基于STM32的电控无碳小车的设计

时间：2022-09-15 01:02:34

关键字：超声波传感器自主避障重力驱动

手机看文章

扫描二维码
随时随地手机看文章

[导读]摘要:随着智能技术的不断发展,越来越多的工业要求实现载具自动化、无人化,其中使用何种控制理念来帮助系统检测外部环境,执行应对措施是设计的关键。现提出了一种基于无碳小车载具的使用STM32单片机设计开发的超声波自主避障系统,详细阐述了一种全新的适用于不同道路的障碍物检测和规避算法。该系统依据测量的数据来认知道路情况,并将检测到的数据实时显示出来,且还可以根据不同的道路状况、车辆速度等因素进行动态参数调整。

引言

随着经济社会的不断发展,我国公众对环境问题的重视程度日益提高,环境保护意识进一步增强。越来越多的人开始提倡"无碳生活"。无碳小车是依据能量转换定律设计的一种将重力势能转换为动能的驱动装置。为了实现用重力势能驱动小车前进这一要求,小车中应包含能量转换装置、小车驱动装置等结构设计。针对人们日常生活中经常要使用的各种短距离移动设备,如家用移动吸尘器、玩具小车等,研究与开发使用无碳动力的载具便拥有了重要的意义和发展前景。

1基本原理

无碳小车是一种将给定重力势能转化为小车行进所需动能的机械装置,重力势能通过一个给定质量的铅锤下落获得,小车行进过程中所需的能量全部由重力势能提供。系统通过一根弹性小且耐磨性佳的绳子连接,一端绕在小车的驱动轴上,另一端挂在铅锤顶部。绳子的支点为高于铅锤高度的一个定滑轮,在挂有铅锤的情况下带力逆向旋转驱动轴将绳子缠绕在驱动轴上,同时提高铅锤的高度,实现能量的储存。

2机械结构

2.1原动机构

通过一个定滑轮,用一根细线将重物和驱动轴连接起来,当重物下落时,重力势能转换为动能,驱动小车前进。

2.2传动机构

传动机构由各个齿轮组合而成,主要用于控制能量转化率和车速。在设计时应保证传动机构的简洁、可靠、高效。转向机构有差速转向、电控转向以及曲柄连杆转向三种方式。行走机构可分为双轮同步、双轮差速以及单轮驱动三种方式。微调机构包含滑槽、微调螺母,可以对车辆进行微调,确保小车精确前行。

2.3转向机构

转向由前方转向轮控制,转向轮固定在一根转向轴上,该转向轴与地面垂直,插入与地面平行的轴承中,其可以自由转动。转向轴与舵机之间通过联轴器相连接,通过舵机的转动带动转向轮的转动,从而实现小车的转向。

3控制系统

3.1控制系统原理

控制系统原理如图1所示。

3.2算法设计

如图2所示,前方超声波传感器测得的距离记为FCsBs,这是判断小车是否遇到障碍物的首要参考变量。左右传感器测得的距离记为LCsBs和RCsBs,这两个数值在大多数情况下是可以直接用来判别小车转向方向的。当然这样会有很大的误差,甚至在实际应用中因为障碍物的不确定性导致避障失败。因此要将这两个值分解为小车与道路的距离Ls、Rs及沿小车行进方向的一个距离值LFs、RFs。

图2 算法示意图

正常情况下,默认小车沿道路中轴线运动,所以,测得的Ls应等于Rs,这是小车行进时应有的状态,在后面小车遇障的时候也应在置信道路内保持此状态。同理,在正常情况下,LFs与RFs也应大致相等,这也是判断小车是否遇障的一个重要指标,其可以帮助判断前方传感器是否进入盲区,提高避障的准确性。

3.3避障方式

小车的越障方式为舵机旋转带动转向轮转向,可通过改变单片机定时器的值从而改变相应占空比的值,进而调整舵机的旋转角度。本次设计小车分别左、右旋转角度为459。转向后,通过传感器探测角度变换判断车头是否完成转向。转向完成后舵机归中保持沿此方向行进。如图3所示,当小车右转后,右方传感器的检测角度与道路垂直,这时只需判断该距离是否为置信赛道的一半即可,置信道路的宽度为发生转向前LS的值加小车宽度加RS的值。这样不管障碍出现在左侧还是右侧,亦或是两侧都有,小车都能很好地完成转向。