自动跟随智能小车设计与运动控制.docx

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1、北京理工大学珠海学院2020届本科毕业生设计自动跟随智能小车设计与运动控制学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械电子工程陈观梅学 号：职 称：160404102484尹新彦讲师中国珠海二二零年五月本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计自动跟随智能小车设计与运动控制是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日自动跟随智能小车设计与运动控制摘要随着生产力的不断发展，智能化产品被运用于各行各业中，其中自动跟随智能小车是一款智能自动的机电产品，主要应用在超市、宾馆、酒店、生产企业

2、等运输领域，它的自动化很大程度上减少了人力，提高了人类的工作效率。当你还在为携带沉重的物品而烦恼的时候，自动跟随小车能帮你解决这个烦恼，替你提取并且随时跟在你身后如同一名服务者，减少主人的劳动强度。设计出自动寻迹小车、自动避障小车等各种各样的智能小车是高校学生选择科技课题的其中一大热门，但是大多数的研究方向主要关注于智能化的功能，对跟随性功能缺少研究。本文将通过研究智能小车行驶的工作流程，利用单片机系统进行智能跟随小车系统的设计，包括智能小车的车体结构设计、硬件设计、直流电机PWM调速设计。同时与定位系统结合最终实现小车对目标的跟随。关键词：智能；STM32；跟随Design and moti

3、on control of an intelligent carABSTRACTWith the continuous development of productivity, intelligent products are transported to various industries. Among them, the automatic following smart car is an intelligent automatic electromechanical product, which is mainly used in the transportation fields

4、such as supermarkets, hotels, hotels, and production enterprises. To a certain extent, its automation reduces human resources and improves peoples work efficiency. When you are still worried about carrying heavy items, the automatic following car can help you solve this trouble, extract it for you a

5、nd follow you at any time like a server, reducing the labor intensity of the owner.The design of various smart cars such as automatic tracking cars and automatic obstacle avoidance cars is one of the hot topics for college students to choose scientific and technological topics, but most of the resea

6、rch directions mainly focus on intelligent functions and lack of follow-up functions. the study. This paper will use the single-chip system to design the intelligent following car system by studying the working process of the intelligent car driving, including the design of the car body structure of

7、 the intelligent car, the hardware design, and the design of the PWM speed regulation of the DC motor. At the same time, combined with the positioning system, the car can finally follow the target.key words: intelligence; STM32; follow目录1绪论11.1引言11.2 选题的现状研究11.2.1 智能小车设计与运动控制的概念11.2.2 智能小车国外研究现状11.2

8、.3智能小车国内研究现状21.3 选题的研究意义41.4 本文的主要工作42自动跟随小车控制系统硬件设计52.1小车系统方案设计52.1小车车体结构设计52.3自动跟随智能小车的优点72.4小车系统硬件设计72.4.1控制器模块72.4.2电机模块112.4.3L298N电机驱动模块162.4.4电源模块192.3.5红外距离传感器模块212.3.6超声波距离传感器212.3.7蓝牙模块242.4本章小结253直流电机PWM调速设计263.1直流电机速度控制原理263.2PWM调速原理263.3直流电机驱动技术283.4本章小结294路径规划304.1运动学模型建立304.2基于几何学的路径规

9、划314.3方向调整334.4本章小结345总结与展望35参考文献36致谢37附录138附录248附录3英文文献50附录4英文文献翻译541绪论1.1引言随着5G时代的到来，现代网络通信技术相较十几年前已经有了质的飞跃。全球智能化的浪潮使得现代社会逐渐朝着智能社会不断发展，人工智能的逐渐普及，让智能化的生活离我们越来越近。许多智能小车的设计都具有自主巡线的功能，自动寻迹小车等各种各样的智能小车在大学生的课余科技活动中扮演着不可缺少的角色，但是大部分的小车只是实现了关于智能化的功能，即按照既定路线行驶的基本功能，而在跟随性方面的考虑较少，大多数都没有实现跟随性的方面的功能。本文将研究设计一款能够

10、实现小车跟随主人的自动跟随智能小车，利用控制器系统，按照小车进行系统设计，如智能小车车体的便携式结构设计、硬件设计以及对小车进行路径规划设计。同时与定位系统结合最终实现小车对目标的跟随。1.2 选题的现状研究1.2.1 智能小车设计与运动控制的概念本着对自动跟随智能小车的承载力、稳定性、可行性的原则，对其进行车体结构设计。在单片机系统下实现小车调速、驱动的运动控制功能。1.2.2 智能小车国外研究现状第一台智能小车在1972年研制而成。自从那以后，一些发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究，主要方向是军事、高速公路和城市环境1。美国的国防部在研究自主陆地的车辆ALV方面投入了大量资金，取得了巨大的

11、发展。在欧洲，许多国家开始对关于智能小车多方面功能进行研究，控制车距离，加强感知周边道路环境，充分利用传感器进行识别等。例如，通过改进汽车的调节速度提高其灵活性与可靠性，使得汽车整体安全性有了保障。通过包括道路标志、卫星定位、车辆装载地图等综合信息的方式，自动控制车辆导航和车辆的速度2。随着智能小车的研发成为主流，其智能汽车的自动控制系统、前车距离控制系统、障碍报警系统、车辆监控系统和夜间行人报警系统等智能控制系统越来越完善和提高3。在国外市场上，如图1.1所示，有人设计出了自动跟随高尔夫球球童车，这款高尔夫球球童自动跟随车车上可以携带高尔夫球袋及各种日常用品并自动跟随主人行驶。当当主人戴上一

12、个发射器向小车持续发送无线信号，小车收到信号时，就会自动跟着主人行驶。这样的自动跟随高尔夫球球童车更够极大的减轻人的负担，也能节约对于球童的人力开支。图1.1国外的自动跟随高尔夫球球童车1.2.3智能小车国内研究现状我国对智能小车研究在近几十年来也取得巨大进步。随着智能汽车的发展，适用场合不仅仅局限在道路上，关于采用无人驾驶技术的清洁能源电动游览车也相继研发而成，其时速可达50km/h的4。在国内市场上，主要是有轨跟随，如图1.2所示，类似于电影拍摄的自动跟随摄影小车，或者比赛场地上的跟随摄影车。图1.2 自动跟随摄影轨道车另外如图1.3所示，有公司推出了自动跟随理念的行李箱，能够通过与手机或

13、者遥控器与行李箱之间的无线连接实现5米范围内行李箱的自动跟随。以上几种产品虽然实现了自动跟随的功能，但是它们都有着十分昂贵的售价，使得自动跟随的产品不容易在大众间普及。图1.3 自动跟随行李箱1.3 选题的研究意义现代社会逐渐注重智能化发展，近年来快递、物流行业发展迅速，在快递仓库中许多AGV小车占据了绝大部分的重量，它们具备电子或光学等自动导航系统，可以沿着指定的导航路线驾驶，具有安全、多样化的运输工具传递功能，且工业应用程序不需要驱动程序，而且还可以将充电电池作为电源使用5。只需要按照规定的轨迹进行移动即可，它的出现很好的帮助快递行业运输货品。这类小车的工作原理就和寻迹小车大致相同，但是造

14、价昂贵。本文选题的自动跟随智能小车，基于使用现代化的智能设备，降低人类劳动力的理念，设计出可以自动跟随指定的被跟随物体自动行走的小车。如果添加载物功能，便能极大的方便仓库工作人员对于货品的管理甚至是组建运输小车阵列，这样就能够替代造价高昂的AGV小车。或是在快递派送的时候为快递员减轻负担，或是改造成无需人力推动的跟随式购物小车，方便人们在超市里购物。自动跟随智能小车具有较为广泛的应用前景及商业市场。1.4 本文的主要工作本文将研究设计一款注重要求小车跟随主人的自动跟随智能小车。研究其车体结构、硬件设计、运动控制，从而设计出自动跟随智能小车的核心硬件系统、调速系统。（1）搭建自动跟随智能小车的车

15、体结构通过对小车运动环境分析，研究小车上坡能力、地面粗糙耐磨能力、硬度能力、载物能力，选取合适的小车车体结构材料。（2）搭建自动跟随智能小车的硬件系统通过对各种传感器、无线模块进行调查研究，为小车自动避障系统和定位跟随系统的搭建选择合适的元器件，通过元器件与STM32单片机的连接，构建出小车的自动避障系统和定位跟随系统。（3）设计自动跟随智能小车运动控制系统结合单片机与电机，对小车进行PWM调速设计，实现控制小车能够顺利地完成自动转向或倒车，避免小车与未知障碍物间发生碰撞，从而实现避障的功能。2自动跟随小车控制系统硬件设计2.1小车系统方案设计根据自动跟随智能小车的功能设计要求，对小车进行避障

16、、跟随系统设计以及直流电机PWM调速系统设计。通过对各个传感器的数据进行采集，并进行处理分析，可以得到小车与障碍物的间隔长度，然后根据距离数据断，判断小车是否需要停车、后退或者转向，从而实现小车的避障功能。而定位与跟随系统的实现基于被跟随物体和自动跟随智能小车之间的蓝牙通信，通过对于被跟随物体或自动跟随智能小车的蓝牙模块的RSSI（接收信号强度指示）进行计算，测定自动跟随智能小车（信号点）与被跟随物体（接收点）二者间的距离。或者使用超声波发射模块和超声波接收模块，利用三角定位算法计算出小车与被跟随物体间的距离，实现小车对于目标物体的准确定位。小车的调速功能实现可通过stm32单片机控制PWM信

17、号从而来改变电机电压实现速度调整。2.1小车车体结构设计本文设计的自动跟随智能小车底座如图2.1所示，采用亚克力材质板组装而成。亚克力是一种高分子材料，具有很好的化学稳定性和透光性。由于良好的透光性，能够让在对各种电子元件调试的时候进行更好的观察。此外亚克力板的硬度高，耐磨性好。亚克力板的坚固程度能够很好的支撑起整个小车的重量而且不易产生变形。图2.1自动跟随智能小车底座底板两侧为2个电机的安装留有位置。底板前部为扇形结构，留有多个M3孔洞便于各种传感器和电子元件的安装。后部为万向轮的安装留有4个M3孔洞位置。相比较于驱动小车行驶的大车轮，万向轮的体积较小。为了保持小车底板的水平，在万向轮和小

18、车底板间使用4根长度为10mm的M3铜柱进行连接。在自动跟随智能小车底座的左右两侧预留了用于固定电机的亚克力板插槽位置。电机与底座之间通过螺栓、螺母和亚克力板进行固定。小车的车轮选用直径65mm的橡胶车轮。车轮内部轮毂为塑料材质，塑料材质坚硬的特点可以保证车轮能够承受小车的整体重量。车轮胎面为橡胶材质，橡胶的特性既可以车轮保证承重的能力，一定的柔韧程度又可以为小车行驶的时候提供足够的摩擦力。小车上层板为一块PCB万用板。用于放置单片机等核心控制的电子元件。以及布置各种元器件之间的跳线。上层PCB板通过M3铜柱与底层亚克力底座连接，使用螺丝、螺母进行固定。智能小车车轮设置分为三轮式和四轮式两种，

19、本次设计出自对经济实惠以及对小车灵活性的考虑选择三轮式小车。智能小车车体的基本部分主要由车架、总电源、直流减速电机、车轮等组成。智能小车根据车轮数目分为两种转向控制方式，一种是使用舵机控制方向，前轮是通用轮子，后轮是驱动轮子，由电机驱动，而舵机是控制方向。另外一种控制方法是利用差速控制转向，两个驱动电机相当于左右车轮，相对独立。它是靠控制小车左右轮的速度来实现的，后轮则选用万向轮以确保小车顺利转弯6。如图2.2所示，A、B为小车电机驱动车轮，C为小车万向轮。图2.2小车结构示意图2.3自动跟随智能小车的优点（1）成本低廉本文设计的自动跟随智能小车使用的各种传感器的成本低廉，使用简单的传感器就能

20、达到非常不错的效果。（2）核心控制技术成熟小车核心控制芯片为STM32芯片，是现在较为普及的单片机芯片，可编程程度高，被广泛运用于各种商业产品当中。（3）反应时间迅速小车通过无线通讯与被跟随物体进行无线数传，通讯延迟时间短，数据传输速率快。2.4小车系统硬件设计2.4.1控制器模块控制器选型：本次智能小车系统需要完成主要实现小车目标跟随、自动避障、PWM电机调速等任务，若采用普通51单片机难以满足该系统正常实现及运行，需要高性能DSP处理器才能实现基本的功能需求。因此从需求、性能、价格这三个因素综合考虑最终选用由意法半导体公司设计的高性能处理器STM32F407。相较于古老的89C51单片机，

21、STM32单片机是商用范围更广，性价比更高，功能符合开发的需求。而51单片机能基本实现多个逻辑位操作功能，但其运行速度慢，I/O的高电平并不稳定，其输出时有时无，可使用的功能少，一些功能需要通过扩展实现。根据本文对于自动跟随智能小车的实际功能研究和开发需求，选择STM32单片机作为本次自动跟随智能小车的核心控制芯片。STM32使用串口通信接口实现串行通信，支持IIC、USART、SPI、CAN、USB等多种通讯协议。 本文选用STM32F407VET6作为控制器模块，32位处理器内核，增强了应用程序的可靠性。工作频率高达168 MHz，闪存最大可达1MB以及192KB的SRAM。工作所需电压1

22、.8v3.6v。可实现PWM信号控制，外围设备可通过特定的存储器进行访问。STM32F407VET6的材料很好，可以承受-40 85的工作温度。STM32F407微型控制器系列产品可用于发动机驱动器及应用程序控制、医疗器械、产业应用程序、打印机及扫描仪、家庭音响设备等7。STM32F104VET6控制器系统具体设计实现： STM32F104VET6是本次智能小车设计的核心主控芯片，主要实现小车目标跟随、自动避障、PWM电机调速等任务。其工作频率高，运行速度快。内部的资源丰富，减少了系统外围的电路设计，提高了内部系统的集合度与可靠性。STM32F104VET6控制系统主要由电源电路、晶振电路、复

23、位电路、JTAG接口电路等组成。（1）控制器主电路： 如图所示为STM32F104VET6控制器电路，主要由主芯片和部分电容电阻组成，其中主芯片引脚数为100个，I/0数量为82个。图2.3主电路（2）晶振电路： 晶振作为振荡器，具有高精度和稳定性。其外接电路可形成频率和峰值稳定的正弦波，是单片机正常工作的必要条件之一。本次晶振电路设计采用控制器内部提供的电路，即晶振Y1、Y2分别连接管脚8、9和12、13 ，其中Y2是32.768k的RTC时钟晶振，每秒可振荡一次。图2.4晶振电路（3）复位电路 单片机在运行过程中，受外部环境因素的影响，寄存器内的数据会出现混乱，无法正常运行，若程序执行出现

24、故障，则需要单片机进行复位，使寄存器的数值加载为默认值从而让程序重新正常运行。单片机复位方式有多种。本文采用手动低电平复位，按下键时，rstset端为低电平，系统实现复位，若按键释放，rstset端为高电平，复位结束。图2.5复位电路（4）系统电源电路 STM32F104VET6工作电压为1.6v3.6v之间，一般需要通过电源降压稳压供电否则若不在芯片所能承受的工作电压范围之内很可能会导致控制器无法正常工作。因此本文选用AMS1117-3.3V芯片将5V电压转换为STM32F104VET6工作电压。AMS1117是一种输固定电压型稳压芯片，输入电压为5v，产生3.3v的输出电压供给 STM32

25、F104VET6使用。 图2.6系统电源电路（5）JTAG调试接口电路 JTAG主要是将目标文件烧录下载到处理器中并进行硬件调试。JTAG内部有一个TAP端口，可通过JTAG测试工具测试内部节点。在DSP开发中，JTAG接口不可或缺，其作用是将仿真器和微机联系起来。图2.7 JTAG调试接口电路2.4.2电机模块自19世纪末起，一位来自比利时的工程师格拉姆发明了直流电动机，它的问世彻底改变了人类的生活。不同类型的电动机也开始逐渐进入社会生产当中，为人类带来许多便利，对世界的经济发展以及人类的生产力有重大意义。2.4.2.1常见电机分类（1）伺服电动机：伺服电动机是作为控制系统运行的组件。其原理

26、是控制电压输入后，转子就开始旋转，如果不输入控制电压，转子就会停止。根据控制电压的方向和大小，决定转子的旋转速度。伺服器分为DC和AC伺服器，需要较高的变速准确度，优秀的稳定性，较高的位置准确度，快速的应答，宽阔的速度范围以及优秀的系统稳定性。AC电机与DC电机相比，构造简单，价格比DC电机便宜，转子惯量较小，容量更大。DC数据马达一般适合小的电力范围，一般使用电磁控制和磁场控制。（2）步进电动机：步进电动机的主要优势在于可高精度开环定位、实现静止锁定功能、控制简单、寿命长、可靠性高。其劣势在于若控制不当会容易产生共振，重量较大，能量使用率低，负荷时影响同步，电机在工作中产生震动和噪音。根据操

27、作员的特性，其应用主要在数控机床制造领域，将脉冲信号直接转换为角度变换的优点，适用于数控机床执行元件。随着科学技术的发展，对各种领域电机的需求正在增加，比如打印机、绘图机、各类医疗器械通讯设备、自动送料机、电子电动驱动器等产品。（3）力矩电动机：力矩电动机在低速环境下或转子无法运行时依然维持运转提供稳定的力矩给负载。力矩电动机工作方式分为恒功率和恒转矩，保持负载转矩不变或者负载功率保持不变从而改变转速。其特性是低速，大扭动，过载过重，快速应答，良好的线性和小波动。由于转子电阻高、损耗大，因此可以低速、长时间驱动或堵住不动，但很容易产生热量，需要增加鼓风机降温，因此，使用力矩电机时，要确认送风机

28、是否正常运转，周围环境是否保持良好的通风状态，禁止旁边放置干燥易燃物，比如易燃粉尘或者挥发性可燃油类易燃物。主要广泛运用于传送带、挤压器等摩擦负载以及机床主轴和造纸、纺织工业等。（4）开关磁阻电动机：开关磁阻电动机是一种结合了DC和AC速度控制系统优点的新型调速电机。其特点是结构简单，成本低廉，电源线路简单稳定，系统性能高，速度快。转子上没有任何绕组，因此不会有短线问题，高强度的机械性能可以高速启动，速度可以每分钟旋转数万次。电路结构简单，提高了工作可信度。从电机电磁结构来看，各位相电路相互独立工作，分工明确。，若发生故障并不影响其它相正常运行，只需停止该相工作即可。电机可控制的参数较多，调速

29、性能优秀，根据工作要求控制不同参数，使电机达到最佳运作状态。由于社会经济的发展，各行业对于机械化、自动化的要求程度不断提升，开关磁阻电机的优势符合行业的要求，使之其在市场的需求量逐渐增加。目前开关磁阻电机广泛运用于电动车驱动、纺织工业、焦炭工业、家电行业、航空航天等领域，是传统电动机的强有力竞争者。（5）同步、异步电动机：异步转子在转子磁场得到转动力矩，转子开始旋转。它分为鼠笼式和绕线式异步电机。相比之下，同步电动机的稳定性和工作效率优于异步电动机，但异步电机构造较为简单，制造及维护更为便捷，费用低廉。异步电机主要用于驱动工作机械、水泵、升降机、农产品加工机械及家电产品等农业生产和医疗设备。电

30、扇、空调、冰箱、真空吸尘器等家电产品被广泛使用。同步电动机是一个容性负载，可以改变供电系统因素，可作为调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功率，除此之外广泛运用于轧机机、压缩机、球磨机等大型机械以及微型仪器设备或作为控制元件。（6）直流电动机：直流电动机的优势体现在3个方面，第一电势波形好，电磁干扰更小。第二，速度范围宽，速度平滑。第三种是超负荷容量大，启动和制动转矩大。因为其需要有整流电刷，所以在制作和维修方面较为复杂，不太适合高速大力矩运转。2.4.2.2直流电机选型电机选择因素：本次电动机的选着从性能、电池电压、成本。三方面因素考虑。首先电动机作为控制整个系统的执行元件，其性能要求是

31、选型的首要考虑因素，电动机的转速、工作扭力、调速性能等。其次是电压要求，选用的电池需要与电机相匹配，电池的电流容量会影响到电机的输出功率和输出扭力。最后是成本因素，由于本次设计是可携带的智能小车，电机的尺寸不需太大，避免占用多余空间。综合以上因素考虑，最终选择直流电机作为整个控制系统的执行元件。（1）转速选取：本文小车的速度要求大概以能达到与人正常步行的速度为标准，即大约1m/s。小车选取的轮胎直径为66mm，小车的直流电机转速换算如下：C=d=3.14*66*10-3=0.20724mn=1/0.207244.8转/秒288转/分式中C为周长，n为转速，因此选择直流电机时，可参考转速为200

32、300转/分这个区间。由于一般小型直流电机转速每分钟可达上万转以上，所以需要在前面加一个减速箱才能实现。（2）电压选取： 小车由18650锂电池供电，电池充满电的电压为8v。本文选择大概6v作为电机工作的额定电压。（3）扭矩选取：本文设计的小车不仅能实现平地行走且能够在一定坡度上正常行走，考虑小车的运行环境，小车扭矩的计算需要参数如下表2-1：小车重量（自重加载物）5kg最大车速1m/s加速时间1.5s坡度30驱动轮直径66mm驱动轮数量2表2-1 小车参数外部的启动静摩擦阻力、加速阻力、上坡的坡道阻力与扭矩有关。启动时的静摩擦阻力F1: F1=Mg=39.2N （1）式中：-静摩擦系数（0.

33、8）注：静摩擦系数与地面情况，轮胎材料等因素有关。g-重力加速度（9.8m/s2）加速时的加速阻力F2： a=vt=0.67m/s2 (2)F2=Ma=3.35N (3)式中：a-加速度上坡时的坡道阻力F3：F3=Mgsin30=24.5N (4)式中-爬坡坡度角，30则小车启动时受到的总阻力为：F=F1+F2+F3=67.05N (5)小车所需的总扭矩为： T=FR=2.21265N.m （6）式中：R-驱动轮半径小车在每个驱动轮上的驱动扭矩： T1=T2=1.106325N.m （7）小车电机的扭矩：T2=T1i0.028N.m （8）式中: i-减速比,假设本文选用减速电机的减速比为1：

34、40综上所述，最终选择电机型号为DC3V-6V直流减速电机作为小车驱动部件，其主要的参数如下表2-2：工作电压DC3VDC5VDC6V工作电流100mA100mA120mA减速箱减速比48：1空载（加轮子）100转/分190转/分240转/分轮胎直径6.6cm空载速度20米/分39米/分48米/分重量50g外形尺寸70*20*18mm噪声65db表2-2 直流减速电机参数直流减速电机通过齿轮传动比进行减速从而降低轮胎的速度，以达到减速和扭力更改的目的。它让直流电机在自动化工业中的应用更加有效。图2.8 DC3V-6V直流减速电机2.4.3L298N电机驱动模块 L298N电机驱动可以通过单片机

35、的IO引脚对于模块的逻辑输入实现对于2个电机的运动控制。电机驱动模块可以将12V的输入电压通过稳压芯片将至5V进行输出，其满足直流电机的大电流驱动条件。它的特点是良好的启动性能和巨大的启动转矩，可实现正、反向马达回转和调速。在6v到46v电压区间可提供2安培电流，并且具有过热自断和反馈检测功能。是高校学生进行机器人设计和智能小车设计的重要模块。图2.9 L298N电机驱动模块（1）L298N电机驱动模块产品参数如下表2-3所示：驱 动 芯 片L298N 双 H 桥 直 流 电 机 驱 动 芯 片驱 动 部 分 喘 子供 电 范 围 vs+ 5V + 35V如 需 要 板 内 取 电 ，则 供

36、电 范 围 vs ： + 7V + 35V驱动部分峰值电流i02A逻 辑 部 分 端 子供 电 范 围 vss+ 5V + 7V（ 可 板 内 取 电 + 5V ）逻 辑 部 分 工 作 电流范围0 36mA控 制 信 号 输 入电 压 范 围低 电 平 ：一 0 3V Vin 1.5V高 电 平 ：2 3V Vin Vss使 能 信 号 输入电 压 范 围高 电 平 ：2 3V Vin Vss（ 控 制 信 号 有）低 电 平 ：一 0 3V Vin 1.5V控 制 信 号 无效）大 功 耗20w （ 温 度 T =75 时）存 储 温 度一 25 + 130 其 他 扩 展控 制 方 向

37、指示 灯 、 逻 辑 部 分 板 内 取电 接 口表2-3 L298N电机驱动模块产品参数（2）L298N电机驱动模块电路原理图图2.10 L298N电机驱动模块电路原理图（3）引脚介绍图2.11 L298N的引脚介绍引脚编号名称功能1电流传感器A在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流2输出引脚1内置驱动器A的输出端1，接至电机A3输出引脚2内置驱动器A的输出端2，接至电机A4电机电源端电机供电输入端。电压可达46v5输入引脚1内置驱动器A的逻辑控制输入端16使能端A内置驱动器A的使能端7输入引脚2内置驱动器A的逻辑控制输入端28逻辑地逻辑地9逻辑电源端逻辑控制电路的电源输入端为5v10输

38、入引脚3内置驱动器B的逻辑控制输入端111使能端B内置驱动器B的使能端12输入引脚4内置驱动器B的逻辑控制输入端213输出引脚3内置驱动器B的输出端1，接至电机B14输出引脚4内置驱动器B的输出端2，接至电机B15电流传感器B在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流表2-4引脚介绍（4）直流电机的驱动本文选用L298N驱动2个直流电机，通道A和通道B可以直接连接电机的正负极。通过4个逻辑输入的引脚可以控制通道A和通道B的正负极。控制模式与直流电机状态表2-5如下所示：表2-5 直流电机状态表直流电机在执行PWM速度控制时，设定IN1和IN2，确定电机的旋转方向，然后将PWM脉冲输出到活动终端

39、，实现速度调整。若使能信号为0，则电机处于停止状态，若使能信号为1，且IN1和IN2为00或11，则电机处于停止状态，不能转动。2.4.4电源模块 智能小车系统的硬件部分需要电源供电，本次小车选择18650型锂电池作为系统的总电源。根据不同的用电器件所需的电压，设计出不同的稳压电路。14500型锂电池单节电压为3.6v或3.7v，最小放电终止电压一般为：2.75v，其容量范围是12003100mAh。主要广泛应用于工业领域以及电子设备。其主要优点有以下4点：（1）安全性高无毒，不会爆炸；可耐高温，65度下放电效率大100%；自带保护板，具有过充过放和短路保护等功能。（2）容量大相比于普通800

40、mah左右的电池，18650锂电池容量可高达3600mah8。（3）内阻小聚合物电池的内部电阻可不大于35欧，减少了电池的自耗，延长等待时间 （4）使用寿命高 使用周期寿命为500倍以上，比普通电池高出2倍以上与其它普通电池相比，14500电池（5号）外形尺寸最为相似，但它们的电压值不同。锂电池电压一般可达3.7v，而5号电池一般为1.5v或1.2v。从循环利用上看，18650锂电池可循环充电而普通5号电池多数为一次性电池。选择18650锂电池最为合适。硬件器件主要需要被供电的电压为3.3v、5v和12v。其中stm32需要3.3v供电，红外距离传暗器和超声波距离传感器需要5v供电，电机驱动器

41、需要12v供电。除了电机驱动器可直接与电池连接，其它硬件器件电压需由稳压电源进行转换。本次使用LM2596S DC-DC直流可调降压稳压电源模块板，主要实现12v到5v和3.3v的转换。LM2596S DC-DC 芯片效率高最可达92%，发热量小，能很轻松带起3A短时间电流以内的电流使用，输出功率可达10w以上。使用低ESR的原装三洋滤波电容 ，可将重复电压降低到30mV。2.3.5红外距离传感器模块红外距离传感器模块对外部环境光线敏感，硬件上由一堆红外线发射和接收管9。启动原理是当发信管放出特定频率的红外线时，如果向释放方向出现障碍物，红外线反射后就会被接收管接收，并输出信号。模块的感知距离

42、范围2 - 30厘米，感知角度为35，感知距离可通过电位差调整。将电位器放在顺时针方向调整，增加感应距离;若将电位器放在逆时针方向调整，减少感应距离。传感器的“感知规则”是，黑色感知距离最小，白色最大，小面积距离小，大面积距离大。红外线感应器的连接方法是VCC-VCC, GND-GND，OUT-IO。输出端口OUT将直接连接到stm32IO端口。红外距离传感器最低有效工作电压为3V，最高有效电压为5V。当外接电源电压低于3V时，无法驱动红外距离传感器的正常工作。当外接电源电压高于5V时，容易使得红外距离传感器中的芯片和二极管等元件发生损坏。图2.12红外距离传感器模块红外线距离传感器的优点是可

43、以通过电位差来调整感应距离，干扰少，组装简单，使用方便，而且在机器人和小车避障、流水线计数和黑白线条追踪等多种情况下都可以广泛使用。2.3.6超声波距离传感器超声波的能量比普通的声波集中的多。这样的特点赋予了超声波许多的特性。在医学研究方面，B超就是超声波探测的最广泛的应用。超声波通过对于内脏器官等的探测，能够将反馈的结果经过计算机的数据处理显示在屏幕上，能够使医生直观的观察人体内部的健康情况。在工业领域中，超声波探伤广泛运用在各种各样的工程现场，超声波探伤是一种对于被检测对象没有损害和影响的检测手段。超声波探伤的原理是通过对金属材料发射超声波，超声波在遇到金属材料中的裂隙、空洞等缺陷时，会产

44、生不同的超声波回波，通过超声波探伤仪器对特殊的回波进行处理分析，就能确定金属材料中的缺陷位置。在机器人和自动化等领域中超声波测距有着不可缺少的地位。因为超声波的能量不容易在传输过程中被消耗，而且超声波的定向发送能力比较出色，这使得超声波经常被用做测距的工具。在我们许多家用轿车的倒车系统中，防碰撞的报警器就是用超声波测距的原理实现防碰撞的如图2.13所示，本文选用的是HC-SR04超声波模块，其测定距离数据较为准确，其测量精度可以达到最小3mm的距离，最低有效工作距离为30毫米，最高有效工作距离为4000毫米盲区相较于其他模块小，价格低廉。当小车遇到了障碍物时，超声波接收端口向单片机的IO口输入

45、信号，输入信号时间越长所检测到的距离就越远测，反续时间越短的所检测到的距离越近。测试距离=（高电平*声速（340m/s）/2）10。超声波距离传感器可能会受到环境温度的干扰，从而会出现对于距离测量时产生一定的微小误差。图2.13 HC-SR04超声波模块产品参数电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC5v工作电流15mA工作频率40kHz最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10 Us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm表2-6 超声波传感器产品参数超声波的时序图如图2.14所示：图2.14 超声波的时序图超声波模块原理图如图2.15所示：图2.15 超声波模块原理图2.3.7蓝牙模块现代较为常见的无线通讯技术有蓝牙、WLAN、ZIGBEE等通讯技术。WLAN技术的覆盖范围一般比蓝牙技术的覆盖范围更大，信号频段