CN213182422U - 基于stm的自动避障控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于STM的自动避障控制装置，其包括障碍检测模块、单片机和电机驱动电路；所述障碍检测模块与所述单片机连接，用以对行进路线上进行障碍检测，并将检测结果反馈给所述单片机，所述单片机分别与所述障碍检测模块和所述驱动电机连接，所述电机驱动电路用以驱动运动体的前轮，通过超声波测距传感器进行超声波测距，快速获取距离，且超声波测距传感器舵机还可以根据实际情况改变超声波测距传感器的方向，进而改变超声波的发射方向，实现全方位利用超声波进行距离检测，并利用单片机对电机驱动电路进行运动体的前轮，实现根据超声波距离传感器得到的实际距离通过单片机控制电机驱动电路，实现对自动躲避障碍的灵活性和高效性。

Description

基于STM的自动避障控制装置

技术领域

本实用新型涉及自动控制领域，尤其涉及一种基于STM的自动避障控制装置。

背景技术

随着现在自动控制技术，人工智能和车辆一体化技术的提高，未来汽车的发展趋势会更加的智能化。

智能汽车是全新的集智能移动网络空间和应用终端于一体的汽车。车上不仅有着先进的传感器和其他设备的配备，还有更多的现代技术和更为先进的算法，所以要求现代汽车具备自动驾驶能力也是必需的。随着现在人们生活需求的增加，人们对于小车的要求也越发的高，从以前的自动检测胎压，温度，倒车等到现在的自动驾驶。而智能汽车也不像智能小车传统意义上的代步工具，还是人们生活质量进步的表现。

在自动驾驶过程中，需要小车判断路况，有效的避免碰撞，当遇到前方路况有障碍的时候，可以进行避让从而改变行进路线，但是相关技术中的障碍避让反应时间较长，从检测到障碍物到得出改变路线进行信号处理的时间较久，使得小车在自动驾驶过程中的效率较低，反应迟缓。

实用新型内容

为此，本实用新型提供一种基于STM的自动避障控制装置，提高了电动车进行障碍避让的反应速度，缩短了反应时间。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于STM的自动避障控制装置，包括：

超声波测距传感器、超声波测距传感器舵机、单片机和电机驱动电路；

所述超声波测距传感器舵机和所述超声波测距传感器连接，所述超声波测距传感器与所述单片机连接，

所述单片机分别与超声波测距传感器和所述电机驱动电路连接，所述电机驱动电路驱动运动体的前轮。

进一步地，该基于STM的自动避障控制装置，还包括电源电路；所述电源电路分别与所述单片机和所述电机驱动电路连接，用以给所述单片机和所述电机驱动电路供电。

进一步地，所述单片机为STM32F103RCT6芯片。

进一步地，所述电机驱动电路为LD293D电机驱动芯片。

进一步地，所述电机驱动电路分别与前左轮电机和前右轮电机连接，所述前左轮电机用以驱动所述运动体的左前轮，所述前右轮电机用以驱动所述运动体的右前轮，所述前左轮电机和前右轮电机分别并联一电容。

进一步地，所述超声波测距传感器的型号为HS－SR04。

进一步地，所述运动体为电动车。

进一步地，所述电源电路为2节并联的锂电池。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于，本实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置，通过超声波测距传感器进行超声波测距，快速获取距离，且超声波测距传感器舵机还可以根据实际情况改变超声波测距传感器的方向，进而改变超声波的发射方向，实现全方位利用超声波进行距离检测，并利用单片机对电机驱动电路进行运动体的前轮，实现根据超声波距离传感器得到的实际距离通过单片机控制电机驱动电路，实现对自动躲避障碍的灵活性和高效性。。

进一步地，通过超声波测距的方式对障碍物进行确认，对障碍物探测的角度小但是探测方向性强，对于障碍物的颜色，亮度都比较敏感。而且障碍物的探测方向性和敏感度也经常会因为对障碍物的方向性和颜色的不同而有较大的差异，所以适合用作近距离的探测，对障碍物的测距更为精确，灵敏度高。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置中的电机驱动电路的电路图；

图3为实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置中的电源电路的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本实用新型作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非在限制本实用新型的保护范围。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1所示，本实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置，包括：障碍检测模块100、单片机200和电机驱动电路300；所述障碍检测模块100与所述单片机200连接，用以对行进路线上进行障碍检测，并将检测结果反馈给所述单片机200，所述单片机200分别与所述障碍检测模块100和所述驱动电机连接，所述主动模块根据所述检测结果确定运动体的行进策略，并根据所述行进策略发送控制指令给所述电机驱动电路300，所述电机驱动电路300用以驱动运动体的前轮；所述控制指令经过PID控制器修正处理后再发送给所述电机驱动电路300，用以驱动运动体的前轮按照行进策略执行。

具体而言，本实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置通过障碍检测模块100进行障碍物检测，当检测到障碍物时，单片机200会接收到信号，然后进行判断，并做出决策，最后根据指令来驱动电机进行相关动作。电机驱动电路300用于根据控制指令驱动电机，控制指令经过PID控制器修正处理后再发送给所述电机驱动电路300，用以驱动运动体的前轮按照行进策略执行，具体而言，运动体的前面两轮为独立的驱动轮，后两轮为从动轮。前方的两个车轮都由独立的电机驱动。电动车的速度和转向可由两个电机的驱动实现。而对于电机的控制则是由电机驱动电路300来执行，实现对电机的控制，进而控制运动体的前面两轮。

具体而言，在运动体的运行过程中，传感器的作用是非常重要的。想要进行自动避障程序就必须要检测到障碍物以及障碍物与电动车间的距离。避障模块一般可以采用多个选择，可以是红外超声波避障测距传感器，也可以是红外超声波测距传感器。红外超声波传感器的主要特点之一就是对障碍物探测的角度小但是探测方向性强，对于障碍物的颜色，亮度都比较敏感。而且障碍物的探测方向性和敏感度也经常会因为对障碍物的方向性和颜色的不同而有较大的差异，所以我们一般适合用作近距离的探测。超声波的测距传感器是近年来进一步发展了起来的一种探测方法。由于红外超声波对障碍物传播的速度慢，传播的角度大，其障碍物探测的方向性比较差，只能有效地探测和获取前方障碍物的边界和距离方向信息，不能用于提供严格的探测障碍物边界和距离信息。

具体而言，控制指令经过PID控制器修正处理后再发送给所述电机驱动电路300，用以驱动运动体的前轮按照行进策略执行，PID控制器是目前应用较为广泛的控制器。PID控制的原理比较简单，鲁棒性强。当系统出现了偏差后，PID控制器中的比例调节器就可能会立即停止控制反应并且对系统产生控制作用，使得控制指令更为精确，实现电机驱动电路300对电机的精准控制，实现及时有效地躲避障碍物。

本实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置，通过PID控制器减少了系统的信号抖动，一定程度上避免了指令误触发的风险，也让运动体能够快速进行准确的避障动作。

具体而言，结合图1所示，本实用新型实施例提供的基于STM的自动避障控制装置还包括电源电路400；所述电源电路400分别与所述单片机200和所述电机驱动电路300连接，用以给所述单片机200和所述电机驱动电路300供电。

具体而言，结合图3所示，电源电路400在电动电动车的正常运行过程中，需要给芯片和电机驱动电路300进行供电。电动车通过2节锂电池串联使用可以提供8.4V的直流电压。而单片机需要5V的直流供电。锂电池提供的电压通过电源开关再通过稳压电路，输出5V电压，实现对芯片和电机驱动电路300的供电。采用电源电路400，对单片机200和电机驱动电路300供电，使得单片机200和电机驱动电路300的供电不间断，保证正常工作，实现避障功能，使得避障更为准确及时。

具体而言，所述障碍检测模块100包括超声波测距传感器101和超声波测距传感器舵机102；所述超声波测距传感器舵机102和所述超声波测距传感器101连接，用以调整所述超声波测距传感器101的方向。

具体而言，超声波衍射是一种机械纵波，在换能器晶片的振动过程中产生的一个听不见的机械波发生于一个激励电压，其衍射频率通常是较高的，但较短的衍射波长，通常只能产生较少的衍射，并且超声波具有良好的衍射射线方向性用于检测，射线方向性也可以发展成为定向传播的特性，用于直接检测道路中的障碍物。例如当一个超声波在介质中受到一个尺寸大于其影响反射波长的前方物体进行阻隔时就可能会直接产生影响超声波的反射；如果假设一个超声波能够在介质中传播的反射速度和质量都是目前已知的，而且我们就可以精确地测得出一个超声波从前方物体发射到接收一直到反射以及超声波从发射到返回的速度和时间，则我们就可以精确地计算得出前方物体和目标的影响反射距离。

超声波检测传感器101的主要结构和材料有可能是一种压电晶体和一种镍铁或者铝合金。其中，压电晶体也有可能是因为电磁效应导致的伸缩，其主要材料有可能是一种钛酸锆酸铅。这种由压电晶体结构组成的这种超声波检测传感器可以是一种完全可逆的超声波传感器，他也可以被认为是由一种电能超声波转变为一种机械能的超声波振荡中直接产生或发射出的一种超声波，与此同时在振荡中接收到的超声波也同样可以将其超声波转变为一种电能。因此它的传感器可以再细分为声波发送器和超声波接收器。他的主要作用范围可以仅仅是广泛地作为声波发送器，也可以仅仅是作为接受器。其主要工作频率为23－25khz和40－45khz。这类的超声波传感器结构使它可以广泛地适用于进行测量距离，防盗等。超声波测速的原理是，触发角发出10微安的高电平后，接着发送8个40KHZ的方波，当接收到数据信号便返回。当接收到返回信号后，在EGHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是我们所要的超声波发送到接收的时间。

具体而言，超声波测距传感器舵机用于调整超声波传感器的方向。超声波测距传感器舵机的连接方式是由电源线和地线供电的，其内部的直流电动机由输入端控制，可以完成转向，PWM信号可以控制舵机的工作。超声波测距传感器舵机也就是伺服电机，角驱动伺服改变直流电动机的转动速度，转向信号频率控制转动方向。PWM信号的占空比可以调节伺服电机。舵机是由直流电动机、减速齿轮组、传感器和控制电路部分组成的，传感器通过舵机发送传感器的信号，确定超声波测距传感器舵机输出轴的最大旋转角度。

通过超声波测距的方式对障碍物进行确认，对障碍物探测的角度小但是探测方向性强，对于障碍物的颜色，亮度都比较敏感。而且障碍物的探测方向性和敏感度也经常会因为对障碍物的方向性和颜色的不同而有较大的差异，所以适合用作近距离的探测，对障碍物的测距更为精确，灵敏度高。

具体而言，所述单片机200为STM32F103RCT6芯片。主控芯片基于ARM32位Cortex－M3内核的设计框架，拥有12位的D/A数模管理转换器，多达112个快速的I/O口，工作程序进行的频率为72MHZ，内置一个高速数据存储器，在数据存储器的0等待时间周期可以进行数据访问是可达到1.25DMips/MHZ。另外带有2个12位数模管理转换器，2个直接数据存储器可以访问(DMA)高级管理控制器，共12个12位DMA的通道。有三个16位的定时器，每个定时器都可以提供适用于四个输入信道捕捉/输出信道比较，PWM或增量脉冲编码器计数和PWM或增量脉冲编码器捕捉和输入的信道。自带的16位定时器带有自动死区控制和紧急刹车，可以提供适用于电机内部控制的PWM高级定时器管理控制系统定时器，功能强大，可扩展性更强，便于增加功能及实现复杂的控制。

具体而言，所述电机驱动电路300为LD293D电机驱动芯片。电机驱动电路300采用的是意法半导体公司生产的L293D专用的电机驱动芯片。L239D它还提供了电流高达600mA的可以双向交流驱动的高压电流，可以专为交流发电机和泵驱动等各种类型具有交流感性驱动高压电源负载的交流继电器和例如直流双极管的步进式发电机，马达，电磁阀，以及其他一些大功率电流的具有感性驱动高压电源设备提供交流负载。LD293D是一种基于双极型单桥PWM的单片机。LD293D具有高电压，高电流，四通道驱动等优点。在本实用新型中最能体现的优点是可以用一片驱动芯片来分别驱动两个电机。LD293D的双极型脉冲调宽方式有很多好处，一是动力润滑作用，二是电流连续，三是可以消除正方向时的静摩擦死区，四是电机停止时有微振电流，低速平稳性好等优点。直流电机工作对于电流、电压的要求都较高。电压的极性的改变可以调整直流电机转动方向。所以一般都由特定的电机驱动电路来控制电机的驱动。本文采用的是意法半导体公司提供的L293D专用电机驱动芯片作为智能电动车两个驱动轮的直流电机的核心功率控制模块。L293D功率用于驱动电感负载，诸如一些继电器，DC马达，步进马达和开关功率晶体管。L293D符合TTL逻辑进行电平接口技术标准，电机驱动电压极性的转换可以通过逻辑设置的改变来实现，从而实现转向调整。L293D具有发热量低、体积小、节省印刷电路板面积等优点。

具体而言，结合图2所示，所述电机驱动电路300分别与前左轮电机和前右轮电机连接，所述前左轮电机用以驱动所述运动体的左前轮，所述前右轮电机用以驱动所述运动体的右前轮，所述前左轮电机和前右轮电机分别并联一电容。采用并联电容的方式，不但可以吸收掉电机高速转动时产生的高次谐波，从而使电路板能够正常工作，还可以感应电压电容器的吸收峰，可以起到一定的保护作用。

具体而言，所述超声波测距传感器为HS－SR04超声波模块。本实用新型实施例中的超声波探测采用HS－SR04超声波模块，可实现2cm－4m的无接触测距效果。其工作电压大约是5v，工作的电流大约是15mA，测量的脉冲发射角度可轻松地达到15度。其出发的信号大约是10微秒的TTL脉冲信号，其中示波器输出的脉冲回响发射信号与脉冲射程成了相当的比例。

具体而言，所述运动体为电动车。所述电源为2节并联的锂电池。本实用新型实施例中的自动避障控制装置可以应用在很多领域，其中的运动体在实际应用中，可以是电动车，由于电动车在实际应用广泛，具有很广的应用前景，因此对电动车进行自动避障控制具有深远的实际意义，便于带动其他行业的发展，如智能运输，无人搬运等领域。采用锂电池进行并联的方式作为电源装置，结构简单，易于实现，降低基于STM的自动避障控制装置的制作难度，节约其制作成本，且易于加工制作，降低制作难度和成本，更为经济。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型；对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，包括：超声波测距传感器、超声波测距传感器舵机、单片机和电机驱动电路；

所述超声波测距传感器舵机和所述超声波测距传感器连接，所述超声波测距传感器与所述单片机连接，

所述单片机分别与超声波测距传感器和所述电机驱动电路连接，所述电机驱动电路驱动运动体的前轮。

2.根据权利要求1所述的基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，还包括电源电路；所述电源电路分别与所述单片机和所述电机驱动电路连接，所述电源电路为所述单片机和所述电机驱动电路提供电源。

3.根据权利要求2所述的基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，所述单片机为STM32F103RCT6芯片。

4.根据权利要求1所述的基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，所述电机驱动电路为LD293D电机驱动芯片。

5.根据权利要求4所述的基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，所述电机驱动电路分别与前左轮电机和前右轮电机连接，所述前左轮电机驱动所述运动体的左前轮，所述前右轮电机驱动所述运动体的右前轮，所述前左轮电机和前右轮电机分别并联一电容。

6.根据权利要求1所述的基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，所述超声波测距传感器的型号为HS－SR04。

7.根据权利要求1－6任一所述的基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，所述运动体为电动车。

8.根据权利要求2所述的基于STM的自动避障控制装置，其特征在于，所述电源电路为2节并联的锂电池。

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