1、分 类 号 密 级华 中 农 业 大 学 楚 天 学 院 本 科 毕 业 论 文基于 CORTEX-M3 的智能避障小车设计与实现Design and Implementation of Intelligent avoidance car base on CORTEX-M3 学生姓名：明敏敏学生学号：112301010学生专业：计算机科学与技术（嵌入式方向）指导教师：吴琼飞华 中 农 业 大 学 楚 天 学 院二 一 五 年 六 月华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）目 录摘 要 .II关键词 .IIAbstract .IIKey words .II前言 .11 课题概述 .11.1 课题
2、研究的意义与背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 智能避障小车的简述 .21.4 课题主要研究的内容 .22 系统的分析设计与实现 .32.1 系统的结构图 .32.2 软件工作流程 .43 系统的硬件及软件的设计 .43.1 嵌入式系统的介绍 .43.2 CORTEX-M3 硬件平台的介绍 .53.2.1 电源模块 .53.2.2 复位模块 .53.2.3 晶振模块 .53.2.4 STM32 微控制器 .63.2.5 JTAG 模块 .63.3 直流电机驱动 L298N .63.4 超声波测距模块 HC-SR04 .73.5 程序开发软件介绍 .84 系统测试 .84.1 调试的思
3、路 .84.2 串口的调试 .84.3 超声波测距模块调试 .94.4 L298N 驱动模块调试 .94.5 硬件调试 .95 系统结果分析与展望 .10参考文献 .11致 谢 .12附录： .13华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）I摘 要智能技术是按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。本系统主要体现多功能小车的智能避障模式，当小车与障碍物距离小于安全距离时，通过单片机控制小车会自动向右转弯逼开障碍物，之后继续直线前进。智能避障系统可用于未来的智能汽车上，与障碍物较近时如果驾驶员未做出反应，汽车会自动减速并避开障碍物,并减速至
4、停靠与路边。同时智能避障小车也可以作为玩具市场的主要发展对象，实现经济效益。本系统通过超声波测距模块测量小车与障碍物的距离情况，并通过 L298 电机驱动模块驱动小车避开障碍物运行，整个系统的控制模块以 CORTEX-M3 嵌入式系统作为主控芯片。本系统可设置最小安全距离，也可调节小车运行速度，当小车与障碍物距离小于安全距离时，通过 CORTEX-M3 嵌入式系统控制小车会自动向左转弯逼开障碍物，之后继续直线前进，实现智能避障。.关键词智能技术；CORTEX-M3 系统；超声波传感器；最小安全距离；AbstractIntelligent technology is automatically
5、operated in a specific environment according to the preset mode, without human management, it can accomplish the expected or higher target.This system is mainly reflected the car intelligent obstacle avoidance mode, when the car and the obstacle distance is less than the safe distance, through the M
6、CU control car will automatically turn to the right force obstacles, then continue straight ahead.The intelligent obstacle avoidance system can be used in the future smart car, and when the obstacle is near, the car will automatically slow down and avoid obstacles, and slow down to dock and roadside
7、.At the same time, the intelligent obstacle avoidance car can also be the main development object of the toy market, and realize the economic benefit.The system through the ultrasonic ranging module measuring car and obstacles of distance and the L298 motor drive module to drive the car to avoid obs
8、tacles to run, the system control module based on Cortex-M3 embedded system as the main control chip. The system can set the minimum safe distance, can regulate the running speed of the car, when the car and the obstacle distance is less than the safe distance, the Cortex-M3 embedded system control
9、car will automatically turn left forced open obstacles, and then continue straight forward and intelligent obstacle avoidance.Key wordsIntelligent technology; CORTEX-M3 system; Ultrasonic sensor; Minimum safe distance华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）II华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）0前言在我国，由于城市人口的高度集中以及道路纵横交错，汽车给人们的出行提供了方便的
10、同时也带来了许多安全上的问题。专家对各地交通事故统计分析结果表明各地交通事故普遍是由于驾驶员在危急情况发生时反应不及时所造成。因此若驾驶员能前提早意识到会有交通事故发生，并相应的采取了正确措施那么大部分的事故都是可能避免。因此智能避障系统在交通安全中的作用日益凸显。对智能避障的研究也变得尤为重要。智能避障是指汽车的超声波传感器采集的距离数据小于一个安全值时，能够智能的避开汽车周围的障碍物或汽车，在与障碍物碰撞前发出警报提醒驾驶员注意减速或制动，使驾驶员能够及时的采取应急措施，从而达到事先预防避免或减少事故发生。 1 课题概述1.1 课题研究的意义与背景在日常生活过程中 95%的信息是通过视觉获
11、得。丧失了视觉或是视力有严重缺陷的人在工作、生活中常遇到莫大的困难,其中之一是在行走中难以了解周围的环境信息以致撞到障碍。他们需要社会给予更多的关怀和照顾,使他们能够更好的独立生活。为此研发一种智能小车,使其具有一定的感知能力、规划能力和动作能力,带领使用者避障碍物,既能帮助和关怀那些视觉存在缺陷的人,又能减轻护理人员的工作任务,因此无论对于社会还是个人都有积极的现实意义。1.2 国内外研究现状机器人的应用越来越广泛,移动机器人是机器人中的一个重要分支。早在 60 年代国外就已 始进入这方面的研究,特别在 80 年代,美国国防高级研究计划局，专门立项,制定了地面无人作战平台的战略计划。从此,在
12、全世界拉 了全面研究机器人的序幕 ,如 darpa 的“战略计算机”计划中自主地面车辆计划(1983-1990) 。国外典型著名机器人较多 ,例如:“勇气号”火星探测机器人是迄今人类遣往其它行星上第一个大型、自动化的地面机器人,相比“索杰纳”号火星探测机器人“勇气”号用六轮驱动,有很高的越障能力,核心是一台每秒能执行 2000 万条指令的计算机,具备更强、更可靠的移动,装载有全景摄像机、避危摄像机、微型热散射质谱仪、显微成像仪、磁铁阵列等等传感器截止 2010 年,该机器人已经连续在火星表面工作了 6 年,是人类迄今为止最成功的外星探测机器人。国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪 50 年代
13、。它的发展历程大体可以分成三个阶段：第一阶段 20 世纪 50 年代是智能车辆研究的初始阶段。1954 年美国 Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统 AGVS（Automated Guided Vehicle System）。第二阶段 从 80 年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。在美洲，美国成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC）。在亚洲，日本成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会。第三阶段 从 90 年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡
14、内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了 Navlab 系列的 10 台自主车（Navlab1Navlab10）的研究，取得了显著的成就。Remotec Andros F6A 排爆机器人是美国军械制造商 Northrop Grumman 公司制造,用于排爆、核放射及生化场所的检查和清理、处理有毒、有害物品、特警行动及机场保安。其有轮式和带式移动方式能上下楼梯、爬坡越沟。本田 ASIMO 仿人形机器人,是日本本田公司研制的目前最先进的仿人行走机器人。ASIMO 身高 1.3 米,体重 48 公斤,它的行走速度是 0-6km/h。人形机器人的控制
15、比较复杂,常作为一种衡量机器人水平高低的标准。华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）1导盲机器人是非常有效的辅助盲人步行的工具1,目前大致可分为这几类 :电子式导盲器、穿戴式导盲器、引导式手杖、手机语音导盲等,移动式导盲机器人,美国北卡罗莱州立大学研制了一种电子导盲犬有一套综合探测系统,通过对探测信号的综合处理,能将危险提示给盲人,也能给盲人指明方向和前进的路线,但它不能上下楼梯。曰本精工(NSK)在“2011 国际机器人展(iREX2011) ”上推出了能为人带路的导盲犬机器人。此款机器人采用了脚部配备有车轮的脚车轮构造,在平地 t 可用车轮滑行,上下台阶时可换用四脚行走。安装在头部的 3
16、D 距离图像传感器能识别台阶并加以引导。11 本精工计划于 2020 年将其投入实际应用。我国移动机器人的研究起步较晚,大约于 20 世纪 70 年代末、80 年代初开始。大多数研究尚处于单项研究阶段,主要的研究工作涉及基于地阁的全局路径规划技术、基于传感器信息的局部路径技术研究、路径规划的仿真技术研究、传感技术、信总融合技术研究和智能移动机器人的设汁实现。清华大学、国防科技大学、南京理工人学、北京理工大学、浙江大学等多所院校合研制的多功能室外智能移动机器人实验平台 THMRV,车上装备有彩色摄像机、GPS、磁罗盘光盘定位系统、激光测距仪 LMS220 等。计算机系统由一台视觉信息处理机和一台
17、信息融合机构成。中科院沈卩丨jf:丨动化研究所研制的基于非结构环境移动机器人能够在复杂多变的环境中使用。近 10 年来,我国避障机器人的研制在逐步缩小与世界先进水平的差距。1.3 智能避障小车的简述通过超声波测距模块测量小车与障碍物的距离情况，并通过 L298 电机驱动模块驱动小车避开障碍物运行，整个系统的控制模块以 CORTEX-M3 嵌入式系统作为主控芯片。本系统可设置最小安全距离，也可调节小车运行速度，当小车与障碍物距离小于安全距离时，驱动电机，改变小车的方向，从而达到智能避障的效果。1.4 课题主要研究的内容按 照 课 题 的 基 本 要 求 ， 本 设 计 主 要 包 含 以 下 3
18、 个 模 块 ：(1)超 声 波 测 距 模 块 设 计根 据 超 声 波 测 距 原 理 ， 当 超 声 波 向 某 一 方 向 发 射 超 声 波 时 ， 单 片 机 内 部 开 始 计 时 ， 超声 波 在 传 输 的 过 程 中 ， 遇 到 障 碍 物 体 就 会 立 即 返 回 ， 当 超 声 波 接 收 器 接 收 到 反 射 波 同 时 单 片 机停 止 计 时 。 我 们 知 道 ， 超 声 波 在 空 气 中 传 播 的 速 度 是 340m/s， 并 设 单 片 机 记 录 的 时 间 为t， 单 片 机 通 过 计 算 可 得 到 小 车 与 障 碍 物 之 间 的 距
19、离 ， 即 ： L=340*t/2。 之 后 根 据 设 定 的 最小 距 离 来 判 断 小 车 是 该 直 行 还 是 转 弯 。(2)CORTEX-M3 主 控 制 模 块此 模 块 是 小 车 最 重 要 的 部 分 ， 它 控 制 着 超 声 波 测 距 模 块 、 电 机 控 制 模 块 的 工 作 。 主 要 完 成超 声 波 发 射 与 返 回 的 计 时 并 计 算 小 车 与 障 碍 物 之 间 距 离 ， 控 制 端 口 的 高 低 电 平 ， 通 过 输 出 不 同频 率 的 脉 冲 来 控 制 电 机 的 工 作 。(3)电 机 驱 动 模 块L298N 接 受 标
20、准 TTL 逻 辑 电 平 信 号 ,4 脚 接 电 压 范 围 为 +2.5-46 V 的 电 源 ,输 出 电 流 最 高可 达 2.5 A。 IN1,IN2, IN3, IN4 接 输 入 控 制 电 平 ,控 制 电 机 的 正 反 转 。 ENA,ENB 连 接 控 制使 能 端 。 0UT1,0UT2 接 左 侧 两 个 相 互 并 联 的 电 动 机 ,0UT3,0UT4 接 右 侧 两 个 相 互 并 联 的 电 动 机 。为 了 对 直 流 电 机 调 速 从 而 控 制 避 障 首 先 需 设 置 IN1 和 IN2， 确 定 电 机 的 转 动 方 向 ， 然 后对 使
21、能 端 输 出 PWM 脉 冲 即 可 实 现 调 速 。 注 意 当 使 能 信 号 为 0 时 ， 电 机 处 于 自 由 停 止 状 态 。 当使 能 信 号 为 1 时 ， 且 IN1 和 IN2 为 00 或 11 时 ， 电 机 处 于 制 动 状 态 ， 组 织 电 机 转 动 。 直 流 电华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）2机 状 态 表 如 下 所 示表 一2 系统的分析设计与实现经过设计超声波智能避障小车能够实现基本功能，即近距离遇到障碍物自主绕行，不会撞击到障碍物。该小车内部结构简单，操作容易，并且功能扩展余地大，经过深入改造，智能小车可以更加智能，功能更加丰富。
22、该系统主要是在控制芯片上提供一个不小于 10us 的触发脉冲信号，触发超声波传感器内部一个 8 周期的 40KHz 的回波脉冲，检测到的回波脉冲时间与距离成正比，根据时间间隔就可以得到距离。在无障碍物的环境下，小车能够直行，当超声波传感器测到的距离小于一个安全值的时候，驱动电机，改变电机的转速，从而能够改变小车的运行方向，避开障碍物，继续前行。2.1 系统的结构图该流程图为系统流程图，主要是描述系统整个运行过程，包括系统的主要模块图 2-1 系统流程图华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）32.2 软件工作流程P W M 初 始 化开 始定 时 器 初 始 化定 时 器 时 间 到 发 送一
23、 个 触 发 信 号收 到 回 波 信 号计 算 障 碍 物 距 离小 于 4 0 c m驱 动 电 机 减 速驱 动 电 机 加 速P w m 软 件 自 增大 于 3 0 c m 驱 动 电 机 转 向P w m 软 件 自 减定 时 计 数 器 初 始 化YYNNYN图 2-2 工作流程图3 系统的硬件及软件的设计3.1 嵌入式系统的介绍嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计）43.2 CORTEX-M3 硬件平台的介绍3.2.1 电源模块STM32 芯片的工作电压为 2.
24、03.6V，通过内置的电压调节器提供 1.8V 电源。当电源 VDD 掉电后，通过 VBAT 脚为实时时钟和备份寄存器提供提供电源。当用 JTAG 供电时，通过电容滤波对瞬态电流的限制，使用 LM1117 为系统提供稳定的 3.3V 电源。当系统供电后，有一指示灯被点亮，提示系统处于供电状态。图 3-13.2.2 复位模块在 STM32 系列芯片中，由于有完善的内部复位电路，外部复位电路就特别简单，只需要使用电阻电容方式。手动按键产生复位信号，完成 STM32 芯片的启动，确定 STM32 芯片的初始状态。通常在芯片工作出现混乱或“死机”时，使用手动按键可使芯片重新工作。由于 NRST 为低电
25、平有效，利用电容电压不会突变的性质。开机后电容电压为零实现复位，电源通过电阻 R3 向电容 C3 充电直到电容电压上升为高电平，STM32 芯片才开始正常工作。图 3-23.2.3 晶振模块STM32 系列的控制器可以使用外部晶振或外部时钟源，经过内部 PLL 或不经过内部 PLL 为系统提供参考时钟，也可以使用内部 RC 振荡器经过或不经过内部 PLL 为系统提供时钟源。当使用外部晶振作为系统时钟源时，外部晶振的频率在 4MHz16MHz，可以为系统提供精确的系统参考源。 STM32 开发板使用 8MHz 外接晶振为系统提供精确的系统时钟参考。图 3-3华中农业大学楚天学院本科毕业论文（设计
26、）53.2.4 STM32 微控制器本系统选用 STM32F103RBT6 芯片，Cortex-M3 内核采用哈佛架构，指令和数据各用一条总线，可以同时从内存中读取指令和数据。这款芯片拥有丰富的资源，128KB 的 Flash、20KBSRAM、2 个SPI、3 个串口、1 个 USB、1 个 CAN、2 个 ADC、RTC、51 个 I/O 口等。3.2.5 JTAG 模块CortexM3 内核集成 SWD/JTAG 调试接口，这里采用标准 20 脚 JTAG 调试接口。JTAG 接口提供对 STM32 芯片内部的 Flash 的烧写和调试程序，需要 Keil 软件和 J-link v8 仿
27、真器的配合。在图3-5 中，R8、R10、R11 为上拉电阻，R7 为下拉电阻，NJTRST/JTDI/JTMS 为内部上拉，JTCK 为内部下拉。请注意：当不使用 JTAG 接口，而是作为普通 I/O 口使用时，要注意其口线上的上拉电阻和下拉电阻的影响。图 3-43.3 直流电机驱动 L298N智 能 避 障 小 车 采 用 直 流 电 机 作 为 控 制 的 载 体 ， 通 过 其 正 转 或 反 转 ， 实 现 小 车 的 前 几 或 后 退 ，采 用 了 直 流 电 机 驱 动 芯 片 L298N 来 驱 动 ， 引 脚 连 接 如 图 3.2 所 示 。 前 进 时 IN1 输 入 高 电 平 ，IN2 输 入 低 电 平 ； 后 退 时 IN3 为 低 电 平 ， IN4 为 持 续 高 电 平 即 占 空 比 100%。 若 是 要 调 节 直 流电 机 的 速 度 ， 可 通 过 改 变 其 占 空 比 来 实 现 ， 所 以 仅 通 过 赋 予 相 应 的 引 脚 高 低 电 平 来 控 制 其 前 进或 停 止 。 所 以 无 需 再 调 速 。图 3-5
