基于STM32的自学习走迷宫智能小车设计

引言

本项目设计了一个基于STM32的自学习走迷宫智能小车。小车通过多个超声波传感器、红外传感器等，检测周围障碍物和路径。它采用简单的强化学习算法，在不断探索的过程中自我调整路径，从而最终找到迷宫的出口。系统适用于智能机器人实验、教育以及竞赛项目，具备一定的自学习和智能导航能力。

环境准备

1. 硬件设备
  • STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
  • 超声波传感器（如 HC-SR04，用于检测障碍物）
  • 红外传感器（如 TCRT5000，用于检测迷宫路径线）
  • L298N 电机驱动模块（用于控制小车的电机）
  • 直流电机和车轮（用于小车行驶）
  • PWM 控制器（用于调节电机速度）
  • 蜂鸣器（用于路径发现提示）
  • OLED 显示屏（用于显示小车状态）
  • USB-TTL 串口调试工具
  • 电阻、杜邦线、面包板等基础电子元件
2. 软件工具
  • STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
  • Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
  • ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接
  • 超声波传感器连接：将 HC-SR04 的 Trig 和 Echo 引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA0 和 PA1），用于检测迷宫中的障碍物。
  • 红外传感器连接：将 TCRT5000 的输出引脚连接到 STM32 的 ADC 输入引脚（如 PA2），用于检测迷宫中的黑线路径。
  • 电机驱动连接：将 L298N 电机驱动模块的输入引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA3、PA4、PA5、PA6），用于控制小车的前进、后退、左转和右转。
  • 蜂鸣器连接：将蜂鸣器的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA7），用于路径发现和学习成功的提示。
  • OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示小车状态信息。
2. STM32CubeMX 配置
  • 打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
  • 配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
  • 配置 GPIO 引脚用于超声波传感器、红外传感器和电机控制。
  • 配置 I2C，用于与 OLED 显示屏通信。
  • 配置 TIM1 生成 PWM 信号，用于调节电机速度。
  • 生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。
3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写迷宫路径检测、碰撞避障、强化学习算法和小车运动控制的代码。以下是自学习走迷宫智能小车的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "ultrasonic.h"
#include "motor.h"
#include "infrared.h"
#include "oled.h"

// 定义一些控制参数
#define DISTANCE_THRESHOLD 20    // 障碍物距离小于 20 cm 时需要避障
#define LEFT_TURN_REWARD 1       // 左转奖励值
#define RIGHT_TURN_REWARD 2      // 右转奖励值
#define MOVE_FORWARD_REWARD 5    // 前进奖励值
#define COLLISION_PENALTY -10    // 碰撞惩罚值

// 函数声明
void System_Init(void);
void Detect_Obstacle(void);
void Follow_Path(void);
void Make_Decision(void);
void Move_Car(uint8_t direction);
void Display_Status(void);

// 全局变量
uint32_t distance = 0;   // 用于存储超声波测得的距离
uint8_t path_detected = 0;   // 路径是否检测到
int8_t reward = 0;  // 当前动作的奖励值

void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_TIM1_Init();
    
    OLED_Init();
    Ultrasonic_Init();
    Motor_Init();
    Infrared_Init();
    
    OLED_ShowString(0, 0, "Maze Solver Ready");
}

// 检测障碍物并避障
void Detect_Obstacle(void)
{
    distance = Ultrasonic_Measure();
    if (distance < DISTANCE_THRESHOLD)
    {
        Move_Car(2);  // 碰撞前退
        reward += COLLISION_PENALTY;
        HAL_Delay(500);
    }
}

// 检测路径
void Follow_Path(void)
{
    path_detected = Infrared_Detect();
    if (path_detected)
    {
        Move_Car(0);  // 沿线前进
        reward += MOVE_FORWARD_REWARD;
        Display_Status();  // 显示状态
    }
    else
    {
        // 选择随机动作
        Make_Decision();
    }
}

// 决策过程（左转或右转）
void Make_Decision(void)
{
    if (distance < DISTANCE_THRESHOLD)  // 遇到障碍物时需要决定转向
    {
        // 随机选择左转或右转
        if (HAL_GetTick() % 2 == 0)
        {
            Move_Car(1);  // 左转
            reward += LEFT_TURN_REWARD;
        }
        else
        {
            Move_Car(3);  // 右转
            reward += RIGHT_TURN_REWARD;
        }
    }
}

// 控制小车运动，0: 前进，1: 左转，2: 后退，3: 右转
void Move_Car(uint8_t direction)
{
    switch (direction)
    {
        case 0:  // 前进
            Motor_SetDirection(1, 1);
            Motor_SetSpeed(80, 80);
            break;
        case 1:  // 左转
            Motor_SetDirection(1, -1);
            Motor_SetSpeed(60, 60);
            break;
        case 2:  // 后退
            Motor_SetDirection(-1, -1);
            Motor_SetSpeed(80, 80);
            break;
        case 3:  // 右转
            Motor_SetDirection(-1, 1);
            Motor_SetSpeed(60, 60);
            break;
    }
}

// 显示状态信息
void Display_Status(void)
{
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Distance: ");
    OLED_ShowNumber(64, 0, distance, 4);
    OLED_ShowString(0, 1, "Reward: ");
    OLED_ShowNumber(64, 1, reward, 4);
}

int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        Detect_Obstacle();  // 检测并避障
        Follow_Path();      // 检测并沿路径行驶
        HAL_Delay(500);     // 每0.5秒更新一次状态
    }
}
4. 各模块代码
超声波传感器检测

通过超声波传感器检测小车前方障碍物的距离，确保小车能够避开障碍物：

#include "ultrasonic.h"

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

// 测量距离
uint32_t Ultrasonic_Measure(void)
{
    uint32_t distance = 0;
    uint32_t local_time = 0;
    
    // 发送 Trig 脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);  // 10 微秒脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 等待 Echo 的高电平并计算时间
    while (!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1));  // 等待 Echo 引脚变高
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1))    // 计算 Echo 高电平的时间
    {
        local_time++;
        HAL_Delay(1);  // 延时 1 微秒
    }
    
    // 计算距离 (声音速度 34000 cm/s)
    distance = (local_time * 0.034) / 2;  // 除以 2 是因为声音往返
    return distance;
}
红外传感器检测路径

通过红外传感器检测黑线路径，引导小车行驶方向：

#include "infrared.h"

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

// 检测路径
uint8_t Infrared_Detect(void)
{
    // 读取红外传感器输出，返回 1 表示检测到黑线，0 表示未检测到
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_2) == GPIO_PIN_SET)
    {
        return 1;  // 检测到路径
    }
    return 0;  // 未检测到路径
}
电机控制

通过 L298N 电机驱动模块控制小车的前进、后退、左转和右转：

#include "motor.h"

// 初始化电机
void Motor_Init(void)
{
    // 初始化 GPIO 和 PWM
}

// 设置电机速度
void Motor_SetSpeed(uint8_t left_speed, uint8_t right_speed)
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, left_speed);  // 左电机 PWM
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, right_speed);  // 右电机 PWM
}

// 设置电机方向，1 表示前进，-1 表示后退，0 表示停止
void Motor_SetDirection(int8_t left_dir, int8_t right_dir)
{
    // 控制左侧和右侧电机的前进、后退
    if (left_dir == 1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);  // 左电机前进
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
    }
    else if (left_dir == -1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);  // 左电机后退
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
    }

    if (right_dir == 1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);  // 右电机前进
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET);
    }
    else if (right_dir == -1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);  // 右电机后退
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);
    }
}
OLED 显示

OLED 显示屏用于显示小车的实时状态，如距离、奖励值等：

#include "oled.h"

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

// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{
    // 在 OLED 显示屏上显示字符串
}

// 显示数字
void OLED_ShowNumber(uint8_t x, uint8_t y, uint32_t num, uint8_t len)
{
    // 显示整数
}

// 清屏
void OLED_Clear(void)
{
    // 清除 OLED 显示内容
}

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系统工作原理

  • 路径检测：通过红外传感器检测迷宫中的路径（通常为黑线）。当检测到路径时，小车继续沿路径前进；如果没有检测到路径，则通过决策模块选择转向方向。

  • 障碍物检测与避障：系统通过超声波传感器实时检测前方的障碍物。如果检测到障碍物，小车会后退并选择左转或右转以避开障碍物。

  • 决策与强化学习：小车通过简单的强化学习策略进行路径决策。当执行某一操作（如前进、转弯等）时，根据当前的状态（如障碍物距离、路径状态）给予相应的奖励或惩罚值，从而引导小车逐渐找到最佳的走迷宫策略。

  • 状态显示：OLED 显示屏实时显示小车的状态，包括障碍物距离、奖励值等，便于用户调试和查看小车的运行情况。

常见问题与解决方法

1. 路径检测不准确
  • 问题原因：红外传感器未正确安装或感应灵敏度不够。
  • 解决方法：调整红外传感器的安装位置和检测灵敏度，确保能准确检测到黑线路径。
2. 避障反应迟缓
  • 问题原因：超声波传感器检测距离不准确或信号处理不及时。
  • 解决方法：确保超声波传感器的信号时序设置正确，并调节超声波的检测频率，及时响应障碍物。
3. 小车无法准确转弯
  • 问题原因：电机控制的转向逻辑或 PWM 信号不稳定。
  • 解决方法：检查电机驱动模块的接线，确保转向时 PWM 信号平稳，并根据需要调整转弯角度。

扩展功能

  • 路径记录与回放：可以增加路径记录功能，将小车的每一步行动记录下来。完成迷宫后，系统可以根据记录的路径进行回放，再次走过最优路径。

  • 远程控制与数据上传：通过蓝牙或Wi-Fi模块扩展，可以将小车的状态和路径数据上传到云端，或通过手机进行远程控制。

  • 高级学习算法：可以引入更复杂的强化学习算法（如Q-learning或深度强化学习），使小车在走迷宫过程中具有更好的学习和探索能力。

结论

通过本项目，我们设计了一个基于STM32的自学习走迷宫智能小车，能够通过路径检测和避障策略，在迷宫中自动找到出口。系统结合了强化学习算法，使小车能够通过不断的探索和奖励机制找到最优路径，适用于教育、竞赛等场景的智能机器人项目。项目的可扩展性强，未来可以通过引入高级算法、远程控制和路径记录等功能，进一步提升小车的智能化和自动化水平。

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