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智能小車雖然是大學生參加電子設計競賽常見的一個項目，但其中包含的技術確非常多，是一個綜合性的嵌入式系統項目，也值得大學生，以及已經參加工作的嵌入式開發者學習的一個項目。掌握智能小車的所有技術，以后找工作就會很輕松。

本文基于瑞薩RA8單片機，e2studio開發環境，給大家講述一下智能小車項目的方案，并附上主要的源代碼。

智能小車功能及設計要點

智能小車是一個綜合性的嵌入式系統項目，包含的功能及設計要點比較多。

電機驅動控制

功能描述

控制小車的左右電機，實現前進、后退、左轉、右轉、停止等基本運動功能。

實現方式

使用電機驅動模塊（如L298N）控制電機的正反轉和速度。

通過PWM（脈寬調制）調節電機速度。

使用GPIO控制電機的方向。

關鍵技術

PWM信號生成。

GPIO控制。

尋跡功能

功能描述

小車能夠自動沿著預設的黑線或白線行駛。

實現方式

使用紅外傳感器或灰度傳感器檢測地面黑線。

根據傳感器反饋的數據調整小車的運動方向。

關鍵技術

傳感器數據采集。

控制算法（如PID控制）實現精準循跡。

避障功能

功能描述

小車能夠檢測前方障礙物并自動避開。

實現方式

使用超聲波傳感器或紅外避障模塊檢測前方障礙物。

根據檢測結果調整小車的運動方向。

關鍵技術

超聲波測距或紅外避障。

避障算法（如轉向或后退）。

通信功能

功能描述

小車能夠與上位機（如PC或手機）進行通信，接收控制指令并發送傳感器數據。

實現方式

使用UART、藍牙、Wi-Fi等通信模塊實現數據傳輸。

定義通信協議，如發送控制命令（前進、后退等）和接收傳感器數據。

關鍵技術

串口通信（UART）。

無線通信（藍牙、Wi-Fi）。

通信協議設計。

遙控功能

功能描述

用戶可以通過遙控器或手機APP遠程控制小車的運動。

實現方式

使用紅外遙控器、藍牙或Wi-Fi模塊接收控制指令。

解析指令并控制小車的運動。

關鍵技術

紅外信號解碼。

藍牙/Wi-Fi通信。

環境監測

功能描述

小車能夠實時監測環境參數（如溫度、濕度、光照強度等）。

實現方式

使用溫濕度傳感器、光照傳感器等采集環境數據。

通過通信模塊將數據發送到上位機或顯示在LCD屏幕上。

關鍵技術

傳感器數據采集。

數據通信與顯示。

路徑規劃與導航

功能描述

小車能夠根據預設的路徑或地圖自主導航。

實現方式

使用地圖數據或路徑規劃算法（如A*算法）。

結合傳感器數據實現自主導航。

關鍵技術

路徑規劃算法。

傳感器融合（如紅外、超聲波、攝像頭）。

顯示與交互

功能描述

小車能夠通過LCD屏幕顯示狀態信息（如速度、方向、傳感器數據等）。

用戶可以通過按鍵或觸摸屏與小車的交互。

實現方式

使用LCD屏幕顯示信息。

使用按鍵或觸摸屏輸入控制指令。

關鍵技術

LCD驅動。

按鍵或觸摸屏輸入處理。

電源管理

功能描述

管理小車的電源，確保系統穩定運行。

實現方式

使用電池供電，設計電源管理電路。

監測電池電量，低電量時提醒用戶充電。

關鍵技術

電源管理電路設計。

電池電量監測。

數據存儲與日志

功能描述

小車能夠記錄運行日志或傳感器數據，便于后續分析。

實現方式

使用EEPROM或SD卡存儲數據。

定義數據格式，如時間戳、傳感器數據等。

關鍵技術

數據存儲（EEPROM、SD卡）。

數據格式設計。

擴展功能

功能描述

根據需求擴展更多功能，如攝像頭圖像識別、語音控制等。

實現方式

使用攝像頭模塊實現圖像識別。

使用語音識別模塊實現語音控制。

關鍵技術

圖像處理與識別。

語音識別與處理。

系統集成與調試

功能描述

將所有功能模塊集成到一個完整的系統中，并進行調試和優化。

實現方式

編寫主程序，協調各個模塊的工作。

使用調試工具（如邏輯分析儀、串口調試助手）進行調試。

關鍵技術

多任務調度。

系統調試與優化。

用戶界面設計

功能描述

設計友好的用戶界面，方便用戶控制小車和查看狀態。

實現方式

使用LCD屏幕或手機APP顯示用戶界面。

提供按鍵、觸摸屏或語音控制等交互方式。

關鍵技術

用戶界面設計。

交互邏輯實現。

安全與故障處理

功能描述

確保小車在運行過程中安全可靠，能夠處理突發故障。

實現方式

設計故障檢測機制（如電機堵轉檢測）。

實現安全保護措施（如緊急停止）。

關鍵技術

故障檢測與處理。

安全保護機制。

性能優化

功能描述

優化小車的性能，如提高響應速度、降低功耗等。

實現方式

優化控制算法。

降低系統功耗（如使用低功耗模式）。

關鍵技術

算法優化。

低功耗設計。

智能小車功能實現

這里主要實現以下幾個功能。

1.自主避障

超聲波傳感器實時檢測前方障礙物距離。

當距離小于設定閾值時，小車停止前進并轉向。

轉向后繼續前進，直到避開障礙物。

2.巡線行駛

紅外傳感器檢測地面黑線。

根據傳感器信號調整小車方向，使其沿黑線行駛。

3.遙控控制

手機APP通過藍牙發送指令。

小車接收指令后執行相應的動作，例如前進、后退、左轉、右轉等。

硬件

1.主控芯片

瑞薩RA8D1單片機

2.電機驅動

L298N電機驅動模塊

3.傳感器

超聲波傳感器（HC-SR04）用于避障

紅外傳感器（TCRT5000）用于巡線

藍牙模塊（HC-05）用于遙控

4.電源

7.4V鋰電池

5.其他

車輪、底盤、舵機等

軟件

1.開發環境：e2studio

2.編程語言：C語言

3.功能模塊：

電機控制：通過PWM信號控制電機轉速和方向。

超聲波測距：利用定時器測量超聲波往返時間，計算距離。

紅外巡線：讀取紅外傳感器信號，判斷小車位置。

藍牙通信：接收手機APP發送的指令，控制小車運動。

數據處理：對傳感器數據進行處理，實現避障、巡線等算法。

主要源代碼

1、電機驅動控制代碼

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#include "r_smc_entry.h"
#include "r_gpio_rx_if.h"
#include "r_pwm_rx_if.h"


#define MOTOR_LEFT_FORWARD  (BSP_IO_PORT_01_PIN_00) // 左電機前進
#define MOTOR_LEFT_BACKWARD  (BSP_IO_PORT_01_PIN_01) // 左電機后退
#define MOTOR_RIGHT_FORWARD  (BSP_IO_PORT_01_PIN_02) // 右電機前進
#define MOTOR_RIGHT_BACKWARD (BSP_IO_PORT_01_PIN_03) // 右電機后退
#define PWM_CHANNEL_LEFT   (0) // 左電機PWM通道
#define PWM_CHANNEL_RIGHT   (1) // 右電機PWM通道


// 初始化電機驅動
void motor_init(void)
{
  R_GPIO_PinCfg(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
  R_GPIO_PinCfg(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
  R_GPIO_PinCfg(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
  R_GPIO_PinCfg(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);


  R_PWM_Open(PWM_CHANNEL_LEFT, 1000); // 初始化左電機PWM，頻率1kHz
  R_PWM_Open(PWM_CHANNEL_RIGHT, 1000); // 初始化右電機PWM，頻率1kHz
}


// 設置電機速度
void motor_set_speed(uint8_t channel, uint16_t speed)
{
  R_PWM_Write(channel, speed); // 設置PWM占空比
}


// 控制小車運動
void car_move_forward(void)
{
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
}


void car_move_backward(void)
{
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
}


void car_turn_left(void)
{
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
}


void car_turn_right(void)
{
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);
}


void car_stop(void)
{
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
  R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);
}

2、尋跡功能

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#define IR_SENSOR_LEFT  (BSP_IO_PORT_02_PIN_00) // 左側紅外傳感器
#define IR_SENSOR_RIGHT  (BSP_IO_PORT_02_PIN_01) // 右側紅外傳感器


// 讀取紅外傳感器狀態
uint8_t read_ir_sensor(void)
{
  uint8_t left = R_GPIO_PinRead(IR_SENSOR_LEFT);
  uint8_t right = R_GPIO_PinRead(IR_SENSOR_RIGHT);
  return (left << 1) | right; ?// 返回傳感器狀態
}


// 自動尋跡
void car_line_following(void)
{
 ? ?uint8_t sensor_state = read_ir_sensor();
 ? ?switch (sensor_state)
 ? ?{
 ? ? ? ?case 0b01: ?// 左側檢測到黑線
 ? ? ? ? ? ?car_turn_left();
 ? ? ? ? ? ?break;
 ? ? ? ?case 0b10: ?// 右側檢測到黑線
 ? ? ? ? ? ?car_turn_right();
 ? ? ? ? ? ?break;
 ? ? ? ?case 0b11: ?// 兩側都檢測到黑線
 ? ? ? ? ? ?car_move_forward();
 ? ? ? ? ? ?break;
 ? ? ? ?default: ? ?// 未檢測到黑線
 ? ? ? ? ? ?car_stop();
 ? ? ? ? ? ?break;
 ? ?}
}

3、超聲波與距離

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// 超聲波初始化
void ultrasonic_init(void)
{
  // 配置Trig引腳為輸出模式，Echo引腳為輸入模式
  R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl, TRIG_PIN, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
  R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl, ECHO_PIN, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);
}


// 獲取距離
uint32_t get_distance(void)
{
  uint32_t duration = 0;


  // 發送10us的高電平脈沖
  R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, TRIG_PIN, IOPORT_LEVEL_HIGH);
  R_BSP_SoftwareDelay(10, BSP_DELAY_UNITS_MICROSECONDS);
  R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, TRIG_PIN, IOPORT_LEVEL_LOW);


  // 等待Echo引腳變高
  while (R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, ECHO_PIN) == IOPORT_LEVEL_LOW);


  // 開始計時
  R_GPT_Start(&g_timer0_ctrl);


  // 等待Echo引腳變低
  while (R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, ECHO_PIN) == IOPORT_LEVEL_HIGH);


  // 停止計時并獲取時間
  R_GPT_Stop(&g_timer0_ctrl);
  duration = R_GPT_CounterGet(&g_timer0_ctrl);


  // 計算距離
  return duration * 0.034 / 2;
}

5、通信功能

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#define UART_CHANNEL  (2) // 使用UART2


volatile bool g_uart_rx_complete = false;
char g_uart_rx_buffer[64] = {0};
uint16_t g_uart_rx_index = 0;


// UART回調函數
void uart_callback(uart_callback_args_t *p_args)
{
  if (p_args->event == UART_EVENT_RX_CHAR)
  {
    if (p_args->data != '
' && p_args->data != '
')
    {
      g_uart_rx_buffer[g_uart_rx_index++] = p_args->data;
    }
    else if (p_args->data == '
')
    {
      g_uart_rx_buffer[g_uart_rx_index] = '';
      g_uart_rx_complete = true;
      g_uart_rx_index = 0;
    }
  }
}


// 初始化UART
void uart_init(void)
{
  uart_instance_ctrl_t uart_ctrl;
  const uart_cfg_t uart_cfg =
  {
    .channel       = UART_CHANNEL,
    .data_bits      = UART_DATA_BITS_8,
    .parity       = UART_PARITY_OFF,
    .stop_bits      = UART_STOP_BITS_1,
    .p_callback     = uart_callback,
    .p_context      = NULL,
    .p_extend      = NULL,
    .baud_rate      = 9600,
    .rx_buffer_size   = 64,
    .tx_buffer_size   = 64,
  };
  R_UART_Open(&uart_ctrl, &uart_cfg);
}


// 發送數據到上位機
void uart_send_data(char *data)
{
  R_UART_Write(UART_CHANNEL, (uint8_t *)data, strlen(data));
}

6、主函數

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void hal_entry(void)
{
  // 初始化
  motor_init();
  ultrasonic_init();


  while (1)
  {
    // 獲取距離
    distance = get_distance();


    // 避障邏輯
    if (distance < 20)
 ? ? ? ?{
 ? ? ? ? ? ?stop();
 ? ? ? ? ? ?turn_left();
 ? ? ? ?}
 ? ? ? ?else
 ? ? ? ?{
 ? ? ? ? ? ?move_forward();
 ? ? ? ?}
 ? ?}
}

以上只是智能小車設計的主要內容，提供一個指導方向，更多具體細節，需要大家自己在真正做項目時優化改進。

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