一种多功能智能化探测小车的设计
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作者:赵新阳 刘博远 马晓春 薛兴乐 张恒毅
摘 要：针对目前日益增多的因路面质量问题产生的不安全现象，为了及时掌握路面状况，避免此类问题的发生，基于STM32F407单片机系统，设计了一款集多种路面探测功能为一体的智能化探测小车。相比于目前大部分探测小车探测指标单一的缺点，该小车拥有激光测距，红外测温，测量湿度等多种功能，通过小车检测所得到的数据均为衡量路面质量指标计算过程中所不可缺少的数据。
关键词：多功能 激光测距 温湿度 路面质量
我国私家车辆的保有量随着人民生活水平的提高而逐年增加，因此对于路面质量的要求也在逐步提高，近些年以来经常出现地面坍塌的事故，地面陷落对于车辆和行人都会带来极大的危险，只有实时对路面质量进行监测，及时对路面进行养护才能够发现并消除路面存在的不安全因素，除了车辆行驶的路面以外，公园以及足球场等地的道路质量监测也是十分重要的。衡量路面质量的指标有很多种，其中包括有路面平整度，地表温度，道路湿度等，其中较为重要的指标是路面平整度指标，其测量方法大致分为三米尺测量，水准仪高程测量，激光平整度测量等方法，综合各种方法的探究，激光法更被广泛应用。目前用于监测路面质量的仪器大多数价格偏高，结构复杂，不便于普及到各种道路上，对于一些非主干路面可能无法实时地对其进行质量检测，增加了安全隐患。
为解决上述问题，实现对大多数路面进行初步测量，本文设计一种多功能智能化探测小车，应用激光测距传感器测量从激光探头到路面的垂直距离，采集到的数据是计算国际平整度指数IRI所不可缺少的，可以给路面平整度的测量提供技术支持。小车利用红外温度传感器测量路面温度、利用湿度传感器采集相关地面湿度，能测试多种指标，能够实时且较为全面地监控路面质量。
1 小车系统构成
1.1 探测小车简要概述
多功能探测小车的系统主要由检测、控制以及驱动三个部分组成。利用布置在小车上的多种传感器来检测路面信号，信号数据输送给单片机，由单片机进行相应转换运算，电机负责控制小车移动。检测部分主要有激光测距模块，红外测温模块，以及湿度测量模块，微处理器即STM32F407单片机，驱动部分主要是由电机模块构成，蓝牙模块作用为传输数据，显示器作用为显示信号与数据。系统装置结构如图1所示。
1.2 系统硬件构成
1.2.1 微处理器控制模块
该模块利用搭载小车上的外部传感器处理路面信息，发送处理结果信号给控制器，随后，控制器根据结果信号做出回应，控制电机行进，保证其正常工作。因此控制器可以控制电机。
系统使用STM32F407单片机作为智能化的探测电动车控制中心，不仅能够实现预定的性能，而且能够改善多功能智能化探测电动车的检测水平，提高了数据的可靠性。控制系统的核心是让多功能智能化的探测电动车实现自我控制，由此来看，单片机因操纵更快捷、方便，所以具有更多的使用优势，该小车用到的STM32F407单片机运算能力强，编程灵活而且具有自由度高，消耗低等特点，价格适中，综合上述考量选择该类型单片机作为系统的核心。
1.2.2 电机模块
该智能探测小车使用步进电机，其优点在于可以做到精准输出，当对其施加所需的脉冲序列时，电机便可依照人们设定的数据、速度或方向连续地工作运转，便于进行控速，但编写程序较直流来说稍复杂。综合考虑选用步进电机作为探测电动车的电机。
1.2.3 激光测距模块
激光测距模块是利用激光探头来监测路面状况信息，将测到的从探头到路面的垂直距离数据传送到单片机进行处理。在通电的情况下，激光发送探头发出信号，遇到路面后再将信号反射回激光接收探头。由于激光线与不同高度的反射机制不一样，可以根据反射回来信号的强弱，判断出路面高度的变化，间接地反映出路况。在本模块中应用激光测距传感器来进行路面高度的测量，该传感器结构简单，便于安装在探测小车上，虽其测量精度不及其他的激光测距仪器高，但是其测量数据的误差仍然在合理的范围之内，故选用该传感器测量。
1.2.4 湿度测量模块
小车选取DHT11型数字温湿度传感器，其信号输出形式为数字量，有数字模块采集和湿度传感的复合型功能，可以提高产品的可靠性和稳定性。传感器内部有感湿软件和測温软件，此软件需要与一款性能较高单片机相连，该小车所采用的STM32F407单片机符合要求。此传感器工作环境应为湿度校验室，且传感器要在该环境中进行校准，得到的相关系数要以特殊形式置于在OTP存储器内，以便更好地帮助传感器检测信号。模块选择单线制的串行接口能够使整个系统运行得更加快速。模块体积比较小、耗费能量低、传输距离较大，综上模块适用于条件比较严苛的场合。
1.2.5 蓝牙模块
搭载到小车上的蓝牙模块具体有两种工作方式：命令响应和自动连接，对于命令响应的工作方式，使用者通过发布指令对模块的参数进行具体的设定和控制。对于自动连接方式，蓝牙模块可以作为主机和从机等工作模式。选择一个固定的模式之后需按照提前设置好的方法自动进行数据传输工作。蓝牙模块可以通过串口和相关控制设备等进行数据传输，以供人们实时监控路面的质量。
1.2.6 红外传感测温模块
小车选用热电堆式红外温度传感器，以非接触方式对路面表面进行测温;路面会向外产生红外辐射，其红外辐射通量密度与路面本身产生红外辐射的能力相关，地表温度与路面发出的辐射强度成一定的比例关系，路面产生的红外辐射能量随着温度的升高而增加，传感器采集完路面数据之后输出相应电压信号，经放大电路放大后传给微处理器进行数据处理。该红外温度传感器，测量精度较高，热惯性小;满足小车的正常需要并使小车实用性提高。
1.3 系统软件构成
智能探测小车的工作流程为：系统通电后，通过步进电机驱动小车前进，布置在小车上的多个传感器构成了一个实时的检测系统，能够实时地检测有关路面质量的各种数据，将收集到的数据传给单片机，最终将通过单片机转换后的数据经蓝牙模块传给相关人员进行参考。系统具体的工作流程如图2所示。 2 实验分析
该智能探测小车装载三个GY-530 VL53L0X型激光测距传感器测量从激光探头到地面的垂直高度变化情況，三个传感器分别放在车的前部，中部以及后部，可以很好地降低车辆抖动带来的误差问题，检测时以中部传感器为基准，前后部传感器为辅助参考，以应对复杂地形的检测。
本实验模拟了带有凸起及凹陷的不同路况，将测得的数据分析校验，检验测量结果的精准度，当实际误差小于设定数值后，进行实际路面实验。本实验使用TS118-3型红外温度传感器探测地面温度，放置在小车底盘中部，该传感器是一种非接触式温度传感器，能够在电动车运转的过程中获得地面温度值，因实验条件限制，在实验中设置了温度值分别为-28℃、0℃、20℃、50℃的模拟路面进行测试，测试温度范围涵盖了基本路面所能达到的温度。本实验还将DHT11型湿度传感器放置在小车底盘中前端。实验中传感器输出的数据均可以在小车上安装的LED屏上显示，并且通过蓝牙模块将实时的路面情况传递给相关人员进行监测。
3 结语
本文所设计的多功能探测小车以STM32F407单片机为核心，集激光测距，红外测温和测量湿度等功能为一体，达到了同时测量多种指标的功能，可以实时监测路面的相关状况，并且能对路面质量进行初步测量，便于相关人员对紧急情况做出相应处理。 鉴于传感器的测量精度以及路面环境情况等外界因素影响，小车数据会存在一定的误差，这是该小车仍需进一步完善的地方。
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