引言

隨著社會進步，電子消費產品的需求越來越高，遙控智能車輛以及在智能化車輛基礎上開發出來的產品已廣泛應用到自動化物流運輸等領域。目前，遙控智能車輛大多采用無線傳輸方式，而無線傳輸逐漸取代有線傳輸不僅是因為“無線”，更因為在安裝、增減節點方面都比有線方式方便、快捷，因此得到了廣泛的應用。

本設計首先采集手持遙控端的傾角信息并進行處理、生成指令，然后無線發送給智能小車，賦予智能小車更靈活的運動狀態和更寬廣的運動范圍。設計靈活，操作方便，控制穩定，制作成本低，可應用于視線可觀察但人體涉及不到的區域，可制作成高端智能玩具，或應用于工業控制，與實際相結合，有良好的現實意義和市場經濟價值。

1、系統硬件電路設計

采用整體設計的方法進行設計，系統硬件主要由兩大部分構成，即以NUCLEO-L053為控制核心的手持遙控端和以STM32F103C8Tx為控制核心的智能小車。手持遙控端是以ADXL345、OLED12864與nRF24L01為基礎的檢測傾角裝置，顯示參數裝置和無線發射裝置。采用的MCU為STM32L053R8T6，由ADXL345不斷檢測手持設備的姿態，在OLED上顯示傾角值，傳給MCU。MCU把處理好的數據轉為小車動作指令，最后通過nRF24L01模塊發射給小車。

小車以nRF24L01和L298N為基礎，采用的MCU為STM32F103C8Tx，通過nRF24L01模塊接收遙控設備發送的數據包，然后把數據包傳給MCU進行處理，MCU把處理好的數據包轉換為相應指令，由STM32兩路定時器通道產生兩路PWM波控制電機驅動L298N，從而實現對小車運動狀態的調整。并結合NUCLEO-L053板載獨立按鍵對ADXL345校準和OLED再次初始化，從而增強產品的可靠性、穩定性、功能性優勢。

1.1、手持遙控端電路設計

按照模塊化設計思想，手持遙控端主要由傾角傳感器模塊ADXL345、遙控端控制模塊NUCLEO-L053、無線收發模塊nRF24L01、液晶顯示模塊OLED12864、電源模塊等構成。傾角傳感器模塊ADXL345主要用于檢測手持遙控端的傾角狀態，并將傾角信息傳給遙控端控制模塊NUCLEO-L053進行處理，生成指令通過無線收發模塊nRF24L01發送給智能小車。液晶顯示模塊OLED12864進行角度、加速度等信息顯示，電源模塊給各功能模塊供電，保證這些模塊可正常工作。本設計引入卡爾曼濾波算法對手持遙控端的狀態角度進行優化，能夠有效減少輸出信號的毛刺波動，避免小車運行過程中頻繁出現卡頓現象，從而讓小車的行駛更平滑。手持遙控端設計框圖如圖1所示。

圖1 手持遙控端設計框圖

傾角傳感器模塊使用ADI公司生產的基于iMEMS技術的3軸、數字輸出傾角傳感器ADXL345。該模塊具有標準的I2C或SPI數字接口及高分辨率等特征，自帶32級FIFO存儲，是目前廣泛使用的數字傾角傳感器。傾角傳感器產生經過內部AD轉換電路后輸出的數字信號，計算導出加速度信息。在具體工作時，傾角傳感器會因微小振動產生噪聲，此時需要卡爾曼濾波與加速度計相互作用，調整參數將誤差降到最小。

卡爾曼濾波（KalmanFiltering）是一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。在本設計中，主要對角度信息進行最優估計，分為如下4步：

（1）根據k－1時刻的最優角度值及偏差預估k時刻的角度值（估計值）；

（2）根據k－1時刻的最優角度值偏差與k時刻的估計值偏差得到k時刻估計值的高斯白噪聲；

（3）根據k時刻測量值與估計值的協方差判定權重大小，得到最優角度值；

（4）根據k時刻的最優角度值及偏差預估k+1時刻的角度值（估計值）。通過循環迭代就可以得到最優的狀態角度估計值。

NUCLEO-L053為ST推出的一種基于Cortex-M0+內核的遙控端控制模塊，其CPU最高系統時鐘可達32MHz，可充分滿足本設計所用的模塊時鐘頻率；內含64KBFlash和8KBRAM，可提供足夠大的堆棧空間，滿足復雜程序；具有本設計所需的I2C、SPI、USB全速接口，提供MCU和模塊間高速的通信方式；板載獨立按鍵和LED，可供用戶自定義使用。