基于IoT的智能车系统的设计与实现
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作者:包子建
摘要：该文以STM32为核心控制单元，设计并实现了一种智能的避障小车。智能小车由感应模块、控制模块、驱动模块、电源模块、调试模块和通信模块组成。智能小车采用红外对管和超声波探测黑线和障碍物，驱动板控制车速和转向，实现自动跟踪和避障功能。
关键词：物联网;智能小车;自动循迹
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）08-0179-02
随着科技水平的不断提高和工业自动化进程的推进，智能小车被广泛应用于各种玩具等产品的设计中，极大地丰富了人们的生活。本智能小车正是顺应了社会发展的潮流和人们的需求而产生的。本文设计的智能电动小车具有自动检测、避障、自动调整车身、呜叫提醒、增减行驶速度、显示行驶速度等具体功能。
1 系统设计
本文设计的智能小车可以说是机器人的典型代表，它主要实现了两种功能：跟踪和避障。它可以分为四个部分：传感器检测部分，执行部分，工作状态显示部分，CPU。为了实现自动避障的功能，机器人还可以扩展跟踪功能，感知导线和障碍物。它可以自动识别行驶的路线，选择正确的路线，并自动检测障碍物加以躲避。基于上述要求，传感器检测部分采用价格低廉的超声波距离传感器作为传感器。智能小车的执行部分由直流电机执行，主要控制小车的运动方向和速度。根据实际情况，设计了单片机驱动的直流电动机方案，通过软件选择模拟PWM输出调制，这样选择单片机型号较为广泛。
本小车选用的是大扭矩直流电机，它自带电感，通过金属和斜齿相结合，从而组合形成了大扭矩、低噪声的转动系统。小车整体动力性能较强，加之底盘稳定性高，可以轻松实现就地转向和按需转向功能。小车的负载能力超过3公斤，能够跨越一定维度的阻碍物，可以运用于一些使用要求较高的场景。小车以STM32单片机为控制核心，配合外围电路完成路径探测、信号采集、障碍物检测、指令输入、信号显示、运行状态控制等功能。
本设计采用脉冲调制的红外反射收发机感知道路通行状况，利用IR传感器超声波传感器采集前进方向周围的障碍物状况。脉冲调制红外收发器探测道路上的黑线信息，转换成一个稳定的水平信号发送给单片机，然后单片机处理信号。黑色轨道的光反射能力最弱，传感器返回给单片机的信号是高电平1，而轨道两侧的全白色的光反射能力最强，传感器返回给单片机的信号是低电平0，此状况下.小车往前移动。在其他情况下，小车会根据传感器采集信息进行运算，自动调整自己的运行方向，从而实现沿黑色轨道正确行走。
本小车的避障功能由车身前方的超声波传感器和车身两侧的IR传感器构成。因为超声波传感器对被测对象的坡度有一定要求，而IR傳感器对坡度则无要求，但其对光线却有其他要求，所以将它们结合一起工作。超声波传感器可以通过距离测量来判断障碍物，一旦距离小于某一固定值，小车即转向，同时结合车身两侧IR传感器实时信息，可以进一步实现准确避障功能。超声波传感器通过单片机的2号中断控制小车前进，与此同时单片机对车身两侧IR传感器返回的信号进行查询，确定小车应采取的正确控制状态。左前方右前方避障传感器是一种脉冲调制反射红外发射机接收机，但容易受到光的影响。超声波模块距离测量要求被测物体的倾斜度。两者的结合不仅可以不受被测物体倾斜度的影响，还可以检测不同高度的障碍物，提高了检测的准确性和全面性，提高了避障的准确性。
2 系统实现
2.1 车身结构的确定
可移动机器人行动机制通常有履带式、车轮式、步行式以及混合型几种。其中履带式和车轮式机器人适用于道路状况比较好的场景，而步行式机器人适用于道路状况比较差的场景.混合型机器人则能够灵活适应各种道路状况。在各种实际应用的移动机器人中，车轮式机器人是最为常见的。此类机器人出现时间较长，机械设计方面的技术相对比较成熟。本智能小车的设计初衷就是工作在一个相对较好的道路环境当中，因此采用了车轮式转动机制。机器人整车的基础部件包含有车架、电池、直流电动机、车轮等。
2.2 控制系统方案
本文设计的智能小车控制系统具有CAN总线通信、障碍物探测、主动避险、无线通信等基本功能。根据功能需求规范，小车的整个控制系统主要由单片机模块、障碍物探测模块、马达驱动模块、通信扩展模块、供电模块等组成。在具体的实现过程中，各个功能模块的软硬件部分做到尽量相对独立，从而为后期的维护和升级服务提供方便。
2.3 电力系统设计
本设计中智能小车的主要电力消耗是在电机驱动和控制电路中。主控制器电源是+3.3V，电机驱动芯片电源是+5v，电动机驱动电源是+12V，所以+12V可以选择作为系统的主电源，并可通过添加电源转换芯片电路获得+5V和+3.3V。系统电源选用+ 12.6V系列锂电池，从而+12V电压可直接从电池组获得。
2.4单片机的选型
本智能小车的中央控制器选用意法半导体公司生产的STM32 F103VCT6芯片，它能够完全胜任电机控制、传感器信息采集、外部通信扩展等任务。其Thumb 2指令集更是带来了超高的指令效率和性能。它通过耦合嵌套向量中断控制器，可以更快地响应事件中断信号。该处理器具有三种低功耗运行模式和更为灵活机动的时钟控制机制，同时还可以根据系统的设计要求进行相应的合理优化。
2.5 障碍探测模块
障碍物探测功能是体现智能车辆导航能力高低的重要保障。在小车的日常工作过程当中，传感器其实就是担当了小车的“眼睛”，一旦其探测到了障碍物和相关距离信息，导航算法就能做出对应的线路规划，从而实现主动避障。一般用于障碍物探测的传感器主要有IR传感器、超声波传感器和激光测距仪。激光测距仪是利用激光器作为光源进行测距，其原理和结构相对简单，可以日夜作业，但价格较高。超声波测距是通过测量声波从发射到接收过程的经过时间长短来计算距离大小。超声波检测快速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度上能够满足工业实践的要求，因此在移动机器人的发展过程中得到了广泛的应用。但在实际应用过程当中，由于超声波的发射波束角度较大，方向性就比较低，从而只能简单地探测到障碍物的存在，无法获取其准确的空间信息。IR传感器则具备方向性强、探测角度不大的优点，不过它却不能准确地确定障碍物的距离远近。所以本系统综合使用超声波传感器和IR传感器，通过数据融合来计算获得障碍物的方向角度和距离远近信息。
2.6 通信扩展模块
本智能小车是由上述控制器、电机驱动电路和若干传感器组成的半自主式的移动机器人系统。它能够通过传感器快速感知周围环境，依靠自身的规划算法做出相应的决策，并进行主动调整、路径优化、速度控制等。但是由于外部工作环境具有高度的不确定性和复杂性，小车的行为在特殊的情况下，还是需要一定程度的人工干预。因此小车还必须有一个与外界进行人机信息交换的通道，也就是需要设置一个通信接口。本系统的主控制器STM32 F103VCT6具有CAN、12C、SPI、USB等多种扩展通信外设接口。本设计的通信模块同时具备有线通信和无线通信两大部分。有线通信功能主要是由CAN总线通信提供，而无线通信功能则主要是由ZigBee和WiFi提供。
3 结束语
随着社会的发展和人类对公共交通的需求，以及人工智能水平的不断提高，汽车工业也得到了空前迅速的发展，对汽车的研究也越来越受到人们的关注。全国电子竞赛、省市电子竞赛和全国高校每年举办的竞赛也都有关于智能小车的主题。因此，各方对这一课题的研究都给予了极大的重视，这也体现了它的重要意义。本文以STM32芯片为核心的智能小车为研究对象。它由电源模块、红外传感器模块、电机驱动模块、调试模块和单片机模块组成，主要通过超声波和跟踪板采集信息，实现智能跟踪和避障。
参考文献：
[1]颜世波.基于Android的智能环境检测系统的开发[J].东方教育，2015（4）：582.
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[3]包子建.基于loT的污染监测系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（6）：255-256.
[4]包子建.基于IoT的道路照明系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（10）：213-214.
【通联编辑：代影】
收稿日期：2019-12-02
作者简介：包子建（1975-），男，江苏南通人，高级工程师，硕士，主要从事物联网和信息服务方面的教学和研究。
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