基于STM32的自走迷宫小车设计

原创于 2025-01-05 10:10:19 发布 · 1.2k 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

引言
系统设计
1. 硬件设计
2. 软件设计
系统功能模块
1. 环境感知模块
2. 控制与驱动模块
3. 算法模块
控制算法
1. 迷宫探索算法
2. 自适应控制算法
代码实现
1. 传感器数据采集模块实现
2. 小车运动控制模块实现
系统调试与优化
结论与展望

1. 引言

自走迷宫小车是一种能够自主探索迷宫并寻找出口的机器人。传统的迷宫解法通常依赖于人工操作或预设路径，而自走迷宫小车则通过传感器获取周围环境信息，并利用特定的算法自主规划路径。此类小车广泛应用于机器人竞赛、教育领域及自主导航技术研究。

本文设计了一款基于STM32的自走迷宫小车。系统通过红外传感器探测周围环境，并使用迷宫解法算法（如右手法则或深度优先搜索算法）进行迷宫探索和导航。通过PWM控制小车的运动，实现自主避障与路径规划。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

系统硬件主要由以下部分构成：

主控芯片：STM32F103单片机，负责数据采集、处理、决策与控制。
传感器模块：
- 红外避障传感器：用于检测前方障碍物，帮助小车避开墙壁。
- 超声波传感器：用于测量前方障碍物的距离，判断迷宫的路径。
驱动模块：电机驱动板，通过PWM信号控制直流电机的运动，驱动小车前进或转向。
电池：为小车提供电源。
电机与轮子：驱动小车前进或转弯。
编码器：用来获取车轮的转动信息，帮助小车更精确地控制运动。

2.2 软件设计

软件部分包含数据采集、控制决策、运动控制等模块：

传感器数据采集模块：采集红外避障传感器和超声波传感器的数据，提供小车当前周围的环境信息。
控制决策模块：根据传感器数据决定小车的运动方向（前进、左转、右转、后退）。
运动控制模块：根据控制决策驱动电机运动。
迷宫算法模块：实现迷宫解法算法（如右手法则或深度优先搜索）来帮助小车寻找迷宫出口。

3. 系统功能模块

3.1 环境感知模块

环境感知模块主要包括红外避障传感器和超声波传感器，用于探测周围的障碍物，帮助小车决定如何移动。

红外传感器：用于检测小车前方、左右的墙壁情况。
超声波传感器：通过测量与障碍物的距离来判断小车的移动路径。

3.2 控制与驱动模块

控制与驱动模块通过电机驱动板控制小车的运动。小车的运动是通过PWM信号控制电机的转速与方向。

前进与后退：通过正反转控制小车的运动方向。
左转与右转：通过分别控制两个电机的转速来实现转向。

3.3 算法模块

该模块实现迷宫的探索算法，如右手法则、深度优先搜索等。迷宫探索的核心在于对周围环境的感知以及如何根据这些感知数据做出行动决策。

4. 控制算法

4.1 迷宫探索算法

右手法则是一种简单而有效的迷宫解法算法。基本思路是将右手保持在墙壁上，不断沿着墙壁移动，最终会找到出口。算法步骤如下：

如果前方没有障碍物，则继续前进。
如果前方有障碍物，则判断右侧是否可以转弯。
如果右侧无障碍，则右转继续前进。
如果右侧也被阻挡，则左转或后退。
重复此过程直到找到出口。

4.2 自适应控制算法

控制算法依据传感器的反馈调整小车的运动策略。通过调整电机的转速和方向，小车能够在复杂环境中自适应地进行运动。

5. 代码实现

5.1 传感器数据采集模块实现

// 超声波传感器数据采集
#define ECHO_PIN GPIO_PIN_0
#define TRIG_PIN GPIO_PIN_1

uint32_t read_ultrasonic_sensor() {
    // 发送触发信号
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 读取回声信号的时间
    uint32_t pulse_time = pulseIn(ECHO_PIN);  // pulseIn是一个模拟函数，用于测量脉冲宽度
    
    // 计算距离（单位：cm）
    return (pulse_time * 0.034 / 2);
}

// 红外传感器数据采集
#define LEFT_IR_PIN GPIO_PIN_2
#define RIGHT_IR_PIN GPIO_PIN_3

uint8_t read_ir_sensor(uint8_t sensor) {
    if (sensor == LEFT_IR_PIN) {
        return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, LEFT_IR_PIN);
    } else if (sensor == RIGHT_IR_PIN) {
        return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, RIGHT_IR_PIN);
    }
    return 0;
}

5.2 小车运动控制模块实现

// 小车前进
void move_forward() {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN1, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN2, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN1, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN2, GPIO_PIN_RESET);
}

// 小车后退
void move_backward() {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN2, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN2, GPIO_PIN_SET);
}

// 小车左转
void turn_left() {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN2, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN1, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN2, GPIO_PIN_RESET);
}

// 小车右转
void turn_right() {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN1, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_LEFT_PIN2, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, MOTOR_RIGHT_PIN2, GPIO_PIN_SET);
}

5.3 主函数实现

int main() {
    // 初始化硬件模块：传感器、电机、GPIO等
    HAL_Init();
    sensor_init();
    motor_init();
    
    while (1) {
        uint32_t distance = read_ultrasonic_sensor();
        uint8_t left_obstacle = read_ir_sensor(LEFT_IR_PIN);
        uint8_t right_obstacle = read_ir_sensor(RIGHT_IR_PIN);
        
        if (distance < 10) {
            move_backward();  // 如果前方有障碍物，后退
        } else if (!left_obstacle) {
            turn_left();  // 如果左侧没有障碍物，左转
        } else if (!right_obstacle) {
            turn_right();  // 如果右侧没有障碍物，右转
        } else {
            move_forward();  // 没有障碍物，继续前进
        }
        
        HAL_Delay(100);  // 等待短时间后再进行下一次决策
    }
}