基于STM32的气垫悬浮车系统设计

时间：2024-05-04

邱萌萌，刘瑞，徐林，陈俊

（安徽机电职业技术学院电气工程学院，安徽芜湖 241000)

0 引言

随着现代装备制造业的日益发展，尤其是航天、船舶、电子、运输业的不断进步，装备制造行业对气垫承载系统的需求显得格外重要，本文设计并制作完成具有悬浮技术的可寻迹气垫悬浮车，对电动小车可实现悬浮移动、超声波避障、语音模块等功能。

1 气垫悬浮车硬件设计

1.1 系统的整体设计

本系统主要由STM32F103ZE 单片机、语音模块、路面引导模块、避障模块、电机驱动模块、高速轴流风机、高速轴流风机（气垫效应）、电源模块等组成。气垫悬浮车系统框图如图1所示。

图1 气垫悬浮车系统框图

1.2 气垫悬浮车系统硬件模块的选定

1.2.1 主控制器模块

方案一：主控采用STM32F103ZET6 单片机。优点：除了新增功能增强外设接口外，STM32互联络列还提供与其他STM32单片机相同的规范接口[1]。这种外围通用性提高了整个产品系列的应用灵敏性，使开发人员能够在多个设计中反复使用相同的软件。新STM32 的规范外设包括10 个定时器、两个12 位1-msample/s 模数转换器（交织模式下2-msample/s)、两个12 位模数转换器、两个I2C 接口、5 个USART 接口和三个SPI 端口。新产品的外设有12个DMA通道和一个CRC 计算单元。与其他STM32 微控制器一样，它支持96 位唯一识别码。缺点：STM32 是运行指令的，合适运行算法，但对于多路信号处理，需要很多DSP进行并行处理。

方案二：主控采用K210。优点：1) 乘除法指令，给单片机开发者的编程工作带来了很大的便利。很多的8位单片机并不具备乘法相应功能，如需作乘法功能，还需要编辑出一段调用程序，非常不便。2)在RAM区域中能够开辟一个双重功能的地址区间，能够灵活使用，给单片机开发工程师带来了极大的便利。3) 操作系统是一整套完整的软硬件组合，又称作为“位处理器”。处理的对象是位而不是字节，能够对单片机内部的寄存器中的传送、测试、清零、位置等数据进行处理，且还具备对位的逻辑运算功能。缺点：需要增加外围功能，例AD/EEPROM/PWM 等扩展功能，会增加硬件与软件的开发难度;I/O 口在高电平时无法输出。

结合考虑功耗、精度等因素，本系统采用方案一。最小系统图如图2所示。

图2 STM32F103ZET6 最小系统原理图

1.2.2 语音模块

方案一：LU—asr01。优点：1) 10 米超远距离唤醒。2)98%超高识别率。3)最多自定义5个唤醒词，100个识别词。4)一键烧录功能，无需任何下载器，一根USB线直接烧录。5)自带3W 功放，可外接4Ω/3W扬声器。缺点：需要制作平台，需要不断地调试[2]。

方案二：JR6001 语音播放模块优点：自带USB 接口，能够灵活地更换SPI内的语音形式，相对传统芯片无需连接上位机更替语音。缺点：需要成熟的指令及职业的配套上位机[3]。

综合考虑两种方案的优缺点，选择方案一，LU—asr01实物图如图3所示。

图3 LU—asr01 实物图

1.2.3 寻迹模块

方案一：TCRT5000红外寻迹。优点：只用于接收信号，较小的功耗，性价比很高。缺点：1)易受不同热源和太阳光源干扰。2)容易被其他信号源干扰。3)器件灵敏度会受到环境温度影响，较差的环境可能会出现失灵状况[4]。

方案二：PID 摄像头寻迹模块。优点：作用距离远，检测精度高，范围广，可靠性好，基本不会出现检测不到轨迹的状态。缺点：抗干扰能力弱，易被光源干扰，采集数据较大，需要占有MCU的大量资源。

综合考虑循迹的性价比、重量等，采用方案一。电路图如图4所示。

图4 TCRT5000电路图

1.2.4 避障模块

方案一：HC—SR04超声波模块。优点：通过超声波实现距离检测，检测频率高，方向性好，尤其对固体、液体检测灵敏度高，穿透能力强[5]。

缺点：超声波传感器易受其他接近频率的影响，但其他机器也会发出这样的频率噪声，引起传感器接收到错误的信号。且多个超声波传感器之间的发射和接收信号会相互交叉干扰。

方案二：DADISICK激光避障模块。优点：激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好等优势。其工作原理是向目标物体发送探测信号（激光束），将目标发射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，进行相关处理并获取目标的准确信息（目标距离、方位、高度及速度等参数），从而对目标进行探测、识别等。缺点：成本太高，检测时忽略远处的小物体，存在识别盲区。

综合考虑采用方案一，更适合本设计的选用。超声波避障原理如图5所示。

图5 HC—SR04超声波避障原理图

1.2.5 高速轴流风机（动力风机）

方案一：CZ3457 高速轴流风机优点：它是经过涡轮型的散框多荆条改变风方向，同时这个荆条是弧形状的，经过软件设计模拟，使风扇的风呈螺旋式的吹出，从而达到了方向成直线，它的特点是负压大，吹得远。缺点：负压大，吹得远，但是噪声、功率大一些[6]。

方案二：步进电机优点：应用简单，无需调试参数，性价比高。

缺点：有矩频特性，运行速度不能太高，开环控制，出现丢步时无法及时检测。

综合考虑采用方案一,能够提供足够的动力使车体悬浮。高速轴流风机实物图如图6所示。

图6 CZ3457高速轴流风机实物图

1.2.6 高速轴流风机（气垫效应）

方案一：AFB1224SHE 台达轴流风机，优点：体积小，内部风叶可改变角度，用于降低负荷。缺点：风压不高，内部风叶角度的改变较为复杂，维护复杂，相对工作效率不高。实物图如图7所示。

图7 AFB1224SHE台达轴流风机实物图

方案二：泰阳直流风机

优点：具有高智能、高节能、高效率、寿命长、振动小、噪声低以及可连续不间断工作等特点，损耗小效率高。低音运转、安静无尘，EC风机在降噪方面具有明显优势，相比普通风机，带来洁净的同时无噪声困扰。缺点:EC风机制造比较贵、后期维护复杂。

综合考虑采用方案一，可带来足够的动力。

1.2.7 电池模块

方案一：普通锂电池。优点：锂电池电压高，能量比比较高具有高储存能量密度；重量轻，高低温适应性强；绿色环保。缺点：锂电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险；锂电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。由于有Type-C接口可采用移动电源供电。

方案二：航模锂电池。优点：我们选用的电池有高达2200ma的容量，安全性能良好；重量轻；大容量；更好的放电特性。

综合考虑采用方案二。

1.2.8 直流调压器模块

方案一：8XL4016EL 直流调压器模块。优点：具有多种电压、电流控制模式，不仅可以自动控制，而且具备手动调节控制，输出电压线性可调，精度高，抗干扰能力很强。缺点：体积大，笨重且效率较低。

方案二：XL6019可调升压电源模块。优点：小体积高可靠性输出稳定化，精度±3%，高性能价格比，内置多个输入输出电压，输入滤波器，低电磁兼容特性。缺点：输出调节精度低，电感值过小，存储能量不足，导致电压升不上去，电感值过大，导致负载响应速度变慢，因此，电感需要选择合适的值。

综合考虑采用方案一，符合输出调节高精度要求。直流调压器模块电路图如图8所示。

图8 8×l4016e1直流调压器模块电路图

1.2.9 电机驱动模块

方案一：L298N 电机驱动模块。优点：工作电压高、输出电流大、驱动能力强、发热量低、抗干扰能力强。缺点：发热量比较大。

方案二：TBB6612FNG 电机驱动模块。优点：具有高效的电流控制能力，可以实现高速和高精度的电机控制；具有过热保护和过流保护功能，可以保护电机和驱动器的安全；具有多种控制模式，可以满足不同应用场景的需求。缺点：输出电流有限不能控制大功率电机。需要外部电源供电，增加了电路设计的复杂度，需要一些软件编程。

综合考虑采用方案一，上手简单性价比高。L298N电机驱动模块实物图如图9所示。

图9 L298N电机驱动模块实物图

2 软件设计

2.1 程序功能描述

功能描述：

1) 在图10 所示测试赛道上不摆放障碍物，将气垫悬浮车放在启/停点上一键启动后，气垫悬浮车能在启/停点缓慢升起，悬浮高度大于2mm，悬停时间大于2s。2) 气垫悬浮车由启/停点出发，沿测试赛道逆时针方向完成寻迹运行一周后，停在启/停点上。要求运行时间小于180s，超时停止测试。3)完成气垫悬浮车在标识线A与标识线B之间往返运行控制，气垫悬浮车由A点沿测试赛道逆时针方向出发，到达B后返回到A，再由A折返到B，最终停在启/停点上。要求运行时间小于120s，超时停止测试。

图10 赛道图

2.2 程序流程图

气垫悬浮车控制系统由12V的航模锂电池供电，由于使用过程中电池电压衰减，因此加了升压模块稳定输出12V，系统一上电，单片机和高速轴流风机（气垫悬浮）同时得电，同时单片机上电后，对应的语音模块、红外扫描寻迹模块、OLED 显示模块、超声避障模块等得电工作，红外传感器扫描赛道获取信号值，单片机经计算处理开始寻迹功能，超声避障模块启动同时实时监控前方是否有障碍物，从而进行避障功能；在寻迹过程实时状态，由OLED屏进行显示，并通过语音模块进行播报。其流程图如图11所示。

图11 程序设计流程图