总第329期2017年第3期
计算机与数字工程
C om puter &•
D ig ita l Engineering
Vol.45 No.3
549
吕闪金已婷沈巍
(大连交通大学电气信息学院大连116028)
摘要介绍了基于模糊控制的智能小车循迹避障系统设计，该系统采用改进型超声波测距传感器和红外光电传感 器采集外部障碍信息，然后将障碍信息数据经M C U计算处理并传送至模糊控制器，经过模糊算法的计算，输出相对应的行 动信号，控制智能小车的前进、转向等。论文采用双输人单输出结构的模糊控制器，
输人量分别取为避障小车车体各个传感 器采集的障碍物距离信息，智能车相对路径中心线的方向偏差，输出量变为舵机期望转角。通过程序仿真及实际验证表明，小车能够在不同环境中实现自主循迹避障。
关键词智能小车；模糊控制；循迹；避障
中图分类号TP302 D O I：10. 3969/j. is s a1672-9722. 2017. 03. 030
Design of Intelligent Tracking and Obstacle Avoidance Car
Based on STM32
LV Shan JIN Siting SHEN Wei
(School o f E lectronics and In fo rm a tio n E n g in e e ring，D alian Jiaotong U n iv e rs ity，D alian 116028) Abstract T h is paper introduces the system o f the tra c k in g obstacle avoidance car based on fuzzy c o n tro l, the system adopts the advanced ultrasonic sensors and in fra re d electric sensor co llecting e xternal in fo rm a tio n, then it w ill process obstacle in fo rm a tio n data b y the M C U and tran sfe r to the fuzzy c o n tro lle r, o u tp u t corresponding signal o f action th ro u g h the fuzzy alg o rith m, c o n tro l the in te llig e n t car fo rw a rd, tu rn and so o n T h is paper adopts the s tru c tu re o f the double in p u t and single o u tp u t fuzzy c o n tro lle r, uses the distance o f obstacle and d irectio
n deviation o f the in te llig e n t car relative path center fo r inp u t, uses the steering expected angle fo r o u tpu t. T h ro u g h process sim u la tion and actual v e rific a tio n show th a t the car can achieve autonom ous tra ckin g obstacle avoidance in d iffe re n t environm ents.
Key Words in te llig e n t car, fuzzy c o n tro l, tra c k in g, obstacle avoidance
Class Number TP302
i引言
智能小车作为智能车辆的载体，是集传感器技 术、人工智能技术、自动控制技术、车辆工程控制于 一体的综合技术，是未来智能汽车发展的趋势。近 年来，科学技术取得了较大的进步，智能小车的系统设计也不再仅仅依赖于数学理论模型，摆脱了非 线性的束缚，为小车的智能控制提供了新的手段，具有广阔的应用前景。模糊控制通过建立数学模型，并整合人为专家控制经验来解决系统中动态特 性的非线性和不确定因素，具有较强的鲁棒性[卜5]。
本文设计了基于STM32的循迹避障小车，利 用路面循迹检测模块、避障模块等外围器件，组成 了一个比较完整的控制系统，小车能够在预先设定 的跑道上完成循迹、避障、转向、停车等各种功能，并且可以智能记录行驶距离和避障次数，同时当遇 到障碍物时，小车会驱动蜂鸣器报警。实践证明，
*收稿日期=2016年9月8日，修回日期：2016年10月29日
基金项目：辽宁省博士科研启动基金项目（编号= 20141108)资助。
作者简介：吕闪，女，硕士，研究方向：信号与信息处理、通信及关键技术。金已婷，女，硕士，研究方向：嵌人式技术、通 信及关键技术。沈巍，男，硕士，研究方向：信号与信息处理、通信及关键技术。
550吕闪等
I基于ST M32的循迹避障智能小车的设计第45卷
该系统电路结构简单、低功耗、高性价比、安全性和 稳定性高，具有广泛的实际应用价值。
2总体设计
智能小车控制系统具备自主循迹、智能障碍物 检测、自主避障、外部无线通信等功能。能够快速 避障，准确循迹，本系统主要包括:M C U主控模块、改进型超声波避障模块、循迹模块、测速模块、外部 通信模块等模块组成[—9]。2. 1M C U主控模块设计
本设计采用STM32F103作为智能小车控制 模块的核心，通过STM32F103利用程序来控制小 车的运动，对于控制方面，STM32F103具有高性 能、低成本、低功耗的优点。系统时钟源采用有源 晶振，大大提高了系统程序运行的准确性和安全 性，避免了控制系统因为复杂的电磁环境影响了时 钟的准确性，保证了系统高效准确无误的运行。图1为自主设计的最小系统原理图。
U6
3V3
3V3
[]?07k \R9IXTAL I：奠
XTAL OUT6
NRST -C15 104V |NRST 7
DGND.I
PA0 ^
8
9
10 PA111 PA212 PA3 LED13 SHI NSS14 SHI SCK15 SHI MSO16 SHI M>SI17 PBO18 PB1 19 ------R12BOOT1 20 ------1m io21
PBll22體—丨丨23
3V3VBAT
PC13-A]SITI_TAMP
PC14-OiSC32_IN
PC15-OSC32_OUT
XTAL-IN
XTAL-OUT
NRST
VSSA
VDDA
PAO-WKUP
PA1
PAi;USART2_TX
PA3/USART2_RX
PA4/SHl_NSf
PA5/SH1_SCK
PA6/SHl_MSO
PA7/SH1_MDSI
PB0/ADCJN8
PB1/ADCJN9
PB2B00T1
PB 10/I2C2_SCL/USART 3_TX
PB 11/I2C2_SDA/TFSART 3_RX
VSS_1
VDD 1
VDD_3
VSS_3
PB9/TIM4JCH4
PB8/TIM4JCH3
booto
PB7/I2C l_SDAyTIM4_CH2
PB6/I2C l_SCL/TIM4jCm
ffi5/I2Cl_SMBAI
PB^JTRST
PB3/^DO
PA15/JTDI
PA14JTCK-SWCLK
VDD_2
VSS_2
PA13/JTMS-SWD；T t
PA12/TJSBDP
PA11/USBDM
PA10/USART 1_RX
PA9/USART 1_TX
PA8/USART ljCLK
roi5/SH2_MDSI
PB13/SM2_SCK
PB12/SPI2 NSS
46 PB9
45 PBS
44 BOOT。
43 PB7
40 PB4
39 PB3
38 PA15
37 SwClk
33 PA12
32 PA11
31 UART1 RX PA 10
汽车的30UART1TX PA9
27 PB14
26 PB13
25 PB12
图1 M C U原理图
2.2改进型超声波传感器模块设计
本文采用自主设计的改进型超声波传感器模 块，结合了气体压强传感器和温湿度传感器，MCU 采集避障信息的同时也采集了空气的温湿度和大气压强，并将温湿度和气体压强作为障碍物距离的 因子，使的系统不仅能够准确的探测到障碍物，而 且能够精确地计算出小车与障碍物的距离。图2 为改进型超声波传感器模块的部分电路图。
图2
改进型超声波传感器模块的部分电路图
2017年第3期计算机与数字工程551
3系统软件设计与流程设计
目前，常采用的控制器主要有模糊控制器、最 优化控制器以及位置式P ID控制器和增量式PID 控制器等。其中传统的控制器包括位置式P ID控 制器和增量式P ID控制器和最优化控制器，它们大 部分应用于控制对象都可以用一个精确的数学模 型来描述的情况，由于循迹避障小车受路面粗糙 度、电机特性、机械的特性等因素的影响，导致整个 系统的被控制对象难以用一个精确的数学模型来 描述，整个系统表现为高度的非线性和未知性。若 用传统的控制算法必须建立在精确的数学模型上，而若采用某个固定的控制算法就会降低系统的灵 活度和应急能力，难以达到理想的控制效果，甚至 会使整个系统出现崩溃的极端状况。
模糊控制器不需要被控制对象拥有精确的数 学模型，并且其控制算法具有灵活性强，鲁棒性好，且在系统呈现非线性、滞后性等复杂的控制系统中 具有明显的优势。因此，本文采用模糊逻辑控制策 略实现智能小车的循迹避障功能[1°~13]。小车控制 系统结构图如图3所示。
图3控制系统结构图
3. 1智能小车模糊控制器的软件设计
智能循迹避障小车控制的目的是协调好小车 的前进速度和行驶方向，在规定的循迹引导线上能 有效、快速地避开障碍物并以最优化的速度达到目 的地，因此本文主要是对智能小车行驶方向和循迹 避障的控制策略研究。
3.1. 1智能小车转向模糊控制器的设计
由于循迹避障小车的运动数学模型难以建立，因此在对小车的转向控制算法上采用了模糊控制 器。小车采用的是双输入单输出结构的模糊控制 器，输入量分别取为小车车体各个超声波传感器采 集的车体距离障碍物距离信息D，智能车相对路径 中心线的方向偏差角度A，输出量变为舵机期望转 角B，智能小车转向控制模糊控制器的设计，严格 按照模糊控制器的设计步骤进行设计。模糊控制 器设计流程图如图4所示。
清晰化
输出
图4模糊控制器设计流程图3. 1. 2输入输出变量的模糊化
模糊控制的精度与变量的量化等级有关，等级 越高，精度就越高，但是整体的运算量也会增加，因将三个语言变量的量化等级取为7级。并将D、A、B模糊集论域都取为7个模糊子集：{一6, 一4, —2,0,2,4,6}，即N B(负大）、N M(负中）、N S(负 小）、ZE(零）、PS(正小）、PM(正中）、PB(正大）。对 D、A、B代表的意思有所不同。
D>0表示智能小车行驶方向相右方距离障碍 物的距离，D=0表示智能小车行驶方向相前方距 离障碍物的
距离，D<0表示智能小车行驶方向相 左方距离障碍物的距离。
A>0表示智能小车相对循迹引导线的右偏，
表示智能小车在循迹引导线上，A<0表示智 能小车相对循迹引导线的左偏。
表7K航机右拐，表t K航机左拐，B =〇表示舵机打正不改变小车行驶方向。
在避障小车运行过程中，考虑到系统偏差的产 生是随机的，同时为简化计算，降低编程难度，输入 输出变量的模糊子集的隶属度函数均采用三角函 数的，模糊变量根据人的驾驶经验进行赋值，得到 模糊集论域中各元素从属于各模糊子集的隶属度，如图5所示。
图5各模糊子集的隶属度
3. 1. 3确定模糊控制规则
当小车自动行驶时，通过改进型超声波传感器 和红外循迹传感器不停地对当前车体周围情况和 与循迹引导线的相对位置情况做出判断，当障碍物 距离信息和偏差出现时通过调整小车的舵机的转 角使小车体尽快避开障碍物并快速地回到正常的 循迹引导线上行驶，小车在做出变向调整时，实际 上是先在前方循迹引导线上选择某个期望点，并使 智能小车按照一定的行驶轨迹到达期望点。在到 达期望点处的
同时使车体恢复到完全沿循迹引导 线运行的状态，期望点的选取与当前车体周围障碍 物的距离D和相对循迹引导线的偏差A有关，当车体距离障碍物越近也就是D
越小或者和循迹引
552吕闪等I基于STM32的循迹避障智能小车的设计第45卷导线之间的距离偏差A大时，期望点选得远，故舵
机转向角越大。根据上述并结合人在平常生活中
的驾驶经验确定如表1的模糊控制规则表。
表1模糊控制规则表
PB P M PS Z E N S N M N B
PB N B N B N B N B N B N M ZO
P M N B N B N M N M N M ZO P M
PS N B N M N S N S Z E P M PB
Z E N B N M N S Z E PS P M PB
N S N B N M Z E PS PS P M PB
N M N M Z E PS P M P M PB PB
N B Z E P M PB PB PB PB PB
本文归纳出49条模糊控制规则。全部模糊控
制规则采用：If((D=A:)&&(A=A r)) Then (灶
=马）的形式，其中z，7，m，的取值为{1，2,3,4,5, 6,7}&模糊控制规则表的内容如表1所示s
4系统测试与误差分析
在智能小车设计实现过程中，对实验小车进行 了多次现场测试，以提高小车的实用性及对障碍物 的感知能力。在模拟实验中，试验了小车可能遇到 的各种障碍物情况，同时对智能小车的障碍物感知 能力、环境探测能力、运动能力等关键模块进行了 测试验证。
智能小车避障误差分析如下：
1)避障测距实验：本文设计的改进型超声波 传感器的测量范围是〇. 〇2m〜1. 50m，测量精度设 置为lc m，测M距离时保证传感器与障碍物无直接 接触，数据显示在T F T彩屏上。测量结果如图6所示，可以得出在测量范围内测量的误差基本满足 要求,
示，设置两个如图位置的障碍物，小车默认直线前 进，起始点为A(()，()），0标点为B(—100，1300)。从 实验结果可以看出，小车具有自动避障功能。
x方向
图7小车避障路径图
5结语
本文主要对智能小车的避障系统进行了设计，小车利用改进型超声波传感器对周围环境信息进 行采集分析，同时利用模糊控制器的处理，实现了 小车的自动避障，保证小车能够在各种不同情况下 实现避障，通过程序仿真及实际验证表明，小车能 够在不同环境中实现自主避障，从而大大提高了小 车的实用价值，可以应用于现代物流、无人驾驶汽 车、无人工厂、服务型机器人等诸多领域。
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