葛敬帅 王坤 朱庆雨 李朝龙 张硕 朱霞清
山东英才学院 工学院/电气工程及其自动化 山东 济南
摘要：本智能小车作为墙面清理类装置，首先具有的就是清理功能。根据需求在小车前方安装了吸尘装置，包括机架、安装在机架上的除尘器和风机、集尘箱。此外还有清理装置，用来清理蜘蛛网。本装置还具有在墙上循迹避障的功能。系统采用STM32F103C8T6芯片做为控制器，负责处理、分析采集到的数据，得到结果后通过控制L298N电机驱动间接改变车辆移动状态，通过线性CCD镜头寻找轨迹，通过对返回数据进行处理分析，从而实现复杂路线的行驶。
关键词：智能小车;循迹避障;墙面清理
引言：近年来，随着自动化技术的发展及成熟，越来越多的领域开始引入自动化技术。智能小车在各个领域都有广泛的应用前景：它可以代替人类完成恶劣环境下的货物搬运、设备检测等任务。对智能小车而言,正确地行走在人们所设定的路线并避开障碍物是非常重要的，因此对于智能小车循迹避障系统的设计与研究显得尤为重要。与此同时，另一种小车：爬墙车也进入了人们的视野，其在墙上行走的功能让人叹为观止。本装置还吸收了清理的功能，扫地机器人的功能只能用在地面上，那墙上又怎么清理呢？故设计了这种墙面清理多功能小车。本设计的目的就是将几种功能巧妙地结合到一起，以达到更加完善的效果。所以我认为对其的研究更是有有较高的应用价值，也同样具有现实意义。
1 系统总体构成
本文设计的小车主要由以下几个模块构成：单片机控制系统、行驶暂停电机、清理装置、吸附装置，系统构成图如下所示
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图1墙面清理智能小车总体构成图
首先，车身底部的电动机告诉驱动风机叶轮旋转使空气高速排出车身，空气不断补充到风机系统中，致使车身内部产生瞬时真空和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，爬墙车紧紧吸附在墙壁、玻璃平面上，从而达到车子爬墙的效果。而基于STM32的智能小车寻迹避障系统硬件设计的研究重点包括小车的智能寻迹电路设计，复杂环境下的避障。智能小车寻迹避障系统采用STM32F103C8T6芯片做为控制器。系统包括轨迹识别模块电路、障碍物识别模块电路、直流电机驱动模块电路、单片机最小系统等电路。各个模块采集到的信息输送至STM32控制器，由控制器负责处理、分析采集到的数据，得到结果后，通过控制L298N电机驱动模块控制电机输出转速，改变车辆移动状态。
2系统硬件组成与实现设计
2.1循迹避障控制模块
智能小车寻迹避障系统采用STM32F103C8T6芯片做为控制器。系统包括轨迹识别模块电路、障碍物识别模块电路、直流电机驱动模块电路、单片机最小系统等电路。
2.2吸附装置
爬墙车之所以能吸附在光滑的墙壁上，主要是靠着真空负压原理，依赖车身内先进的离心式风机系统，由车身底部的电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而车身底部的空气不断地补充到风机系统中，致使车身内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，爬墙车紧紧吸附在墙壁、玻璃等平面上，从而达到使爬墙车附着在墙面等垂直或水平平面上的效果。
2.3清理装置
在小车前方安装了吸尘装置，包括机架、安装在机架上的除尘器和风机、集尘箱。此外还有清理装置，用来清理蜘蛛网。
机架：用来固定除尘器、风机、集尘箱等。
除尘器：含尘气体由下部敞开式法兰进入过滤室，较粗颗粒直接落入灰仓，含尘气体经滤袋过滤，粉尘阻留于袋表，净气经袋口到净气室，由风机排入大气。当滤袋表面的粉尘不断增加，程控仪开始工作，逐个开启脉冲阀，使压缩空气通过喷口对滤袋进行喷吹清灰，使滤袋突然膨胀，在反向气流的作用下，赋予袋表的粉尘迅速脱离滤袋落入灰仓，粉尘由卸灰阀排出。
风机：风机是依靠输入的机械能提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。
清理装置：用作清理蜘蛛网。
2.4系统驱动模块
1.12v输入和电源地接2节18650供电。
2.单片机输入输出控制输入接最小系统版的4个输入输出口，再写程序控制这几个输入输出口。
3.OUT1和OUT2是一对，分别接小车一侧电机两级，至于电机的两级具体该怎么接，等后面我们设置完程序运行后，要使它们转动的方向一致就行了。OUT3和OUT4同理。
4.我们通过IN1,IN2,IN3,IN4分别控制OUT1,OUT2,OUT3,OUT4。其中IN1,IN2,IN3,IN4与单片机连接，设置他们的高低电平即可完成对电机驱动简单的控制。
工作方法：首先我们将OU1和OUT2分别接电机的两极，这时我们控制单片机使输入端IN1接入高电平，则相应的OUT1端也就变为高电平；将IN2接入低电平后相应的OUT2也就变为低电平，OUT1和OUT2间有了电位差，这样电机就能转起来了，很简单。
系统包括轨迹识别模块电路、障碍物识别模块电路、直流电机驱动模块电路、单片机最小系统等电路。各个模块采集到的信息输送至STM32控制器，由控制器负责处理、分析采集到的数据，得到结果后，通过控制L298N电机驱动模块控制电机输出转速，改变车辆移动状态。
3系统软件设计
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图2 STM32基本功能模块
STM32就是意法半导体公司 设计推出的 以 ARM Cortex-M 为内核的32位控制器。Cort内核属于 ARM 公司 设计的 “A”、R”、 “M” 系列处理器当中的 “M” 系列内核其中，'A' 系列内核面向于基于虚拟内存的操作系统和用户应用，“R”系列内核针对实时系统，而“M”系列内核是基于微控制器的，接下来我们所学习的正是这一款处理器。全世界超过95%的智能手机和平板电脑都是采用的 ARM 的架构，所以它的市场占有量是很庞大的。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C。 STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位的Cortext M3内核的单片机，2.0～3.6 Ｖ的宽电压供电范围，CPU工作频率最大可达72 MHz，具有单周期的乘法指令和硬件除法，以及优先级可编程的中断系统。同时它还具有64 KB的Flash存储器与20 KB的SRAM存储器，另外还集成了非常丰富的片内外设，如看门狗、定时器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、IIC接口等，具有成本低、速度快、性价比高等优点。
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图3 电源模块
TIM1的CH1和CH2输出PWM控制一个轮子的转速。TIM1的CH3和CH4控制一个轮子的转速。TIM4的CH1和CH2控制一个轮子的转速。TIM4的CH3和CH4控制一个轮子的转速。每一个轮子都可以独立的控制正转，反转和速度。避障模块用3个引脚，寻迹模块用3个引脚，测速模块用4个引脚(定时器的捕获功能)用于检测每个轮子的转速，PB10到PB15用于2.4G的无线通信模块
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图5 指示灯
4 结语
本智能小车可以同时具有多种功能。作为墙面清理类装置，首先具有的就是清理功能，考虑到墙上不如地上垃圾种类，主要是蜘蛛网、灰尘。根据需求在小车前方安装了吸尘装置，包括机架、安装在机架上的除尘器和风机、集尘箱。此外还有清理装置，用来清理蜘蛛网。本装置还具有在墙上循迹避障的功能。
首先，车身底部的电动机告诉驱动风机叶轮旋转使空气高速排出车身，空气不断补充到风机系统中，致使车身内部产生瞬时真空和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，爬墙车紧紧吸附在墙壁、玻璃平面上，从而达到车子爬墙的效果。而基于STM32的智能小车寻迹避障系统硬件设计的研究重点包括小车的智能寻迹电路设计，复杂环境下的避障。系统采用STM32F103C8T6芯片做为控制器，负责处理、分析采集到的数据，得到结果后通过控制L298N电机驱动间接改变车辆移动状态，通过线性CCD镜头寻找轨迹，通过对返回数据进行处理分析，从而实现复杂路线的行驶。智能小车寻迹避障系统采用STM32F103C8T6芯片做为控制器。系统包括轨迹识别模块电路、障碍物识别模块电路、直流电机驱动模块电路、单片机最小系统等电路。各个模块采集到的信息输送至STM32控制器，由控制器负责处理、分析采集到的数据，得到结果后，通过控制L298N电机驱动模块控制电机输出转速，改变车辆移动状态。
理论意义
1.该装置从各功能模块到总体设计都分别从硬件和软件各个方面进行了可靠性的设计，保证系统的运行可靠。
2.新的设计弥补了作业期间受其他智能家居的影响。
3.整个装置适应性强，使用范围广，并且不会产生电磁辐射。
应用价值
1.该产品适应性强、易于推广，并且具有极高的应用前景。
2.该产品具有硬件成本低廉、电路设计简单、无电磁辐射等优点，可适于各种类型的住宅和人群，为人们在日常生活中清扫房间提供了便利。
主要参考文献
[1]朱伟枝 杨亚萍 戴金龙.基于STM32的智能小车自动循迹及倒车入库设计.广东：广东理工学院.2020.
[2]陈福彩.基于STC89C52单片机的智能寻迹避障小车.东营：东营职业学院.2019.
[3]谭克银.多自由度真空吸附式爬墙机器人系统研究.重庆：重庆交通大学.2018.
谢浩.多足爬墙机器人运动控制及步态规划研究.广东：华南理工大学.2015.
注：2020年校级大学生创新创业训练项目(2020YCXC027)
山东英才学院校级科研课题大学生专项(20YCKYXS21)