基于STM32的无人驾驶车辆系统

news2024/11/16 13:44:39

1. 引言

随着无人驾驶技术的发展，嵌入式系统在无人驾驶车辆中的应用变得越来越重要。STM32作为高效、低功耗的微控制器，能够处理各种传感器数据并控制车辆的运动。本文将介绍如何基于STM32开发一个简单的无人驾驶车辆系统，涵盖传感器数据采集、路径规划和车辆控制等方面。

2. 项目背景

无人驾驶汽车系统依赖于各种传感器和控制算法，以实现自动驾驶、路径规划和障碍物检测。传统的无人驾驶车辆往往采用复杂的硬件和高功耗计算系统，而通过STM32微控制器，可以构建一个低成本、低功耗的无人驾驶原型系统，适用于教育、科研和小型项目开发。

3. 环境准备

硬件准备

STM32开发板：STM32F407或类似的微控制器
超声波传感器：用于障碍物检测（如HC-SR04）
红外线传感器：用于检测道路边缘
电机驱动模块：用于控制车辆运动（如L298N电机驱动模块）
DC电机和轮子：用于驱动车辆
摄像头模块（可选）：用于视觉检测
电池：为系统供电

软件安装与配置

Keil uVision：用于编写、编译和调试代码。
STM32CubeMX：用于生成STM32外设配置代码。
ST-Link Utility：用于将编译好的代码下载到STM32开发板中。

步骤：

下载并安装Keil uVision。
下载并安装STM32CubeMX。
下载并安装ST-Link Utility。

4. 系统设计

系统架构

无人驾驶系统的架构分为三个核心模块：

环境感知模块：通过传感器采集环境数据，包括超声波传感器用于障碍物检测，红外传感器用于检测道路边缘。
路径规划与避障模块：根据传感器数据进行路径规划和障碍物回避，通过控制电机调整车辆方向。
控制与反馈模块：负责车辆的运动控制，包括电机的启停、速度调节及方向控制。

关键技术

传感器数据采集与融合：通过多个传感器采集环境信息，进行数据处理和融合，获取更精确的感知结果。
路径规划与避障算法：通过简化的避障算法（如基于规则的算法或A*路径规划），实现车辆的自动导航与避障功能。
实时控制与反馈：根据路径规划结果实时调整车辆的运动控制，确保车辆能够准确避障并沿正确路径行驶。

5. 代码示例

传感器数据采集与处理

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 超声波传感器初始化
void Ultrasonic_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    // 开启超声波传感器引脚时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // 初始化触发引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 初始化回声引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 读取超声波传感器数据
uint32_t Read_Ultrasonic(void) {
    // 触发超声波传感器发出信号
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);  // 10微秒触发脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 等待回声返回
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_2) == GPIO_PIN_RESET);
    uint32_t start_time = HAL_GetTick();
    
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_2) == GPIO_PIN_SET);
    uint32_t end_time = HAL_GetTick();
    
    // 根据时间计算距离（声速为340 m/s）
    uint32_t distance = (end_time - start_time) * 340 / 2;  // cm为单位
    return distance;
}

路径规划与避障控制

// 初始化电机驱动模块
void Motor_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    // 配置电机驱动引脚
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4;  // 电机驱动引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 停止电机
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
}

// 控制电机前进
void Motor_Forward(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);  // 正向转动
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);  // 停止反向
}

// 控制电机后退
void Motor_Backward(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);  // 反向转动
}

// 简单避障算法
void Avoid_Obstacle(void) {
    uint32_t distance = Read_Ultrasonic();
    
    if (distance < 20) {
        Motor_Backward();  // 距离障碍物小于20cm，后退
        HAL_Delay(1000);
        // 此处可以添加更多路径调整逻辑，例如转弯
    } else {
        Motor_Forward();  // 距离安全，前进
    }
}

实时反馈与控制系统

int main(void) {
    HAL_Init();
    Ultrasonic_Init();
    Motor_Init();
    
    while (1) {
        Avoid_Obstacle();  // 实时避障
        HAL_Delay(100);  // 循环延迟
    }
}