小车驾驶模式自动切换电控系统设计

小车驾驶模式自动切换电控系统设计

符秋荣 卢科伶 杨金城 郭璇

梧州学院，电子与信息工程学院 广西壮族自治区梧州市 543003

摘要

近些年来科技飞速发展，汽车行业由原来的手动挡到现在的自动挡，操作不断在便民化。自动驾驶将是目前乃至未来一段时间需要不断探索的重大项目。

设计一款实用性强的自动驾驶小车，具备自动避开障碍物的功能。STM32单片机作为本设计的控制核心芯片，红外测距传感器测量小车与障碍物的距离和方向，舵机控制小车方向，电机控制小车的行驶速度，使小车能够更平稳的通过路段。通过改变小车行驶的状态来改变小车的驾驶模式，能够更方便民众的使用。在自动驾驶领域迈出一小步。

关键词：STM32；舵机；红外传感器

（一）研究目的

自动驾驶汽车是汽车行业的发展的热门，那安全问题就是这个重中之重。目前的自动驾驶汽车技术相比与国外，国内的发展还不能跟世界前沿比肩。在我国自动驾驶技术仍然相对落后的情况下，研究出一个简单的小车自动驾驶模式自动切换系统，不仅对我们平时驾车出行提供了方便，更能让我国的自动驾驶技术向前迈出一小步。

（二）研究内容

小车驾驶模式自动切换电控系统设计，就是在不依靠手动改变驾驶模式自动根据超声波避障模块、红外线避障模块以及倾角检测模块探测到的路况，通过STM32单片机芯片传输到电机驱动模块处调节小车的运行状态，得以改变小车的运行模式。使小车能够安全通过。

1. 小车驾驶模式自动切换电控系统可以时刻扫描周围的环境，对小车周围的路况进行收集，在该系统中设置了HC-SR04，获取路面上的障碍物到小车的距离，还设置了红外传感器，对超声波传感器未检测到的距离进行检测。这样就能真实的反映出道路的现状，从而能更有效的调整驾驶模式。

2. 小车驾驶模式自动切换电控系统会根据路况的崎岖程度对小车进行略微的调整，系统内安装了电机驱动模块来增大或减小轮胎的转速，从而加强轮胎的抓地力，增加小车的抗打滑能力。

3. 小车驾驶模式自动切换电控系统在面对上下坡的时候会造成的车身倾斜，在小车倾斜的同时还需要避开障碍，这加大了避障的难度，在小车的模块中增添了倾角检测与主芯片控制车轮转速的联动会使小车在倾斜角上避障较为简便。

4. 该系统总的是由STM32单片机芯片作总的控制，接收超声波避障模块、红外线避障模块以及倾角检测模块传来的电信号，再对电机驱动模块发出相应的电信号，使小车得相应的调节，来达到对各种路况都能平稳的通过。

5. 小车驾驶模式自动切换电控系统具有很强的续航能力。供电模块将采用锂电池，充电接口将采用Micro USB接口，用手机充电器就能完成充电，不需要专配充电器，以至于在没有带充电器的情况下也能找到替代的。

（三）国、内外研究现状和发展动态

在国内，2020年，国务院正式印发《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，提出到2025年，我国高度自动驾驶汽车实现限定区域和特定场景商业化应用。力争经过15年的持续努力，高度自动驾驶汽车实现规模化应用，有效促进节能减排水平和社会运行效率的提升。与此同时，为共同推动中国智能网联汽车产业更大发展，在国家制造强国建设领导小组车联网产业发展专委会牵头下，各有关部门通力协作，已在政策法规、标准规范、技术创新、测试应用、国际合作等方面取得了显著成效。经过多年发展，我国正在构建“仿真测试-封闭测试场与开放道路测试-先导区及示范区”的多层级、渐进式智能网联汽车测试验证与示范应用体系。积极开展智能网联汽车场景库理论体系架构研究。国汽(北京)智能网联汽车研究院有限公司组织多家单位完成智能网联汽车场景库理论体系架构研究，进行中国实际道路的场景数据采集工作，为中国方案产业生态构建提供坚实理论依据和方法指导。^[1] 2020年4月，百度宣布在长沙全面开放Apollo Robotaxi服务，成为全国首个通过手机应用向公众开放的自动驾驶出租车服务。继长沙之后，Apollo Robotaxi还陆续在北京、沧州等地上线运营。2020年10月，百度Apollo宣布推出面向公众的自动驾驶出租车服务，同时获得北京市无人车路测资格。同年4月，高德地图宣布与自动驾驶公司Auto X共同开启无人驾驶网约车（Robo Taxi）项目；还有滴滴，在取得北京、上海、苏州和美国加州的自动驾驶公开道路测试牌照后,2020年6月底在上海首度开放自动驾驶网约车运营。2020年12月，文远知行发布了中国首份自动驾驶出租车乘客调研报告，文远知行Robotaxi共计完成出行14.7万次，服务乘客数超过6万人。^[2]

在国外，自2016年以来，美国交通部制定并不断更新发布自动驾驶战略规划。2020年1月公布了《确保美国自动驾驶汽车技术的领导地位：自动驾驶汽车4.0》，提出整合交通部、司法部等政府部门在自动驾驶汽车产业发展方面的相关职能，将自动驾驶的开发工作列为各部门研究与开发预算的优先事项，积极出台各类保障促进政策，为自动驾驶技术提供创新要素，以更高效地推动自动驾驶车辆实践应用。美国政府充分肯定了自动驾驶带来的潜在社会经济效益，包括提高交通出行的安全性，提高公民生活、交通以及出行效率与质量，降低能源消耗，优化供应链管理等

^[1]。在亚洲，日本是传统汽车技术大国，日本内阁府也在制度层面为自动驾驶技术的测试与试用打开了方便之门。以道路交通法为依据，日本警察厅于2016年颁布了《自动驾驶汽车道路测试指南》，明确驾驶人应当坐在驾驶位上，测试车辆和驾驶人均应符合并遵守现行法律法规。2017年发布的《远程自动驾驶系统道路测试许可处理基准》则允许汽车在驾驶位无人状态下进行上路测试，且将远程监控员定位为远程存在、承担现行道路交通法规上规定义务和责任的驾驶人。^[3]

（四）创新点与项目特色

近年来，智能化的产品不断出现并进入人们的生活。就目前来说，自动化、智能化就是未来社会发展的方向。历史上的三次工业革命极大促进了人类社会发展。第一次、第二次工业革命推动了机械的发展，解放了社会生产力；第三次工业革命是信息技术的革命，对人们的生活方式和思维方式产生了巨大的影响；而第四次工业革命已经来到，毫无疑问，这次的工业革命将会对人类的生产生活产生更为深远的影响。本项目设计自动避障小车具有用途广泛、可扩展性强等特点，可以根据需求来添加所需要的功能，市场应用前景广阔。

现今，人工智能已经涉及到生活的方方面面，控制领域的智能避障小车也成为人工智能的重要应用之一，并且取得了显著的成果。一般避障小车分别使用红外测距传感器、超声波传感器、CCD镜头、视频采集模块协同红外避障模块作为障碍物识别模块。在小车操纵上一般通过CCD摄像头识别灰阶轨道使小车做循迹运动，或无线手柄、手机连接小车进行人工操控，还有的小车使用电子罗盘进行精确定位以便电脑规划路径控制行驶。算法上分为全局、局部路径规划方法，具体的一般使用模糊控制算法、神经网络算法进行避障路线规划。

本设计采用了超声波传感器和红外传感器,超声波传感器采用HC-SR04,该传感器探测距离为2 cm～450 cm,探测角度为15°,工作电压为5 V,可以由单片机直接供电。为了实现无人避障小车180°的测距,增加了可旋转360°伺服舵机来带动超声波传感器进行测距,伺服舵机的转动角度分别设计为0°、90°、180°,使得超声波测距范围形成一个封闭的半圆形结构。由于超声波测距有一个测距周期,当没有达到该测距周期时就使用红外传感器来代替超声波传感器进行障碍物的检测,这是对超声波传感器的一个时间上的补偿,这样就能更加精确地对外界环境进行检测。设计的无人避障小车系统采用4个直流电机,控制芯片为L293D,它是一款双H桥驱动芯片,可同时驱动两路直流电机,本文采用了两个L293D,1个控制左侧两个直流电机,另一个控制右侧两个直流电机,然后通过输入信号控制直流电机执行正转、反转、停止来实现小车的直行、左转、右转。当检测到没有障碍物时,左侧电机正转,右侧电机正转,实现无人小车直行。当检测到左侧有障碍物时,左侧电机正转,右侧电机反转,实现无人小车右转。当检测到右侧有障碍物时,左侧电机反转,右侧电机正转,实现无人小车左转。

（五）技术路线、拟解决的问题

1.技术路线：

本项目采用STM32单片机作为主控芯片，小车大致分为五个部分：电源模块、障碍物检测部分、电机驱动模块、红外遥控模块、控制器模块。选择手持红外遥控控制小车的车迹方向，如图1所示：

超声波避障

直流电机

电机驱动

STM32

红外遥控

红外线避障

倾角检测

电源

图1 总体框架图

软件设计：本项目采用STM32单片机作为主控芯片，主程序是系统检测以及中断线的打开与关闭还有其中主要部分的红外信号接收执行指令控制小车行驶轨迹。

其中核心程序开发有两部分。

第一部分：主程序的开发，主要是系统各个模块的距离以及速度数据检测与接收红外控制信号，控制小车行驶轨迹。

第二部分：中断服务程序，在主程序检测到的数据进入到一定的范围内则进入中断服务程序，执行中断服务程序中的指令，从而达到避障，控制小车倾斜状态的效果。

硬件设计：硬件连接上用障碍物检测部分、电源部分、信号处理部分组成。由信号处理部分的红外遥控接收模块来控制小车的行驶轨迹，再由障碍物检测部分测距，判断是否有障碍物或者是否在倾斜平面行驶，有以上情况则障碍物检测部分会将数据传入STM32单片机中，再由主程序进入中断服务程序，执行下一步指令，从而避开障碍。其中硬件主要设计包括三部分：

第一部分：电源部分，电源部分便是供电部分，使用3.3V直流电源给STM32主芯片单片机板提供电能能源驱动并使得芯片在正常工作状态。还给障碍物检测部分以及信号处理部分提供电能支持。

第二部分：障碍物检测部分，由超声波避障模块、红外线避障模块以及倾角检测模块组成。三个模块同时运行，实时传输数据给STM32主芯片板，STM32主芯片板通过所收到的数据来判断是否有障碍物，是否需要执行下一个指令来改变小车的行驶轨迹。

第三部分：信号处理部分，由光电测速模块、电机驱动模块还有红外遥控模块组成。光电测速模块是实时检测小车行驶时的速率大小，便于在遇到障碍物需要减速制动时提前进入制动状态。电机驱动模块是小车的动能来源，使用电机驱动模块驱动小车的轮子达到行驶效果。红外遥控模块便是接收遥控器所给的红外信号并传输到主芯片，由主芯片程序控制占空比驱动电机驱动模块控制轮子转速从而达到驱动小车的目的。

2.拟解决的问题：

本项目以STM32芯片为核心，通过软件和硬件相结合，红外接收模块接收到红外遥控器发来的红外信号，再经由传输给主芯片板，驱动电机驱动模块，达到驱动小车的效果。障碍物检测部分，则需要三个障碍物检测模块同时工作并且实时传输数据给STM32芯片板，由STM32识别数据做出判断是否需要规避障碍物做出调整，这便是小车主要的功能框架。

（六）预期成果：

完成小车主要的避障环节，并且在小车遇到多处障碍时能做到不发生指令冲突，基本可以自由操控小车改变小车的行驶轨迹。

（七）项目研究进度安排

本项目研究时间为一年，即2021年5月-2022年5月，研究过程分为五个阶段：

第一阶段：相关资料收集阶段（2021年5月-2021年6月）：深入的搜集和挖掘国内外关于主控核心单片机的相关研究资料和电路硬件设计资料，全面、系统地去了解并且掌握国内外相关技术的知识要点；并将查阅的相关资料摘录，进行整理加工，合理运用至本项目上；

第二阶段：设计方案论证阶段（2021年7月-2021年9月）：进行“避障小车”模块整体方案和系统各模块方案的分析、设计、探讨和论证；

第三阶段：软硬件协同设计阶段（2021年10月-2022年2月）：以STM32芯片控制为核心，充分发挥可编程器件的性能，完成将硬件电路的搭建和软件程序的编写、初步实现小车红外遥控接收、小车可自由操控，并完成仿真验证和综合实现；

第四阶段：系统测试阶段（2022年2月-2022年4月）：检查系统的功能是否正常实现，系统能否不随着短时间内的变化而发生差错，硬件电路也保证完好无损;

第五阶段：总结归纳阶段（2022年5月-）：总结课题研究成果，撰写项目调查报告和专业设计成果报告，完成项目研究。

（八）已有基础

1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

本项目团队主要成员均来自电子类专业，目前已完成51单片机原理、电子制作、数字电子技术基础、模拟电子技术等核心课程的学习，已开设C++面向对象程序设计、数字信号处理、通信原理等专业课程，团队成员已经较好的掌握电子制作方面的知识，做过关于AT89C51单片机的相关拓展作品、电源等电子制作作品和基于单片机的计数器、LED流水灯等实验，在项目开始时还研究了相关的学术知识，对于项目中各个模块有了一定的掌握，还需要现实物理数据实验来验证，为本项目的实施提供了很多的前期准备。

2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法

已具备的条件：本项目的团队主要来自电子信息工程专业，对各种电子制作、程序编写和使用protues技术实现仿真具有浓厚的兴趣，并学习了51单片机、高等数学、信号与系统、电路、模拟电子技术、C语言、数字电子技术、电子制作、电力电子技术等知识，在指导老师及学长学姐的帮助下，做过电源、仪用放大器、整流滤波、恒流源、51最小系统等等电子制作作品，项目团队有着较好的学习经验，并且对电子设计作品抱着浓厚的兴趣，都希望能在将来做出越来越多令自我满意的作品。

尚缺少的条件：目前缺少资金购买相应的电路元件，缺少相关类别电子作品的经验，或许在往后的实验中会遇到更多的问题要去解决、改良软件编码与硬件电路。我们也会积极地询问老师以及学长学姐等有相关电子制作经验的前辈，去更好地完善我们的作品。

参考文献

[1]赵文博.自动驾驶汽车政策进入深耕细作期[J].智能网联汽车,2021(01):17-20.

[2]甄文媛.2020年10大盘点之智能网联汽车[J].汽车纵横,2021(02):29-31

[3]邱泽奇.自动驾驶中的社会行动主体分析[J].人民论坛·学术前沿,2021(04):31-39.