的數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行處理后加入主程序中，從而獲取當(dāng)前路面情況執(zhí)行循跡算法，STM32主控芯片通過得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的偏移量與應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的速度值，通過修改PWM占空比的值來驅(qū)動(dòng)小車形成差速控制，完成多功能復(fù)雜的路線循跡，即使在坡道行駛中也能滿足任務(wù)需求，此過程將使用while循環(huán)反復(fù)調(diào)用，直到終止條件的出現(xiàn)。4.5定時(shí)器模式配置軟件流程4.5.1定時(shí)器關(guān)于PWM波的原理STM32的系統(tǒng)資源很強(qiáng)大，含有的多種定時(shí)器能夠充分滿足本設(shè)計(jì)的需求，其功能如表4.1所示。表4.1定時(shí)器功能定時(shí)器種類位數(shù)計(jì)數(shù)器模式產(chǎn)生DMA請求捕獲/比較通道互補(bǔ)輸出特殊應(yīng)用場景高級(jí)定時(shí)器(TIM1,TIM8)16向上，向下，向上/下可以4有帶可編程死區(qū)的互補(bǔ)輸出通用定時(shí)器(TIM2,TIM5)32向上，向下，向上/下可以4無通用，定時(shí)計(jì)數(shù)，PWM輸出，輸入捕獲，輸出比較REF_Ref20797\r\h[19]通用定時(shí)器(TIM3,TIM4)16向上，向下，向上/下可以4無通用，定時(shí)計(jì)數(shù)，PWM輸出，輸入捕獲，輸出比較通用定時(shí)器(TIM9~TIM14)16向上沒有2無通用，定時(shí)計(jì)數(shù)，PWM輸出，輸入捕獲，輸出比較基本定時(shí)器(TIM6,TIM7)16向上，向下，向上/下可以0無主要應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)DAC定時(shí)器是STM32F407中的優(yōu)秀特性之一，具有強(qiáng)大且豐富的功能，能夠?yàn)樾≤囂峁┳銐虻墓δ苤С郑〞r(shí)器能夠用于生成精確的時(shí)間延時(shí)和周期性信號(hào)。定時(shí)器能夠用來生成脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，從而可以通過修改占空比的方式來控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速從而控制小車的當(dāng)前速度。通過定時(shí)器的計(jì)時(shí)功能和比較功能，即可以實(shí)現(xiàn)不同占空比的PWM信號(hào)輸出，從而進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的輸出和響應(yīng)。在此過程中，利用定時(shí)器來產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的方波，該頻率由定時(shí)器的配置周期（ARR自動(dòng)重裝器的值）和配置PSC預(yù)分頻器的值。在定時(shí)器的每個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)計(jì)數(shù)器（CNT）的值與某個(gè)比較匹配寄存器（CCR）的值相等時(shí)，通過配置相應(yīng)的輸出通道改變GPIO引腳上的電平狀態(tài)，從而控制脈沖寬度。通過調(diào)整CCR的值可以改變PWM波形的占空比（高電平時(shí)間相對于整個(gè)周期的比例）如圖4.3所示。圖4.3PWM圖解其中T1為高電平時(shí)間，T2為低電平時(shí)間。占空比為T/T*100%；其中，周期是由時(shí)基來決定的，時(shí)基又由預(yù)分頻和周期決定，RCC的時(shí)鐘也是關(guān)鍵，最高設(shè)置為72MHz，公式如下所示。公式（4-1）：72000000=分頻系數(shù)×周期數(shù) 4.5.2定時(shí)器輸出PWM波的軟件流程定時(shí)器輸出PWM的流程如圖4.4所示，步驟如下。1.初始化定時(shí)器，本設(shè)計(jì)中選擇的是TIM3定時(shí)器，首先對TIM3時(shí)鐘進(jìn)行使能初始化，再通過四個(gè)通道分別上拉的方式輸出四個(gè)PWM波（PA6，PA7，PB0，PB1），設(shè)置GPIO工作模式為AF模式，并將該引腳映射到相應(yīng)的定時(shí)器通道。2.初始化定時(shí)器參數(shù)，首先選擇選擇時(shí)鐘分頻為1分頻，再選擇計(jì)數(shù)模式為向上計(jì)數(shù)，周期與PSC預(yù)分頻器的值分別設(shè)置為950-1與850-1。3.初始化PWM的參數(shù)，選擇高電平有效，并對定時(shí)器啟動(dòng)。4.開始根據(jù)主程序傳回的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新占空比，處理定時(shí)器中斷，程序?qū)⒀h(huán)輸出PWM波。圖4.4定時(shí)器輸出PWM流程4.5.3編碼器輸入輸出的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要對小車速度做調(diào)整，編碼器有著舉足輕重的作用，在指定時(shí)間完成爬坡循跡任務(wù)中，需要通過編碼器動(dòng)態(tài)的了解、計(jì)算和處理當(dāng)前的轉(zhuǎn)速并達(dá)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)流程如圖4.5所示：圖4.5編碼器輸入輸出流程圖在輸入模塊中有如下步驟：1.首先是對編碼器的連接，然后需要在STM32微控制器上配置編碼器的引腳，開啟編碼器定時(shí)器相關(guān)的GPIO外設(shè)時(shí)鐘，將編碼器的A相和B相信號(hào)連接到對應(yīng)的GPIO引腳上，配置為復(fù)用功能。2.進(jìn)行中斷設(shè)置，這里實(shí)用了定時(shí)器TIM5來進(jìn)行對編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行捕獲，設(shè)置觸發(fā)條件和中斷服務(wù)程序讓小車時(shí)時(shí)刻刻都能動(dòng)態(tài)的被測到對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，即在每次編碼器產(chǎn)生脈沖時(shí)觸發(fā)中斷并進(jìn)行處理。3.在程序中，對編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)編碼器的類型增量式編碼器來確定計(jì)數(shù)REF_Ref20869\r\h[20]。并對最后獲得結(jié)果來為接下來的主程序中提供數(shù)據(jù)。4.5.4小車任務(wù)輸入設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求中，小車需要按照指定的命令時(shí)間完成坡道循跡的任務(wù)，指定的命令時(shí)間則需要外部按鍵錄入，按鍵錄入有高效且簡易的特點(diǎn)，能夠通過GPIO引腳的配置，使在改變按鍵對應(yīng)電平信號(hào)的值的同時(shí)，獲取相應(yīng)信號(hào)從而提供給主程序一個(gè)增/減的命令。其設(shè)計(jì)流程如圖4.6所示。圖4.6按鍵錄入流程圖1.先需要將外部按鍵連接到STM32微控制器的一個(gè)GPIO引腳上，配置該引腳為輸入模式，這里需要配置兩個(gè)引腳為按鍵1、2。2.使用STM32的外部中斷功能來捕獲外部按鍵的按下事件。配置外部中斷觸發(fā)條件和中斷服務(wù)程序，以便在按鍵按下時(shí)觸發(fā)程序來做出相應(yīng)響應(yīng)。3.外部中斷的中斷服務(wù)程序中，檢測外部按鍵的狀態(tài)，并根據(jù)按鍵的按下事件進(jìn)行相應(yīng)的處理，若PE3則增加目的時(shí)間，PE4則減少。4.5.5任務(wù)完成與報(bào)警設(shè)計(jì)在小車巡線爬坡中，由于坡道高度的影響會(huì)導(dǎo)致小車循跡出現(xiàn)些許誤差，為了使誤差具象化并提示小車達(dá)到目的地，以蜂鳴器的長鳴、短鳴來體現(xiàn)。在使用中，首先需要完成對蜂鳴器的配置，針對其引腳進(jìn)行GPIO的初始化使能，最終將其鳴聲封裝成函數(shù)，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)來進(jìn)行調(diào)用。其任務(wù)流程如圖4.7所示：具體步驟為：1.小車開始循跡，按照場地路線，三路傳感器傳遞信號(hào)，小車正常循跡并進(jìn)行爬坡。2.坡道提高，小車循跡出現(xiàn)些許誤差，三路傳感器皆不能檢測到場地路線，證明循跡出現(xiàn)錯(cuò)誤，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器長鳴函數(shù)提醒。3.小車正常爬坡循跡，并成功到達(dá)目的地，檢測到三路皆傳回信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器短鳴函數(shù)，表示任務(wù)完成。圖4.7蜂鳴器報(bào)警設(shè)計(jì)圖4.6PID算法4.6.1設(shè)計(jì)PID算法調(diào)速PID（Proportional-Integral-Derivative）算法調(diào)速作為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大創(chuàng)新點(diǎn)，可以在不同摩擦，不同坡度的路面上按照設(shè)定的期望速度行駛從而達(dá)到指定時(shí)間完成坡道循跡的任務(wù)要求REF_Ref20957\r\h[21]。PID算法通過調(diào)節(jié)比例項(xiàng)（P）、積分項(xiàng)（I）和微分項(xiàng)（D）來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。其中分別含義為：1.比例項(xiàng)（P）比例項(xiàng)根據(jù)當(dāng)前誤差的大小來調(diào)節(jié)控制器的輸出。當(dāng)誤差大時(shí)，比例項(xiàng)會(huì)增大輸出，使系統(tǒng)更快地接近設(shè)定值。但是，純比例控制會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)和穩(wěn)定性問題。2.積分項(xiàng)（I）積分項(xiàng)根據(jù)誤差的累積來調(diào)節(jié)控制器的輸出。積分項(xiàng)可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，確保系統(tǒng)最終達(dá)到設(shè)定值。然而，過大的積分項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)過度調(diào)節(jié)。3.（微分項(xiàng)）微分項(xiàng)根據(jù)誤差變化的速度來調(diào)節(jié)控制器的輸出。微分項(xiàng)可以抑制系統(tǒng)的振蕩和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，微分項(xiàng)對噪聲敏感，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在本設(shè)計(jì)中，充分利用P、I、D特性通過閉環(huán)控制系統(tǒng)控制小車的速度，再通過編碼器A、B相測量小車行駛過程中的脈沖數(shù)，在固定時(shí)間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)的值經(jīng)過計(jì)算得到電機(jī)的實(shí)際速度，然后將計(jì)算的速度與上一次測量的速度進(jìn)行比較，采用PID算法控制單片機(jī)輸出PWM脈沖到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PWM端，以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速REF_Ref21013\r\h[22]。該算法的公式為：公式（4-2）：?un=a公式（4-3）：a0=Kp(1+TT1+公式（4-4）：a1=?Kp(1+2T公式（4-5）：a2=?KpTDT 該程序設(shè)計(jì)的主要過程大致如下：首先初始化錄入任務(wù)時(shí)間、相關(guān)定時(shí)器等使用到的資源配置，根據(jù)對應(yīng)時(shí)間計(jì)算出的期望速度，利用PID算法得到一個(gè)適合當(dāng)前速度的PWM值，將其輸出到電機(jī)，達(dá)成速度的輸出。小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，需要不斷反饋當(dāng)前速度，這里使用TIM3定時(shí)器定時(shí)檢測編碼器的A、B相的輸出，將編碼器的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際速度，從而再次調(diào)用PID算法，不斷與之前的編碼器轉(zhuǎn)速做比較，從而計(jì)算出一個(gè)符合當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值，再將對應(yīng)的PWM輸出，從而反饋到電機(jī)，此過程在小車運(yùn)動(dòng)中無限循環(huán)，使得小車的轉(zhuǎn)速能夠始終貼近目標(biāo)任務(wù)時(shí)間所需的期望轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定完成任務(wù)。該算法流程圖如圖4.8所示。圖4.8PID算法流程圖該算法執(zhí)行代碼邏輯為：公式（4-6）：pwm=Kp×ek+公式（4-7）：pwm=Kp×此種PID為位置式PID算法，如果當(dāng)前誤差大于積分分離閾值，則采用A式，在這種情況下，系統(tǒng)的誤差較大，需要更快地響應(yīng)并快速調(diào)節(jié)輸出。比例項(xiàng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前誤差大小直接調(diào)節(jié)輸出，而微分項(xiàng)則根據(jù)誤差變化率來抑制系統(tǒng)的振蕩，以快速穩(wěn)定系統(tǒng)。因此，采用了包含比例項(xiàng)和微分項(xiàng)的計(jì)算方式。當(dāng)當(dāng)前誤差小于等于積分分離閾值時(shí)：在這種情況下，系統(tǒng)的誤差較小，不需要過快地響應(yīng)，而是更注重積分項(xiàng)的作用。這樣可以保持PID控制器的連續(xù)性，同時(shí)在誤差較小時(shí)仍然考慮了微分項(xiàng)的影響。4.6.2小車調(diào)速程序設(shè)計(jì)圖4.9PID主程序邏輯流程圖從主程序?qū)用鎭碚f，如圖4.9所示。首先通過編碼器獲取到當(dāng)前位置與轉(zhuǎn)速，根據(jù)本次目標(biāo)完成任務(wù)時(shí)間來確定目標(biāo)PWM值。PID程序的設(shè)計(jì)。首先這里需要利用C語言中的結(jié)構(gòu)體來初始化PID控制器的一些參數(shù)，分別包括：確定期望值Input、輸出值Output、當(dāng)前偏移值Error_c、上次偏差設(shè)置為Error_p、上上次偏差設(shè)置為Error_bp，以及比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD。采用位置式PID，把用戶期望值賦給PID控制器的用戶設(shè)定值，通過期望值減去當(dāng)前值，得到當(dāng)前偏差防止積分飽和的同時(shí)通過公式進(jìn)行計(jì)算，最終得到一個(gè)PWM的值。當(dāng)PID運(yùn)算完成一次后，當(dāng)前偏差作為下一次偏差的上次偏差保存到PID->Error_last，再輸出當(dāng)前的運(yùn)算PWM結(jié)果。PWM值的采用。這里通過在主程序中調(diào)用該P(yáng)ID算法，從而獲取到對應(yīng)的PWM結(jié)果，將其結(jié)果循環(huán)賦予程序，不斷更新其占空比，達(dá)到實(shí)時(shí)根據(jù)當(dāng)前場景動(dòng)態(tài)修改小車轉(zhuǎn)速的效果，從而穩(wěn)定完成目標(biāo)任務(wù)。5系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試過程5.1紅外傳感器實(shí)驗(yàn)與調(diào)試將紅外傳感器放置在循跡路線上，分別讓左、中及右紅外線接收管垂直于場地，模仿小車行駛情況，結(jié)果如圖5.1所示。圖5.1紅外傳感器對路跡調(diào)試確經(jīng)對比可知，用三路紅外傳感器測量的場地巡線路徑能夠準(zhǔn)確的反射信號(hào)，伴隨路徑的變化，各燈管能夠正確顯示并返回正確數(shù)據(jù)。由此說明該傳感器工作正常，測試程序無誤。紅外傳感器能達(dá)到目標(biāo)預(yù)期，將小車驅(qū)動(dòng)程序與紅外程序一起下載進(jìn)行調(diào)試，小車能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定循跡直線路徑，但是如果遇到彎曲處仍會(huì)有傳感器無法及時(shí)、準(zhǔn)確檢測目標(biāo)路徑的誤差?？紤]到三路紅外傳感器會(huì)因?yàn)閳龅丨h(huán)境的不同而造成一定的影響，其中，傳感器距地高度影響最深，在多次試驗(yàn)后，得到數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1紅外傳感安裝高度與小車精準(zhǔn)巡線的關(guān)系紅外對管距地面高度/cm1.21.51.722.3輸出電壓/V2.02.62.72.53.0小車巡線精準(zhǔn)度/%7485939892經(jīng)過綜合對比循跡場地、坡度、紅外反射的強(qiáng)度等外部環(huán)境條件，最終調(diào)整認(rèn)為2.15cm為最適合的傳感器離地高度，在多次以該高度為調(diào)試條件后，確認(rèn)此高度為最適合高度。5.2按鍵錄入目標(biāo)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試打開KeiluVersion5軟件，通過ST-Link連接到開發(fā)板程序，首先確認(rèn)初始數(shù)據(jù)目標(biāo)爬坡時(shí)間t為10秒，如圖5.2所示。圖5.2按鍵錄入前確認(rèn)初始時(shí)間后，通過按鍵KEY1外部錄入用戶指定時(shí)間，該次測試目標(biāo)為15秒，通過按鍵按下后，時(shí)間即增1，連按5此KEY1后，觀察參數(shù)變化如圖5.3所示，更新后的當(dāng)前目標(biāo)時(shí)間t為15秒。圖5.3按鍵錄入后經(jīng)過對比可發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)五次按鍵后，對應(yīng)時(shí)間確實(shí)受按鍵影響，目標(biāo)時(shí)間從10秒提升到了15秒，由此說明該模塊工作正常，測試程序正確。5.3系統(tǒng)電源的測試將12V鋰電池直連TB6612驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行供電后指示燈閃亮。確認(rèn)供電成功后再通過TB6612驅(qū)動(dòng)提供的5V與GND引腳對STM32芯片進(jìn)行連接供電，后者指示燈閃爍。最后，再將STM32提供的外部輸出3.3V引腳提供給三路紅外傳感器，三者指示燈全亮，如圖5.4所示。并且上機(jī)下載程序后，分別對各模塊進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)供電正常。圖5.4系統(tǒng)電源連接展示5.4調(diào)速算法的調(diào)試5.4.1電機(jī)轉(zhuǎn)向與編碼器測速的調(diào)試編碼器測速前先確保電機(jī)能夠正確運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)霍爾編碼電機(jī)AIN1、AIN2引腳的高低電平配置能夠控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，結(jié)果如表5.2所示。表5.2電機(jī)轉(zhuǎn)向參數(shù)AIN1010AIN2001停止正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)由圖可知，當(dāng)AIN1、AIN2分別輸出電平為0/0時(shí)，則會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，為1/0時(shí)則會(huì)正轉(zhuǎn)、為0/1時(shí)則會(huì)反轉(zhuǎn)。在電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)正確的運(yùn)轉(zhuǎn)后，通過編碼器的AB相進(jìn)行連接到STM32對應(yīng)上的引腳，連接ST-LINK后進(jìn)行在線程序調(diào)試，實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)于編碼器測速隨時(shí)間的變化。通過試驗(yàn)可得數(shù)據(jù)如表5.3所示。表5.3編碼器速度隨時(shí)間變化表時(shí)間（秒）當(dāng)前轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）預(yù)期轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）00513.756524.724534.995545555565.235574.446584.643594.7835103.33255.4.2調(diào)試PID算法PID調(diào)節(jié)是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。根據(jù)輸入的前后電機(jī)轉(zhuǎn)速做對比，按照一個(gè)合適的比例通過積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過函數(shù)拿到后在主程序中不斷輸出輸出，動(dòng)態(tài)的控制小車的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，從而穩(wěn)定達(dá)到期望速度。在本次設(shè)計(jì)中，采用增量式PID來進(jìn)行調(diào)速。利用如下公式：公式（5-1）：pwm=Kp×ek公式（5-2）：pwm=Kp雖然通過PID算法對編碼器傳回的當(dāng)前轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算而調(diào)節(jié)當(dāng)前速度達(dá)到目標(biāo)預(yù)期值能夠穩(wěn)定小車速度，但調(diào)速需要一個(gè)過程，這個(gè)過程耗費(fèi)的時(shí)間對于起步階段非常重要，從0~預(yù)期值需要P、I、D三個(gè)值達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，根據(jù)多次測量，得出數(shù)據(jù)如表5.4所示。表5.4P、I、D參數(shù)與穩(wěn)速時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)KpKIKD穩(wěn)速時(shí)間（秒）0.120.020.352.80.150.010.302.50.130.020.302.20.090.010.251.50.080.010.201.30.070.0080.191.3雖然PID參數(shù)能夠使起步穩(wěn)速時(shí)間減少，但在達(dá)到Kp為0.08，Ki為0.01，KD為0.20后，由于硬件問題，穩(wěn)速時(shí)間基本不會(huì)再受到影響，綜上所述，采用此配置為PID參數(shù)。5.5試驗(yàn)與調(diào)試5.5.1小車外部設(shè)計(jì)圖5.5小車外部設(shè)計(jì)如圖5.5所示，通過連接柱將STM32芯片頂空放置，避免與TB6612驅(qū)動(dòng)、紅外傳感等其他電路觸碰放置損壞。且對各模塊的引腳連線做區(qū)分，使線路成區(qū)域化，高置的芯片與穩(wěn)固的連接使得小車即便在爬坡過程中也能穩(wěn)定行駛，不會(huì)出現(xiàn)各模塊脫落的風(fēng)險(xiǎn)，更為牢固。5.5.2綜合試驗(yàn)完成各模塊調(diào)試后、根據(jù)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，將場地坡度設(shè)置為20°，通過按鍵KEY1連按3次，設(shè)計(jì)目標(biāo)完成時(shí)間為13秒。將小車放入場地中，進(jìn)行循跡。小車傳感器模塊的三路紅外傳感器中間管腳檢測到路徑，主程序催動(dòng)前進(jìn)函數(shù)，此時(shí)速度為0，PID根據(jù)目的時(shí)間13秒進(jìn)行調(diào)速，在大概1秒后速度穩(wěn)定為預(yù)期速度，小車向前行駛，達(dá)到曲線部分。如圖5.6所示。圖5.6直線行駛到達(dá)曲線部分小車向前導(dǎo)致左、中兩個(gè)紅外管腳檢測