基于激光雷達(dá)自動駕駛小車摘要：針對人們汽車的持有量不斷增加，疲勞駕駛和酒后駕駛的發(fā)生，導(dǎo)致交通事故發(fā)生率的提高，給道路交通造成了較大的壓力，于是研究并設(shè)計了基于激光雷達(dá)自動駕駛小車。該設(shè)計以STM32單片機(jī)為主控，激光雷達(dá)作為傳感器，搭配無線通訊模塊和麥克納姆輪小車底盤等設(shè)備結(jié)合而成，通過接收并處理激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)，對小車進(jìn)行控制，以此實現(xiàn)避讓障礙物以及自動行駛等功能。本文對相應(yīng)的硬件電路和軟件程序都進(jìn)行了設(shè)計，同時通過制作實物來檢驗系統(tǒng)的設(shè)計功能，通過實物功能測試，整體設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，實現(xiàn)避障以及自動駕駛的功能，同時可以通過藍(lán)牙進(jìn)行無線遙控。整體設(shè)計滿足設(shè)計需求，具有實用意義。關(guān)鍵詞：自動駕駛；激光雷達(dá)；STM32；無線通訊

AutomaticdrivingcarbasedonlidarAbstract：Inviewoftheincreasingnumberofpeople’scarownership,theoccurrenceoffatiguedrivinganddrunkdriving,whichhaveledtoanincreaseintheincidenceoftrafficaccidents,andcausedgreaterpressureonroadtraffic,theresearchanddesignofautonomousdrivingcarsbasedonlidarhasbeenresearchedanddesigned.ThedesignusesSTM32single-chipmicrocomputerasthemaincontrol,lidarasthesensor,combinedwithwirelesscommunicationmoduleandMecanumwheelcarchassisandotherequipment.Byreceivingandprocessingthedatacollectedbylidar,thecariscontrolledtoachieveavoidance.Obstaclesandautomaticdrivingfunctions.Inthispaper,thecorrespondinghardwarecircuitsandsoftwareprogramsaredesigned,andthedesignfunctionofthesystemistestedbymakingthephysicalobject.Throughthephysicalfunctiontest,theoveralldesigncanrealizetheexpectedfunction,realizethefunctionofobstacleavoidanceandautomaticdriving,andcanpassBluetoothPerformwirelessremotecontrol.Theoveralldesignmeetsthedesignrequirementsandisofpracticalsignificance.Keywords:Automaticdriving;Laserradar;STM32;Telecommunications目錄1緒論 11.1研究背景及意義 11.2發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 11.2.1國內(nèi)無人駕駛汽車研究現(xiàn)狀 21.2.2國外無人駕駛汽車研究現(xiàn)狀 21.3本文的主要研究內(nèi)容 22設(shè)計要求及總體設(shè)計方案 42.1設(shè)計要求 42.2總體方案設(shè)計 42.3主控芯片與各模塊選型 52.3.1嵌入式微控制器的選擇與論證 52.3.2顯示屏方案選型 62.3.3雷達(dá)傳感器選型 62.3.4電機(jī)驅(qū)動芯片選型 73系統(tǒng)硬件設(shè)計 83.1主控電路設(shè)計 83.2電源電路設(shè)計 83.3電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 93.4激光雷達(dá)接口電路 103.5電壓檢測及蜂鳴器報警電路 113.6TFT顯示屏接口電路 113.7HC-05藍(lán)牙模塊接口電路 124系統(tǒng)軟件設(shè)計 134.1主程序部分設(shè)計 134.2激光雷達(dá)數(shù)據(jù)讀取處理部分設(shè)計 144.3TFT顯示屏處理部分設(shè)計 154.4蜂鳴器報警處理部分設(shè)計 154.5電機(jī)控制處理部分設(shè)計 165系統(tǒng)測試及結(jié)果分析 185.1系統(tǒng)的組裝與焊接 185.2硬件電路的測試 195.3軟件部分的測試 195.4系統(tǒng)整體測試 22結(jié)束語 24參考文獻(xiàn) 25謝辭 26附錄 27緒論研究背景及意義在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景之下，高新科研技術(shù)水平不斷進(jìn)步，這也讓人們生活的日常逐漸走向智能化。在汽車制造業(yè)飛速發(fā)展過程中，智能汽車逐漸受到大眾的認(rèn)可。汽車的自動駕駛功能是憑借整個汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加上汽車外部的傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，實現(xiàn)汽車行進(jìn)路線的智能化決策，以此來實現(xiàn)汽車的自動控制要求。在此過程中進(jìn)行環(huán)境的感知主要是依靠激光掃描雷達(dá)、攝像頭、GPS定位等傳感器進(jìn)行工作，傳感器檢測到的各項數(shù)據(jù)信息交由系統(tǒng)內(nèi)部的處理器進(jìn)行分析處理，包括車輛所處的位置信息、車輛與周邊障礙區(qū)之間的距離信息。在處理器分析的基礎(chǔ)之上，將相應(yīng)處理信息傳輸至汽車的控制端以便驅(qū)動汽車車輪和方向的改變，確保汽車實現(xiàn)安全穩(wěn)定的自動駕駛以及智能化控制的實際需求。從自動駕駛技術(shù)的實際應(yīng)用情況來看，能夠有效幫助司機(jī)進(jìn)行車輛控制，不需要集中精力觀察路況信息，智能化的方向盤控制能夠降低司機(jī)因為疲勞造成的交通事故的概率，從而有效保證司機(jī)的人身安全，同時也為公路交通安全提供技術(shù)保障。在城市交通建設(shè)不斷發(fā)展過程中，將自動化駕駛技術(shù)與交通信號控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，能夠有效優(yōu)化車輛的手機(jī)行駛速度，減少車輛制動和重啟，提高司機(jī)駕駛的舒適性。同時系統(tǒng)化的控制能夠提高城市交通網(wǎng)絡(luò)的通行效率，減少資源的浪費(fèi)。不僅在城市交通領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域，自動駕駛技術(shù)同樣得到了有效應(yīng)用。在物流配送領(lǐng)域，自動駕駛技術(shù)能夠應(yīng)用于貨品的分揀和搬運(yùn)工作，在此過程中，提高搬運(yùn)效率，提升配送的精確度。在軍事領(lǐng)域，自動駕駛的無人車能夠在惡劣環(huán)境下執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)，減少人員傷亡，保證任務(wù)執(zhí)行的效率。自動駕駛技術(shù)與環(huán)境感知技術(shù)的結(jié)合，為自動駕駛的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)，感知信息的多面性成為未來自動駕駛研究領(lǐng)域重要的突破口，自動駕駛技術(shù)逐漸成為科研人員研究的重點。發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀自動駕駛技術(shù)最早應(yīng)用于軍事戰(zhàn)斗領(lǐng)域，進(jìn)行戰(zhàn)場偵察、道路清障。近年來，才逐漸擴(kuò)展到民用領(lǐng)域。自動駕駛小車的研發(fā)涵蓋了多個學(xué)科的知識，包括電子電氣、傳感器檢測、自動化控制、機(jī)械等。智能無人駕駛汽車是現(xiàn)代化汽車工業(yè)與電子計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)自動巡航、自動緊急制動、車道保持、自動變速等使用功能。整個電子控制系統(tǒng)是由道路識別、速度控制及方向控制等主要功能模塊構(gòu)成。由于自動駕駛汽車應(yīng)用市場的不斷深入，國內(nèi)外針對自動駕駛的研究不斷深入，產(chǎn)品功能性不斷完善，現(xiàn)階段自動駕駛技術(shù)由有條件自動化朝向安全自動化階段邁進(jìn)。國內(nèi)無人駕駛汽車研究現(xiàn)狀自二十個世紀(jì)八十年代開始，我國針對自動駕駛技術(shù)展開研究，雖然起步較晚，但是發(fā)展速度較快，在近年來得到了飛速的發(fā)展[1]。在1992年，我國成功研制出了第一臺無人駕駛汽車，整個汽車控制系統(tǒng)是由液壓控制系統(tǒng)與傳感器構(gòu)成，既保留了人工駕駛的工作性能，同時能夠在計算機(jī)控制下實現(xiàn)車輛的自動駕駛。在2000年，國防科技大學(xué)研制出的第四代無人駕駛汽車以時速76Km，創(chuàng)下了國內(nèi)的最高記錄[2]。在三年以后，由國防科技大學(xué)和中國第一汽車集團(tuán)公司聯(lián)合研制出的自主駕駛汽車在高速公路上試驗成功，不僅速度可以達(dá)到時速130Km同時具備超車功能。這一技術(shù)的進(jìn)步表明我國自動駕駛技術(shù)的總體性能以及達(dá)到的世界先進(jìn)行列。由于自動駕駛技術(shù)能過夠保證車輛行駛過程中的安全性，緩解司機(jī)長時間駕駛過程中的疲勞，提高汽車駕駛的穩(wěn)定性與安全性，近年來自動駕駛技術(shù)以及被廣泛應(yīng)用于智能倉庫的搬運(yùn)以及物流的派送中。在激光雷達(dá)傳感器、攝像機(jī)以及GPS定位模塊的相互協(xié)作下，無人自動駕小車能夠自動導(dǎo)航、避開障礙物，正確做出控制決策實現(xiàn)快遞的實時派送。國外無人駕駛汽車研究現(xiàn)狀在國外，從上個世紀(jì)七十年代，美國就展開了對自動駕駛技術(shù)的研究。研究方向主要是針對軍事戰(zhàn)斗、城市環(huán)境、高速公路環(huán)境三個方面。整體研究成果具有一定的實用性與可靠性。在自動駕駛汽車領(lǐng)域，以特斯拉、谷歌為代表的科技公司研發(fā)出的自動駕駛汽車已經(jīng)投入商用。在這其中，特斯拉作為自動駕駛的商業(yè)代表，能夠?qū)崿F(xiàn)司機(jī)實際出行過程中舒適安全的實際需求。在特斯拉車輛的車載設(shè)備中主要包含有雙目攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波傳感器以及計算機(jī)車載控制系統(tǒng)。在環(huán)境感知模塊設(shè)計中，為了減少實際光照與天氣因素造成的環(huán)境監(jiān)測問題，著重研究激光雷達(dá)環(huán)境感知技術(shù)，提高系統(tǒng)的科學(xué)化決策。本文的主要研究內(nèi)容本設(shè)計基于激光雷達(dá)自動駕駛小車，立足于交通安全的重要性，主要針對智能自動駕駛汽車的避障方面進(jìn)行研究。通過結(jié)合激光雷達(dá)、STM32單片機(jī)、藍(lán)牙無線通訊模塊等設(shè)備，來搭建的一個系統(tǒng)。并通過硬件設(shè)計以及程序編寫，最終來完成整個設(shè)計。設(shè)計的主要功能有：針對障礙物自動避讓并行駛，通過屏幕實時顯示周圍環(huán)境的云點圖，遠(yuǎn)程無線控制以及低電壓報警等功能。設(shè)計要求及總體設(shè)計方案設(shè)計要求本設(shè)計主要由麥克納姆輪小車底盤，激光雷達(dá)以及單片機(jī)控制系統(tǒng)所構(gòu)成，功能如下：（1）通過激光雷達(dá)實時獲取周圍環(huán)境，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理來控制小車電機(jī)，以實現(xiàn)避障、自動行駛功能。（2）通過雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在LCD顯示器上實時繪制周圍環(huán)境的點云圖，可以實時采集電池電壓并顯示，以方便進(jìn)行觀察與調(diào)試。（3）可通過手機(jī)APP利用藍(lán)牙主動控制小車運(yùn)動?？傮w方案設(shè)計本次系統(tǒng)的設(shè)計主要原理為：通過激光雷達(dá)不停旋轉(zhuǎn)并發(fā)射脈沖激光，將激光作為信號源，當(dāng)激光碰到障礙物時就會引起散射，此時激光雷達(dá)的接收器就會采集到這部分光波，再根據(jù)激光測距的原理，就能得到激光雷達(dá)到達(dá)目標(biāo)障礙物的距離[3]。而我們使用的是思嵐科技的一款激光雷達(dá)，可以將采集到的激光點角度以及距離信息，通過串口將其發(fā)送出來。因此我們還使用了一個單片機(jī)（STM32F407）作為主控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解析和運(yùn)行控制，單片機(jī)通過串口接收激光雷達(dá)發(fā)送的數(shù)據(jù)，解析得到各個角度的點的距離之后，在LCD顯示器上通過SPI協(xié)議繪制對應(yīng)的點云圖，根據(jù)周圍環(huán)境變化實時進(jìn)行更新。控制方面采用的是MX1508電機(jī)驅(qū)動芯片，兩片可以獨立控制四個電機(jī)運(yùn)行，再配合麥克納姆輪可以做到全方向行駛，電機(jī)采用PWM進(jìn)行調(diào)速。電源方面為了穩(wěn)定，采用了兩顆18650電池串聯(lián)供電，采用低壓差線性穩(wěn)壓器AMS1117-5V進(jìn)行穩(wěn)壓提供系統(tǒng)所需的5V電源，并通過電阻分壓給單片機(jī)通過內(nèi)部ADC實時采集電池電壓，防止電池過放損壞電池。為了調(diào)試方便以及能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，還增加了一個HC-05的藍(lán)牙串口模塊，不僅可以在小車運(yùn)行過程中實時獲取小車的數(shù)據(jù)，還可以主動控制小車的運(yùn)動狀態(tài)。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)總設(shè)計框圖主控芯片與各模塊選型嵌入式微控制器的選擇與論證方案一：STC89C52單片微控制器STC89C52系列單片機(jī)是一款CMOS8位微控制器，采用了精簡指令集結(jié)構(gòu)的8051內(nèi)核，有8K字節(jié)的可編程Flash存儲器，256字節(jié)的RAM，32位IO口線等資源[4]。這款單片機(jī)主要優(yōu)勢在于價格相對便宜，入門較為容易，抗干擾能力強(qiáng)，外設(shè)以及內(nèi)部資源能夠滿足較多項目，但是不足之處也有，在一些大型或者復(fù)雜的項目中就能體現(xiàn)出來，比如支持的外部晶體振蕩器頻率較低，時鐘頻率只有0~35MHz，間接導(dǎo)致其運(yùn)行速度較其他單片機(jī)偏慢。方案二：Atmega16單片微控制器Atmega16系列屬于AVR中的增強(qiáng)版，采用了先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，是一款低功耗的8位CMOS微控制器，數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)1Mips/MHz，是因為其采用了先進(jìn)的指令集，因此在低功耗的情況下，其處理速度也較為可觀[5]。該單片機(jī)具備16K字節(jié)的可編程Flash存儲器，1K字節(jié)的SRAM，32位IO口線等資源。其外設(shè)資源也較為豐富，但是價格較高，性價比較低。方案三：STM32單片微控制器STM32系列單片機(jī)是采用的ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器，主要追求高性能、低成本、低功耗的一款單片機(jī)[6]。屬于主流單片機(jī)，面向大眾化，擁有較多的開源資料，可以極大的縮短開發(fā)時間。另外它還擁有極其豐富的外設(shè)資源，以及較高的處理頻率。而我選擇的是其擁有高性能高性價比的F4系列中的STM32F407ZGT6單片機(jī)，具備高達(dá)512K字節(jié)的可編程Flash存儲器，168MHz的頻率，以及豐富的外設(shè)，如SPI、IIC、USART、IIS、CAN等。綜合以上三種單片機(jī)的選型方案，STC89C51在在一些需要實時性的系統(tǒng)中無法勝任，而Atmega16性價比較低，且此項目并不需要低功耗。最終結(jié)合此次設(shè)計的需求以及性能指標(biāo)，最終選擇了STM32F407ZGT6這款單片機(jī)作為本次設(shè)計的MCU。顯示屏方案選型方案一：LCD1602液晶顯示器LCD1602液晶顯示器是一款使用廣泛的顯示模塊，主要用來顯示字符等內(nèi)容，如阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母、符號等?？梢燥@示16*2個字符，采用HD44780作為控制器，成本較低，抗干擾較強(qiáng)。方案二：OLED（12864）顯示屏OLED，即有機(jī)電致發(fā)光二極管。具有不需要額外背光、視角較廣、對比度較高、功耗較低、自發(fā)光等優(yōu)點。市面上常見的0.96寸OLED顯示屏主要有兩種通訊方式：IIC和SPI，根據(jù)需求和處理器資源可以自由選擇。采用SSD1306作為驅(qū)動IC，屏幕分辨率為128*64，能夠滿足大部分顯示需求。方案三：TFT液晶屏TFT，即薄膜晶體管，主要運(yùn)用在高端產(chǎn)品。其具有反應(yīng)速度快，可視角度大、分辨率高等優(yōu)點。屬于矩陣型顯示器，通過集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動顯示器上的每一個液晶像素點進(jìn)行顯示，主要由導(dǎo)光部分、熒光部分以及背光紙構(gòu)成。綜合本次設(shè)計需求以及以上三種方案，最終選擇方案三中的TFT顯示器作為本次設(shè)計的顯示屏來進(jìn)行點云圖以及電壓數(shù)據(jù)的顯示。雷達(dá)傳感器選型方案一：毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)即工作在30-300GHz頻域探測的雷達(dá)，兼具有微波雷達(dá)和光電雷達(dá)的部分長處，這是由于毫米波的波長介于厘米波和微波之間[7]。毫米波雷達(dá)具有穿透能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、分辨度較高等優(yōu)點。方案二：激光雷達(dá)激光雷達(dá)，顧名思義是采用激光束作為探測信號，當(dāng)接觸到目標(biāo)時，會將信號反射，也就是回波，再將回波與激光束進(jìn)行比較并處理，即可得到目標(biāo)的方位，距離等信息。具備探測性好、體積小、隱蔽性好等長處。一般市面上的激光雷達(dá)會配合一個電機(jī)進(jìn)行2D平面的掃描，適用于SLAM等需要即時定位和地圖構(gòu)建的情況。綜合本次設(shè)計需求以及以上兩個方案的對比，最終選擇了激光雷達(dá)作為本次設(shè)計中的雷達(dá)。電機(jī)驅(qū)動芯片選型方案一：L298N驅(qū)動芯片L298N是一款常見的H橋電機(jī)驅(qū)動，能夠驅(qū)動直流電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)，具有寬電源輸入（6V-46V）、2A驅(qū)動電流、過熱自斷、抗干擾能力強(qiáng)和反饋檢測等優(yōu)點。最大功率為25W，能夠同時驅(qū)動一個四相電機(jī)或者兩個直流電機(jī)，但是易發(fā)熱，因此常搭配散熱片進(jìn)行使用。方案二：MX1508驅(qū)動芯片MX1508是一款集成了兩通道采用N、P溝道的功率MOSFET設(shè)計的H橋驅(qū)動，可以驅(qū)動有刷直流電機(jī)或者步進(jìn)馬達(dá)，具有較寬的電源輸入（2V-9.6V）、較低的待機(jī)電流（低于0.1uA）、內(nèi)置熱保護(hù)電路、最大2A驅(qū)動電流、發(fā)熱較小等優(yōu)點?？赏瑫r驅(qū)動兩個有刷直流電機(jī)，或者一個四線二相式步進(jìn)電機(jī)，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速的功能。綜合本次設(shè)計實際需求以及以上兩個方案的對比，由于L298N內(nèi)部采用晶體管作為開關(guān)，相對于MX1508有效率低、發(fā)熱高、外圍電路較為復(fù)雜等缺點，因此最終選擇采用MX1508作為本次設(shè)計的電機(jī)驅(qū)動芯片。系統(tǒng)硬件設(shè)計主控電路設(shè)計STM32最小系統(tǒng)板采用的是STM32F407ZGT6芯片，該芯片擁有144個IO，1024KFlash和192KSRAM。最小系統(tǒng)由8MHz外部高速晶振、32.768KHz外部低速晶振、復(fù)位電路、電源濾波電路等組成。其中外部晶振用來給單片機(jī)提供基準(zhǔn)時鐘，32.768KHz低速晶振主要用來做RTC的時鐘源，采用上電復(fù)位電路，復(fù)位是為了讓單片機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)出錯時從新從頭開始執(zhí)行程序，保障單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。電源往往具有高頻和低頻噪聲，因此為了保障單片機(jī)的供電穩(wěn)定，通過濾波電容濾除了電源帶來的高頻以及低頻的干擾信號。最小系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。圖3-1STM32F407最小系統(tǒng)原理圖電源電路設(shè)計系統(tǒng)的電源電路采用了Micro-USB和電池的兩種供電方式，USB為5V供電，電池為7.2V供電，因此為電池供電設(shè)計了5V的穩(wěn)壓電路，采用了AdvancedMonolithicSystems公司生產(chǎn)的ASM1117-5V集成三端線性穩(wěn)壓器，可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，最大輸出800mA電流，滿足整個系統(tǒng)需求。且外圍電路較為簡單，只需要電源輸入、輸出端的濾波電容即可，二極管SS34主要用來防反接保護(hù)電路，另外添加了電源指示燈電路。電源電路如圖3-2所示。圖3-2電源電路圖電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動采用了兩片MX1508雙H橋電機(jī)驅(qū)動芯片，用于驅(qū)動四個有刷直流電機(jī)，工作電壓為2V-9.6V，最大2A的峰值電流，最大功耗1.5W。根據(jù)官方手冊繪制了對應(yīng)的外圍電路，，經(jīng)過測試可以正常使用，通過單片機(jī)的8個IO口輸出PWM可以控制四個電機(jī)的速度以及正反轉(zhuǎn)，控制較為簡單。電機(jī)驅(qū)動電路如圖3-3所示。圖3-3電機(jī)驅(qū)動電路圖激光雷達(dá)接口電路系統(tǒng)的激光雷達(dá)接口電路主要用于以下三個功能：為雷達(dá)提供供電、雷達(dá)與單片機(jī)進(jìn)行串口通訊、單片機(jī)控制雷達(dá)電機(jī)調(diào)速來控制掃描頻率。激光雷達(dá)接口電路如圖3-4所示。圖3-4激光雷達(dá)接口電路圖電壓檢測及蜂鳴器報警電路由于STM32的內(nèi)部ADC的IO口耐壓值為3.3V，而電源電壓為7.2V-8.4V，因此通過電阻串聯(lián)分壓的方式進(jìn)行電池電壓的測量，公式為：VDD=VADC/1*(4.7+1)。蜂鳴器報警電路采用了一個S8550三極管控制蜂鳴器，通過單片機(jī)輸出高低電平使三極管工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)來達(dá)到控制蜂鳴器的目的。當(dāng)單片機(jī)檢測到電池電壓處于較低值時會通過蜂鳴器報警，提醒使用者，避免電池過放造成對電池的傷害。電壓檢測及蜂鳴器報警電路如圖3-5所示。圖3-5電壓檢測及蜂鳴器報警電路圖TFT顯示屏接口電路系統(tǒng)的TFT顯示屏采用的SPI協(xié)議進(jìn)行通信，SPI即串行外設(shè)接口，采用的全雙工，同步通信方式。SPI一般采用四根線工作，分別是MOSI、MISO、SCLK、CS，即主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出、主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入、時鐘信號、片選信號這四種，而像屏幕這種外設(shè)，只需要單向進(jìn)行信號傳輸，就可以省掉MISO這根線，節(jié)省了單片機(jī)的IO口。通過SPI進(jìn)行通訊，最高可以達(dá)到30Mbps的速度，而IIC協(xié)議只能達(dá)到100Kbps-4Mbps的速度，所以在進(jìn)行屏幕刷新等任務(wù)時，SPI會比IIC設(shè)備的速度更快，更流暢。TFT顯示屏接口電路如圖3-6所示，圖3-6TFT顯示屏接口電路圖HC-05藍(lán)牙模塊接口電路系統(tǒng)采用的是型號為HC-05的藍(lán)牙模塊來進(jìn)行單片機(jī)與外界的無信通訊，通訊距離可以達(dá)到10m。單片機(jī)采用USART與其進(jìn)行通信，能夠工作在4800~1382400波特率范圍內(nèi)。能夠利用AT指令對其進(jìn)行一些配置，例如主機(jī)從機(jī)切換，波特率大小等均可進(jìn)行配置。藍(lán)牙模塊接口電路如圖3-7所示。圖3-7HC-05藍(lán)牙模塊接口電路圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計主程序部分設(shè)計本設(shè)計要實現(xiàn)的主要功能是對雷達(dá)采集發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收解析并處理，實時將其以圖形化的形式顯示在TFT顯示屏上面，并通過設(shè)置的閾值，對周圍障礙物進(jìn)行一個主動避障的一個功能。整個系統(tǒng)還通過HC-05藍(lán)牙模塊與外界設(shè)備進(jìn)行無線通信，并可以實時監(jiān)測電池電壓，并在低電壓時進(jìn)行報警提醒的一個功能，防止電池過放損壞電池。系統(tǒng)在上電之后會先進(jìn)行各個外設(shè)以及協(xié)議的初始化，例如時鐘、串口、定時器、PWM、ADC等，初始化完成之后開始接收并解析雷達(dá)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并可以通過HC-05藍(lán)牙模塊與手機(jī)進(jìn)行通訊，再在TFT顯示屏上實時更新繪制點云圖以及采集到的電壓值，再根據(jù)解析后的數(shù)據(jù)和設(shè)定的規(guī)則來控制四個電機(jī)讓小車行駛并避障。整個系統(tǒng)的總體設(shè)計流程圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖激光雷達(dá)數(shù)據(jù)讀取處理部分設(shè)計激光雷達(dá)在上電后會不斷旋轉(zhuǎn)并發(fā)射激光束，當(dāng)碰到障礙物后會反射回來被激光雷達(dá)檢測到，經(jīng)過激光雷達(dá)內(nèi)部進(jìn)行計算可以得知目標(biāo)障礙物的方位和距離。激光雷達(dá)在獲取以上信息之后就會通過串口源源不斷的發(fā)送出來，這時我們是使用STM32單片機(jī)的串口進(jìn)行接收，再根據(jù)激光雷達(dá)手冊上的數(shù)據(jù)幀格式運(yùn)用公式進(jìn)行解析，得到角度以及對應(yīng)的距離數(shù)據(jù)，為后面的功能提供數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)讀取和處理程序的流程圖如圖4-2所示。圖4-2激光雷達(dá)數(shù)據(jù)讀取處理部分流程圖TFT顯示屏處理部分設(shè)計整個系統(tǒng)在上電之后，單片機(jī)對TFT顯示屏的控制流程為：對應(yīng)IO口、SPI通訊協(xié)議初始化，調(diào)用TFT屏幕初始化函數(shù)，將采集鋰電池電壓以及解析后的雷達(dá)數(shù)據(jù)點在屏幕上顯示出來，然后持續(xù)的實時刷新電壓值以及云點數(shù)據(jù)。TFT屏幕主要為了調(diào)試并且其具有可視化的功能，能夠方便開發(fā)者觀察數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行處理。TFT顯示屏處理部分程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3TFT顯示屏處理部分流程圖蜂鳴器報警處理部分設(shè)計蜂鳴器一般是起到提醒警示的作用，在本次設(shè)計中則是主要是在電池電壓較低時，提醒使用者及時更換電池，防止電池過度放電，損傷電池，甚至發(fā)生危險。整體系統(tǒng)在上電之后，會初始化對應(yīng)的IO口，以及ADC，通過不斷采集電池兩端的實時電壓與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，來決定是否開啟蜂鳴器報警功能。蜂鳴器報警處理部分設(shè)計的流程圖如圖4-4所示。圖4-4蜂鳴器報警處理部分流程圖電機(jī)控制處理部分設(shè)計在本次設(shè)計中，電機(jī)的控制決定了小車的運(yùn)行狀態(tài)，小車的主要任務(wù)為避障行駛，因此除了對激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的解析之外，還需要及時對電機(jī)進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)檢測到障礙物但是來不及躲避的狀況發(fā)生。整個系統(tǒng)在上電之后，單片機(jī)對對應(yīng)的IO進(jìn)行初始化，并初始化定時器，用于輸出控制電機(jī)所需的PWM信號，在通過雷達(dá)檢測到障礙物后，單片機(jī)通過比較障礙物的距離與設(shè)定的安全閾值，從而對電機(jī)進(jìn)行不同的控制，如左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，來避開障礙物，當(dāng)障礙物離開安全范圍之后再進(jìn)行直行行駛，直到再次有障礙物進(jìn)入到危險范圍，在做出對應(yīng)的反應(yīng)來避開障礙物。電機(jī)控制處理部分程序的流程圖如圖4-5所示。圖4-5電機(jī)控制處理部分流程圖系統(tǒng)測試及結(jié)果分析系統(tǒng)的組裝與焊接為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及美觀性，我采取了通過EDA軟件繪制電路板的形式進(jìn)行設(shè)計，而不是通過萬用板來進(jìn)行設(shè)計。電路板上集成了電源管理部分、蜂鳴器驅(qū)動部分、最小系統(tǒng)板轉(zhuǎn)接部分、電機(jī)驅(qū)動部分以及按鍵部分。焊接時主要需要注意元器件的極性、封裝、參數(shù)等是否與設(shè)計時的相同即可，另外在焊接時要讓焊錫和焊盤充分接觸，焊點飽滿，避免因為接觸不良導(dǎo)致后期的調(diào)試無法正常進(jìn)行。焊接前、后電路板分別如圖5-1和5-2所示。圖5-1焊接前電路板圖5-2焊接后電路板硬件電路的測試焊接完成之后，應(yīng)仔細(xì)對照原理圖以及繪制的PCB，檢測元件有沒有焊接出錯，要保證實物與繪制的板子上的元件一一對應(yīng)，這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，否則可能會出現(xiàn)系統(tǒng)工作不正?；蛘卟还ぷ鞯那闆r。在檢查完元件是否都正確后，不應(yīng)該立即安裝模塊進(jìn)行上電測試，而是要先測試電源是否工作正常，電壓輸出是否穩(wěn)定。因為板子上各個模塊所需要的電壓有所差異，一旦電壓超過其承受范圍，極有可能對其造成永久性的損壞，所以需要提前對其供電電壓進(jìn)行測量，以防止燒毀核心板以及其他元件。經(jīng)過萬用表一一測量后，各處電壓均正常，于是可以開始安裝各個模塊進(jìn)行測試了。分別對單片機(jī)、電機(jī)、雷達(dá)、屏幕、按鍵、藍(lán)牙模塊進(jìn)行了測試，經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)可以正常工作，四個電機(jī)均可獨立控制，雷達(dá)轉(zhuǎn)速可調(diào)，數(shù)據(jù)發(fā)送正常，屏幕顯示正常，電壓數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，按鍵可正常檢測狀態(tài)，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸正常。接下來還需要進(jìn)行整體的聯(lián)調(diào)，因為測試時只是單獨進(jìn)行測試的，整體運(yùn)行時還需要避免模塊間的互相干擾。軟件部分的測試本系統(tǒng)的程序采用C語言進(jìn)行編寫，采用Keil5進(jìn)行編譯。軟件部分首先是需要對各個模塊的底層驅(qū)動進(jìn)行編寫調(diào)試，確保各個模塊可以正常驅(qū)動起來。再按照要求，對其進(jìn)行邏輯的設(shè)計，主要涉及到了單片機(jī)的ADC、串口、定時器等資源，以及SPI通訊協(xié)議。最主要的就是獲取雷達(dá)檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再經(jīng)過分析數(shù)據(jù)來控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行實時的調(diào)整。雷達(dá)與單片機(jī)通過串口進(jìn)行通信，采用115200的波特率，通過閱讀激光雷達(dá)的開發(fā)手冊，了解了其通信的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行解析，于是開始對其編寫程序，雷達(dá)數(shù)據(jù)通過電腦的串口助手獲取的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖5-3所示。圖5-3雷達(dá)發(fā)送的部分?jǐn)?shù)據(jù)最終經(jīng)過多次調(diào)試，完成了數(shù)據(jù)的解析并繪制了云點圖在屏幕上，小車所處位置如圖5-4所示，屏幕顯示的云點圖如圖5-5所示。圖5-4小車放在正方形箱子內(nèi)圖5-5屏幕顯示附近環(huán)境的云點圖在此基礎(chǔ)上還進(jìn)行了放置障礙物的測試，觀察雷達(dá)是否能正確檢測到，障礙物所處位置如圖5-6所示，屏幕顯示的云點圖如圖5-7所示。圖5-6障礙物放在小車附近圖5-7屏幕顯示附近環(huán)境的云點圖可以發(fā)現(xiàn)雷達(dá)針對障礙物是可以正常檢測到的，于是開始針對障礙物設(shè)計避障邏輯，經(jīng)過多次調(diào)試，小車可以正常判斷障礙物方位并進(jìn)行避障。除了避障功能外，小車還支持藍(lán)牙無線遙控的功能，因為小車采用的麥克納姆輪的設(shè)計，所以可以做到360°行駛，可以左右平移等正常四輪小車做不到的操作。如圖5-8為手機(jī)端藍(lán)牙串口APP控制界面。圖5-8手機(jī)端藍(lán)牙串口APP控制界面圖系統(tǒng)整體測試在對系統(tǒng)的整體硬件以及軟件進(jìn)行完測試之后，可以開始系統(tǒng)的整體測試了，經(jīng)過測試，可以完成要求的所有任務(wù)，最終的實物圖如圖5-9所示。圖5-9最終的實物圖結(jié)束語歷時一個多月，整個系統(tǒng)終于從零到一完全搭建完成了。然而完成這個設(shè)計的路上并不是一帆風(fēng)順的，也有遇到過很多難題，有的時候一個問題可能就會卡一天，但是只要堅持去克服就一定可以解決。首先在方案選型上面就花費(fèi)了不少時間，比如選擇什么雷達(dá)，用哪款電機(jī)驅(qū)動芯片，用什么無線通訊模塊，用什么單片機(jī)，這些都是需要根據(jù)系統(tǒng)的整體需求和實際要去考慮的。其次就是硬件設(shè)計這塊，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定舍棄采用洞洞板焊接的方案，而是選擇了繪制電路板的方案，既能保證穩(wěn)定，一定