论文总字数：15598字

目 录

1 绪论 4

1.1 项目研究背景和意义 4

1.2 国内外研究现状 4

1.2.1 国外研究现状 4

1.2.2 国内研究现状 5

1.3 本文的研究内容 6

2 小车避障循迹系统方案设计 6

2.1 整体系统 6

2.2 主控方案 7

2.3 电机驱动方案 8

2.4 避障方案 8

2.5 循迹方案 9

3 系统硬件设计 9

3.1 主控制单元设计 9

3.2 驱动单元设计 10

3.2.1 驱动原理 10

3.2.2 驱动电路 11

3.3 避障单元设计 12

3.3.1 超声波传感器 12

3.3.2 避障模块工作原理 12

3.4 循迹单元设计 13

3.4.1 红外光电对管传感器的工作原理 13

3.4.2 小车循迹原理 14

4 系统软件设计 14

4.1 主程序设计 14

4.2 避障程序设计 14

4.3 循迹程序设计 16

5 小车制作与调试 17

5.1 小车的制作 17

5.2 实验及调试 17

6 总结 18

参考文献： 19

致谢 20

基于超声波测距的小车避障和自动循迹系统

邬凯

，China

Abstract: This paper designs a simple design of a tracking and obstacle avoidance intelligent vehicle which based on cotex-3 control. It focuses on the design methods of the software and hardware and construction method in the intelligent vehicle. The vehicle uses STM32F103ZET6 as the control core, using STM32 control L298N motor drive module to control the vehicle moving. The vehicle uses ultrasonic sensor for obstacle detection for obstacle avoidance, and infrared sensor detects black trajectory on the road, then the detection signal is fed to the STM32 for tracking. STM32 analyses the signals to determine and timely control the drive motor to make the vehicle steer, make sure the vehicle can avoid obstacles and track the black line to move, to achieve tracking and obstacle avoidance purposes.

Key words: Ultrasonic；Obstacle avoidance vehicle；Automatic tracking；STM32

1 绪论

1.1 项目研究背景和意义

随着生活水平的提高，越来越多的家庭对汽车的需求急速提升，汽车销量随之上升，于是更多的汽车企业、大学院校和研究所都在对汽车进行深层次研究。人们对高性能汽车的关注度也逐步增加，例如谷歌无人车、特斯拉等。无人车则是目前和未来车企研究的方向和重点，躲避障碍物和自主循迹是无人车的重中之重。所以对避障循迹小车研究的意义非常重大。

智能小车实质上属于移动机器人^[1]的研究范畴，而且在该领域中，避障和循迹是极其重要的方面。移动机器人所涉及到的学科知识相当广泛，比如机械学、电路设计、传感器、自动化、PID算法等。相对应的就是它的应用也非常广泛，小到智能清扫机器人，大到无人驾驶汽车。可见机器人技术与我们的生活息息相关。欧美西方国家对于移动机器人的使用已经十分广泛，尤其是移动式自主服务类机器人。它们普遍出现在西方社会的医疗系统、智能家居系统等衣食住行的各个方面。除了社会的日常生活外，美国更是把机器人技术运用到军事领域，将其作为军队未来建设的重要组成部分。欧洲英法等国也纷纷效仿。由于一辆智能小车的设计相对复杂，运动学、力学、信息采集、信息传递、智能控制等等。所以属于移动机器人的智能小车包含了许多学科的前沿研究成果。至于智能车的应用前景，许多电影镜头就给了提示。在军队或特警进行拆弹排爆行动时，由队员直接进行行动很有可能有生命安全，但是由带有机器臂的智能小车进行拆弹则能够规避这类风险，减少人员伤亡。类似的极端境况还有很多，抗震救灾时，许多狭小空间不允许救助人员直接进入勘测内部情况；反恐行动时，特定包裹不能由队员直接打开；核泄漏时人类不能进入查看情况，这时，移动智能小车就可以大显身手了。而在前述场景中，要能够顺利到达目标处，避障以及按照预定线路前进就尤为重要，所以对于许多类似智能机器人的设计中，避障系统和自主循迹系统的设计与开发自然就十分重要。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

自从上世纪七十年代开始，欧美等西方发达国家逐步开始对智能车辆的开发。和计算机刚兴起一样，最初并没有着眼应用于商用和民用，只是单纯的为军队服务。后来，随着经济全球化程度日益加深，世界经济经历了飞速发展，各国人民收入普遍提高，对生活质量的要求提高，人均汽车拥有量大幅度上升。随之而来的就是交通压力，伴随着道路建设，对智能汽车的研究与开发也稳步进行且运用到交通领域。与智能车相关科学技术取得的重大突破，为智能车辆的研究提供了良好的技术基础。同时各国对智能机器人人力、物力的投入使得智能汽车行业有了长足的发展。尤其是美英法德等西方发达国家，他们并非仅将智能车局限于交通领域，更是扩展到其他社会领域，创造了巨大的经济效益。以下就介绍美、德、法、日对智能车的最新研究成果：美国军方和高校都对智能车辆有深入研究，国防部和陆军一起开发了全球首辆路面自主汽车，虽然它的速度很慢，只能达到10千米每小时，但是功能却十分强大，车身配置各类传感器以及高级感知网络系统，还带有能快速处理信息的高速计算机，使其能够在恶劣环境中实现无人驾驶。上世纪八十年代中期，Carnegie Mellon University着手研发被命名为Navlab的智能车辆，并在路面实验时顺利行驶。针对之前智能车辆速度过慢，九十年代初该大学成功开发出第二代类似智能小车，车速上取得重大突破，可达75Km/h。与卡耐基梅隆大学同时研发的还有德国对于两款智能车辆—VaMoRs和VaMoRs-P，它们是由著名车企奔驰及慕尼黑联邦国防大学联合研究。法国同样对智能车有所研究，除了能够自主行使外，由国防部制造的被命名为DARDS的智能车可以实现遥控功能并运用与军队的侦查任务。紧随欧美步伐，日本为了减少交通压力，规划在2030年之前普及智能汽车，研发出一整套高度精密的无人驾驶交通体系。

1.2.1 国内研究现状

改革开放以来，我国经济飞速发展，人们收入有较大提高，再加上我国人口基数大，且东部沿海地区人口相对集中，汽车保有量十分巨大，解决交通压力问题迫在眉睫。于是对于能够有效解决这一问题的智能车辆技术的研究显得十分重要。智能交通系统（Intelligent Transport System）^[2]是世界未来交通系统的发展方向，智能车辆技术是ITS的重要组成部分。所以当前我国已经对智能车辆技术的研究有所突破，研究单位主要以高校、车企以及研究所为主。我国对智能车辆研究起步阶段从1980年开始，首辆严格意义上的无人驾驶智能车辆是由国科大在九二年研发，完成了286公里高速公路的行驶实验，在采集周围环境，自主做出运动判决，根据天气、路况等不同环境做出模式选择方面取得前所未有的突破。让中国无人车技术成为世界先进水平。1988年，清华大学开始研发THMR系列智能机器人，THMR-III和THMR-V是其中最为成功的两款，前者由面包车改装，后者是厢式车改装的。THMR-III的行进速度在5Km/h到10Km/h之间，车身配有彩色摄像头和各类传感器来采集车边信息，根据采集到的信息以及系统内部的PID算法，该车可以自主规划合理路线并随时精确躲避路线上的障碍物。THMR-V的特点是车身除了配置各类传感器，还配备了多种测控计算机，使其功能更加强大。循着路线行驶时，它的平均速度能够保持在100Km/h，最高速可达150Km/h，速度可以和西方发达国家研制的智能车相媲美。评价智能车性能高低，循迹速度是重要评判标准之一，而我国THMR-V系列车车速之所以这么快，主要是对图像信息运算的方法上有新意，对自身控制及转向系统的精确度有突破。其他高校也对智能车有所研究，西安交通大学、同济大学、吉林大学以及中科院沈阳自动化所，都对无人车投入一定的精力并取得了一定成果：西交研发的Springrobot智能车实验平台；同济大学的自主行使环保观光车；吉林大学在自主导航的最新研究成果。这些成功经历都在积极推动着我国无人智能车事业的推进。

1.3 本文的研究内容

论文目标为分析、开发一辆智能小车系统。小车能够自行决定以及实现前进倒退和左右转弯、转弯方向角大小。控制平台选用性价比较高且容易编程的cotex-m3系列芯片STM32F103ZET6。实现小车行走的电机模块选用能用PWM波控速直流电机，并针对小车行进中的每个细节，强化芯片对电机的控制。系统需要不同的电压值电源供电，因此需设计、焊接电源模块。在小车上固定安装各类传感器，超声波传感器、红外光电对管等，完成躲避障碍物和自主循迹的课题要求。因此研究内容分为以下五个部分：

方案选择：控制模块、驱动模块、电源模块和各类传感器的方案选择。

原理分析：主要是避障原理和自动循迹原理的分析，最终的是实现这些功能的传感器的 原理分析。

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