基于STM32单片机的双线循迹智能车研究

2022-09-10

STM32系列单片机是一款高性能、低功耗、功能强大、低成本的处理器[1], 适合双线循迹智能车的自动循迹开发研究。智能车的自动循迹主要有光电循迹和电磁循迹两种方式, 本文将主要探讨分析基于两种循迹方式的优缺点, 以提高智能车在循迹过程中的稳定性, 为研究汽车自动避障与循迹功能的研究人员提供参考。

一、双线循迹智能车的基本结构组成

双线循迹智能车主要包括四大模块:微处理器、电机控制器、1602液晶屏、循迹传感器。微处理器主要由STM32单片机芯片组成, 用于控制整体智能车。电机控制器主要由电机或马达组成, 用于驱动智能车行走或转向。1602液晶屏主要用于显示循迹轨迹、循迹速度等参数信息。循迹传感器主要包括光电传感器和电磁传感器两种类型, 主要用于识别并反馈外部环境, 以实现智能车的自动循迹功能。

二、基于STM32单片机的双线循迹智能车的自动循迹原理分析

(一) 双线循迹智能车采用光电循迹原理分析

双线循迹智能车采用光电循迹方式时, 其循迹传感器应采用由红外光电二极管和光电晶体管组成的光电传感器[2], 而且在智能车的行走轨迹上应预先铺设黑色胶带, 形成智能车的预设行走轨迹。

智能车进行光电循迹的工作原理:智能车在自动循迹过程中, 其光电传感器不断向外部环境中发射红外线, 根据黑色胶带对红外线的反射程度差异来识别智能车的预设行走轨迹, 并将光电信号反馈给STM32型单片机, 然后利用STM32型单片机中的定时器中断调节PWM值来控制后轮两端的电机形成差速运转, 从而通过闭环反馈控制实现智能车按照预设的速度值进行直走和转弯, 达到自动循迹的目的。

如图1所示, 循迹传感器选用红外光电二极管, 其中发射器选用发光二极管, 接收器选用光敏二极管。智能车在循迹过程中可通过STM32型芯片自动调节电位器的阈值, 使得光敏二极管在接收到外界环境反射的红外光信号时输出高电平, 在未接收到黑色胶带反射的红外光信号时输出低电平, 从而精确判断黑色胶带的轨迹, 按照预设的速度值进行循迹行走。

(二) 双线循迹智能车采用电磁循迹原理分析

双线循迹智能车采用电磁循迹方式时, 其循迹传感器应采用电磁传感器, 而且智能车的行走轨迹中心线下应铺设漆包线, 形成智能车自动循迹的引导线。

智能车进行电磁循迹的工作原理:智能车通过电磁传感器采集轨迹中心线下漆包线中交变电流产生的电磁信号, 然后经过单片机系统中滤波电路滤波、放大电路放大后发送给STM32芯片, 再经过处理后形成PWM波值, 以驱动智能车前轮上的转向舵机控制前进角度, 后轮上的电机控制前进速度, 从而通过开环控制方式带动智能车沿着引导线循迹。智能车在电磁循迹过程中, 主要通过转向舵机控制前进方向, 对精确循迹起着至关重要的作用。因此, 智能车系统中的转向舵机应采用PID算法进行开环控制, 通过编码器不断检测实际运行轨迹与引导线间的偏差, 不断改进PID算法中比例、积分、微分参数的值, 以提高PID算法精度与循迹精度, 从而减小智能车运行的震荡程度, 保障智能车循迹过程的车速稳定[3]。

三、双线循迹智能车采用两种循迹方式的对比分析

智能车采用光电循迹时主要通过前端光电传感器采集黑色胶带反射的红外信号, 然后通过STM32芯片控制后轮两端的电机形成差速运转, 达到控制角度与速度的目的, 进而保障智能车沿着黑色胶带自动循迹。智能车采用电磁循迹时只要通过前端电磁传感器采集引导线中交变电流产生的电磁信号, 然后通过STM32芯片控制前端转向舵机控制运行角度, 后端两轮上的电机控制运行速度, 以保障智能车沿着中心引导线自动循迹。如表1所示, 光电循迹采用闭环反馈控制方式, 可保障智能车运行稳定可靠, 自动循迹过程中震动较小, 而且不需要设计专门的转向舵机系统结构, 降低了整车成本。电磁循迹采用开环控制方式, 系统稳定性较差, 而且转向舵机系统使用的PID算法稳定性差, 难以满足精确自动循迹的要求。

四、小结

本文主要研究基于STM32单片机的双线循迹智能车, 分析智能车的基本结构组成和循迹原理, 并主要针对智能车的两种循迹方式进行探讨研究, 对比分析两种循迹方式的工作原理。同时, 本文重点分析智能车基于两种循迹方式的优缺点, 得出在光电循迹方式下智能车运行稳定、成本更低廉的结论, 可为研究汽车自动避障与循迹功能的研究人员提供参考, 以保障其研发的汽车自动避障与循迹系统更加完善。

摘要：随着社会不断加大对汽车自动避障与循迹功能的研发投入, 各高校和科研院所也相继鼓励学生进行自动双线循迹智能车的开发研究。本文主要研究基于STM32单片机的双线循迹智能车, 首先分析智能车的基本结构组成和循迹原理, 然后针对智能车的光电循迹与电磁循迹方式进行深入探讨研究, 重点分析智能车基于两种循迹方式的优缺点, 得出在光电循迹方式下智能车运行稳定、成本更低廉的结论, 可为研究汽车自动避障与循迹功能的研究人员提供参考, 以保障其研发的汽车自动避障与循迹系统更加完善。

关键词：STM32,智能车,光电循迹,智能循迹