基于STM32开发的简易自动驾驶系统

目录

1. 引言
2. 环境准备工作
   • 硬件准备
   • 软件安装与配置
3. 系统设计
   • 系统架构
   • 硬件连接
4. 代码实现
   • 系统初始化
   • 传感器数据采集与处理
   • 电机控制与转向
   • OLED显示与状态提示
   • Wi-Fi通信与远程监控
5. 应用场景
   • 简易自动驾驶演示
   • 智能车模型开发与学习
6. 常见问题及解决方案
   • 常见问题
   • 解决方案
7. 结论

1. 引言

随着自动驾驶技术的发展，智能车成为研究和开发的热点之一。本文将介绍如何使用STM32微控制器开发一个简易自动驾驶系统，通过超声波传感器、红外传感器、电机驱动模块、OLED显示屏、Wi-Fi模块等实现基本的自动驾驶功能。该系统可以用于智能车模型开发和演示，并提供简单的自动驾驶体验。

2. 环境准备工作

硬件准备

• STM32开发板（例如STM32F103C8T6）
• 超声波传感器（例如HC-SR04，用于检测障碍物距离）
• 红外传感器（用于检测道路或轨迹）
• 直流电机及驱动模块（例如L298N，用于驱动车轮）
• 舵机（用于控制转向）
• OLED显示屏（用于显示系统状态）
• Wi-Fi模块（例如ESP8266，用于远程控制与监控）
• 面包板和连接线
• USB下载线

软件安装与配置

• Keil uVision：用于编写、编译和调试代码。
• STM32CubeMX：用于配置STM32微控制器的引脚和外设。
• ST-Link Utility：用于将编译好的代码下载到STM32开发板中。

步骤：

1. 下载并安装Keil uVision。
2. 下载并安装STM32CubeMX。
3. 下载并安装ST-Link Utility。

3. 系统设计

系统架构

简易自动驾驶系统的核心是STM32微控制器，通过超声波传感器检测前方障碍物的距离，通过红外传感器检测道路的边缘或轨迹线，并通过电机驱动模块和舵机控制车轮的转动和方向。系统通过OLED显示屏显示当前行驶状态，并通过Wi-Fi模块实现远程监控和控制。

硬件连接

1. 超声波传感器连接：将HC-SR04超声波传感器的VCC引脚连接到STM32的5V引脚，GND引脚连接到GND，Trig和Echo引脚分别连接到STM32的GPIO引脚（例如PA0、PA1），用于测量障碍物距离。
2. 红外传感器连接：将红外传感器的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，信号引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA2、PA3），用于检测道路或轨迹线。
3. 电机与舵机连接：将直流电机的正极和负极连接到L298N电机驱动模块的输出引脚，控制引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA4、PA5），用于驱动电机和控制舵机方向。
4. OLED显示屏连接：将OLED显示屏的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，SCL和SDA引脚连接到STM32的I2C引脚（例如PB6、PB7），用于显示系统状态。
5. Wi-Fi模块连接：将Wi-Fi模块的TX、RX引脚分别连接到STM32的USART引脚（例如PA9、PA10），VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，支持远程控制和数据传输。

4. 代码实现

系统初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "ultrasonic.h"
#include "infrared.h"
#include "motor_control.h"
#include "servo.h"
#include "oled.h"
#include "wifi.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_I2C1_Init();

  Ultrasonic_Init();
  Infrared_Init();
  MotorControl_Init();
  Servo_Init();
  OLED_Init();
  WiFi_Init();

  while (1) {
    // 系统循环处理
  }
}

void SystemClock_Config(void) {
  // 配置系统时钟
}

static void MX_GPIO_Init(void) {
  // 初始化GPIO
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5; // 控制电机和舵机
  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);
}

static void MX_USART1_UART_Init(void) {
  // 初始化USART1用于Wi-Fi通信
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_I2C1_Init(void) {
  // 初始化I2C1用于OLED显示屏通信
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

传感器数据采集与处理

#include "ultrasonic.h"
#include "infrared.h"
#include "oled.h"

void Ultrasonic_Init(void) {
  // 初始化超声波传感器
}

float Ultrasonic_ReadDistance(void) {
  // 读取障碍物距离
  float distance = 0.0;
  // 调用超声波传感器接口读取数据
  return distance;
}

void Infrared_Init(void) {
  // 初始化红外传感器
}

bool Infrared_ReadLeft(void) {
  // 读取左侧红外传感器状态
  return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_2) == GPIO_PIN_SET;
}

bool Infrared_ReadRight(void) {
  // 读取右侧红外传感器状态
  return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) == GPIO_PIN_SET;
}

void OLED_DisplayStatus(float distance, bool leftDetected, bool rightDetected) {
  // 在OLED显示屏上显示传感器状态
  char displayStr[64];
  sprintf(displayStr, "Dist: %.2f cm\nLeft: %s\nRight: %s", 
          distance, 
          leftDetected ? "Yes" : "No", 
          rightDetected ? "Yes" : "No");
  OLED_ShowString(0, 0, displayStr);
}

电机控制与转向

#include "motor_control.h"
#include "servo.h"

void MotorControl_Init(void) {
  // 初始化电机控制模块
}

void MotorControl_Forward(void) {
  // 向前移动
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
}

void MotorControl_Stop(void) {
  // 停止移动
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
}

void Servo_Init(void) {
  // 初始化舵机
}

void Servo_SetAngle(int angle) {
  // 设置舵机角度
  // 示例：通过PWM信号控制舵机
}

OLED显示与状态提示

#include "oled.h"

void OLED_Init(void) {
  // 初始化OLED显示屏
}

void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char* str) {
  // 在OLED显示屏的指定位置显示字符串
  // 示例代码，需根据具体OLED库实现
}

Wi-Fi通信与远程监控

#include "wifi.h"

void WiFi_Init(void) {
  // 初始化Wi-Fi模块
}

bool WiFi_IsConnected(void) {
  // 检查Wi-Fi是否已连接
  return true; // 示例中假设已连接
}

void WiFi_SendStatus(float distance, bool leftDetected, bool rightDetected) {
  // 发送传感器状态到远程设备
  char statusMessage[128];
  sprintf(statusMessage, "Dist: %.2f cm, Left: %s, Right: %s", 
          distance, 
          leftDetected ? "Yes" : "No", 
          rightDetected ? "Yes" : "No");
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)statusMessage, strlen(statusMessage), HAL_MAX_DELAY);
}

void WiFi_ControlVehicle(int command) {
  // 远程控制车辆
  switch (command) {
    case 1:
      MotorControl_Forward();
      break;
    case 2:
      MotorControl_Stop();
      break;
    // 其他命令可以扩展
  }
}

主程序循环处理

在main函数的while循环中，系统将持续监测传感器数据，并根据数据自动调整电机和舵机的动作。系统还会通过OLED显示屏显示当前状态，并通过Wi-Fi模块发送传感器数据到远程设备，用户可以随时查看或远程控制车辆。

while (1) {
  // 读取传感器数据
  float distance = Ultrasonic_ReadDistance();
  bool leftDetected = Infrared_ReadLeft();
  bool rightDetected = Infrared_ReadRight();

  // 根据传感器数据控制车辆
  if (distance < 20.0) { // 如果前方障碍物距离小于20cm
    MotorControl_Stop();
    OLED_DisplayStatus(distance, leftDetected, rightDetected);
    if (WiFi_IsConnected()) {
      WiFi_SendStatus(distance, leftDetected, rightDetected);
    }
  } else if (leftDetected && !rightDetected) {
    Servo_SetAngle(-30); // 向左转
    MotorControl_Forward();
  } else if (!leftDetected && rightDetected) {
    Servo_SetAngle(30); // 向右转
    MotorControl_Forward();
  } else {
    Servo_SetAngle(0); // 直行
    MotorControl_Forward();
  }

  HAL_Delay(100); // 添加延时，避免频繁处理
}

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5. 应用场景

简易自动驾驶演示

本系统适用于自动驾驶技术的简易演示，可以展示自动避障、轨迹跟踪等基本功能。适合用于教育和科研项目，以及智能车模型的开发。

智能车模型开发与学习

本系统可以用于智能车模型的开发和学习，帮助学生和爱好者理解自动驾驶技术的基本原理和实现方法。通过扩展传感器和算法，可以进一步开发更复杂的自动驾驶功能。

6. 常见问题及解决方案

常见问题

1. 传感器数据读取不稳定：可能是传感器连接不当或受环境干扰。

   • 解决方案：确保传感器安装稳固，避免受到外界干扰。必要时校准或更换传感器。

2. Wi-Fi连接不稳定：可能是网络信号弱或Wi-Fi模块配置不当。

   • 解决方案：检查Wi-Fi模块的配置，确保网络环境良好。必要时更换信号更强的路由器或使用信号放大器。

3. 电机或舵机工作不正常：可能是驱动模块或电源模块故障。

   • 解决方案：检查电机、舵机和驱动模块，确保其正常工作。必要时更换损坏的元件。

解决方案

1. 传感器定期维护与校准：定期检查和校准传感器，确保数据的准确性。必要时更换故障传感器，避免因传感器故障导致系统工作异常。

2. Wi-Fi网络优化：根据实际情况优化Wi-Fi网络配置，确保系统能够稳定、快速地传输数据，避免网络延迟和信号中断，确保远程监控的实时性。

3. 系统定期测试与维护：定期测试传感器、驱动模块、OLED显示屏和Wi-Fi模块的工作状态，确保系统能够在各种情况下正常运行，并保持智能车辆的可靠性。

7. 结论

本文详细介绍了如何使用STM32微控制器及相关硬件和软件，开发一个简易自动驾驶系统。该系统能够通过传感器数据实现基本的自动驾驶功能，如自动避障和轨迹跟踪。用户还可以通过OLED显示屏查看当前状态，并通过Wi-Fi远程监控和控制车辆，为智能车模型开发、自动驾驶技术演示和学习提供了一个简单而有效的解决方案。