復(fù)雜路況下智能小車(chē)的設(shè)計(jì)

作者 / 傅海軍 段少飛 李炫君 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院(江蘇 鎮(zhèn)江)

江蘇大學(xué)高等教育教改研究立項(xiàng)課題 (2017JGYB045) ;江蘇大學(xué)大學(xué)生科研立項(xiàng)資助項(xiàng)目(15B114)

摘要：本文研究復(fù)雜路況下多功能智能小車(chē)的設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)以STC 89C52RC為核心，通過(guò)HC-06藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與Android手機(jī)通訊并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，并利用1602液晶顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)交互。小車(chē)驅(qū)動(dòng)方面采用了L298N為驅(qū)動(dòng)模塊，另采用ST188紅外光電傳感器以實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)尋路功能。本項(xiàng)目使用的控制軟件是通過(guò)MIT APP Inventor平臺(tái)設(shè)計(jì)的。

1 引言

　　智能小車(chē)作為智能機(jī)器人的雛形，它通過(guò)內(nèi)外傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)，完成相應(yīng)動(dòng)作。是一個(gè)在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于陸地自主行駛車(chē)輛的一種。它涉及到單片機(jī)、傳感器、信息融合、通信接口、導(dǎo)航控制、人工智能以及自動(dòng)控制等一系列高新技術(shù)。研究適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的智能車(chē)對(duì)我國(guó)科技的發(fā)展具有重要意義，機(jī)器對(duì)環(huán)境的耐受能力是高于人類(lèi)的，在諸如火災(zāi)、地震等災(zāi)害后的現(xiàn)場(chǎng)搜救中，這類(lèi)機(jī)器能發(fā)揮出很大作用。目前國(guó)內(nèi)外都有類(lèi)似功能的機(jī)器人，但功能還不夠完善且由于行走系統(tǒng)不完善，不能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。還有未知地區(qū)的探索，如礦洞、極地等，甚至外星探索用的考察車(chē)也屬于智能小車(chē)的研究范圍。本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為核心，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、遠(yuǎn)程藍(lán)牙操控等功能，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境。另外本設(shè)計(jì)在開(kāi)發(fā)時(shí)就預(yù)留了其他功能接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)改裝升級(jí)，例如加入視頻監(jiān)控模塊、尋跡模塊等，都很方便。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的功能主要依靠四個(gè)模塊來(lái)完成，分別為藍(lán)牙通訊模塊，1602液晶顯示模塊，直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，自動(dòng)避障模塊。設(shè)計(jì)以Android手機(jī)為控制平臺(tái)，通過(guò)HC-06藍(lán)牙接收模塊與手機(jī)端藍(lán)牙連接配對(duì)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與51單片機(jī)的通訊并通過(guò)命令來(lái)控制小車(chē)行動(dòng)。一般情況下小車(chē)能夠自動(dòng)探索。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制兩個(gè)電機(jī)分別正、反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向及掉頭，每一步命令開(kāi)始或動(dòng)作結(jié)束，都會(huì)在1602液晶顯示模塊和手機(jī)端顯示出來(lái)，易于控制。系統(tǒng)采用7.2 V電池供電，此電源可直接給L298N供電，51單片機(jī)的供電電源采用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上自帶的5 V電源輸出，這二者正常工作需要共地。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件

　　系統(tǒng)主要硬件包括：STC89C52最小系統(tǒng)、HC-06藍(lán)牙模塊、LCD1602液晶顯示模塊、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等，另外本設(shè)計(jì)采用手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。硬件原理圖如圖2所示。

　　3.1 主控系統(tǒng)選擇

　　本系統(tǒng)采用STC89C52RC作為核心,這是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，512字節(jié)RAM，是一款十分經(jīng)典的單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用這款單片機(jī)的原因是其性能足夠支持智能小車(chē)完成各種復(fù)雜動(dòng)作，且相關(guān)資料十分豐富，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合研究設(shè)計(jì)。

　　3.2 HC-06藍(lán)牙模塊

　　本設(shè)計(jì)采用HC-06藍(lán)牙模塊作為智能小車(chē)與手機(jī)端通信的橋梁，選中原因是其應(yīng)用廣泛且價(jià)格低廉，在淘寶上就能購(gòu)買(mǎi)，方便控制成本。為了實(shí)現(xiàn)HC-06模塊與手機(jī)的正常連接，設(shè)計(jì)中使用了MIT APP Inventor平臺(tái)編寫(xiě)了手機(jī)端軟件，實(shí)際效果與“聊天”類(lèi)似。使用過(guò)程中，手機(jī)作為客戶(hù)端，HC-06藍(lán)牙模塊作為服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)手機(jī)操控單片機(jī)的效果?？刂栖浖缑嫒鐖D3所示。

　　3.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　本設(shè)計(jì)選用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其特點(diǎn)是工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。其工作電壓可達(dá)到36 V，4 A電流，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，很適合用于機(jī)器人及智能小車(chē)的設(shè)計(jì)。

　　智能小車(chē)的電機(jī)使用直流減速電機(jī)，這是設(shè)計(jì)智能小車(chē)最常用的電機(jī)。這種電機(jī)是在普通電機(jī)的基礎(chǔ)上加上減速齒輪組，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)提升扭力，使其可以帶動(dòng)大質(zhì)量物體運(yùn)動(dòng)，舍棄部分速度換取良好的克服復(fù)雜地形的能力。

　　3.4 LCD1602液晶顯示模塊

　　本設(shè)計(jì)采用1602液晶顯示模塊來(lái)顯示操作參數(shù)，方便用戶(hù)的人機(jī)交互。1602液晶顯示模塊每一屏可以顯示兩路16位字符，不能顯示中文，可以作為簡(jiǎn)單觀測(cè)窗口觀測(cè)小車(chē)狀態(tài)。本次采用十六腳的LCD1602，其數(shù)據(jù)命令接口連接單片機(jī)P0口，V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，15腳背光正極，16腳背光負(fù)極，使用中可以根據(jù)實(shí)際效果調(diào)整。

　　3.5 自動(dòng)避障模塊

　　設(shè)計(jì)自動(dòng)避障模塊采用了ST188紅外光電傳感器，其一般電路如圖4，本設(shè)計(jì)中R1=510 Ω，R2=20kΩ，E為輸出端。

　　為方便控制小車(chē)，設(shè)計(jì)中使用了4組ST188光電傳感器l1、l2、r1、r2，其輸出端分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)P3^2、P3^3、P3^6、P3^7口，共有16種不同的狀態(tài)，可以劃分為前行(0000)、左轉(zhuǎn)90°(0010、0011)、右轉(zhuǎn)90°(0100、1100)、左轉(zhuǎn)45°(0001、1001)、右轉(zhuǎn)45°(1000)、掉頭(1011、1101、1111)、后退左轉(zhuǎn)90°(0101、0110、0111)、后退右轉(zhuǎn)90°(1010、1110)共8種轉(zhuǎn)向方案，更貼近實(shí)際情況。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件系統(tǒng)流程圖如圖5所示。接上電源后， 程序開(kāi)始初始化設(shè)置， 藍(lán)牙一直在檢測(cè)是否收到指令， 如果接收到了指令，則會(huì)根據(jù)接收的指令執(zhí)行，否則會(huì)一直在循環(huán)檢測(cè)。當(dāng)進(jìn)入了自動(dòng)探索模式后， 藍(lán)牙模塊停止工作，小車(chē)根據(jù)紅外傳感器的返回?cái)?shù)據(jù)行動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)成果分析

　　小車(chē)在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，在自動(dòng)避障模式下，智能小車(chē)能靈活地實(shí)現(xiàn)避障效果。在藍(lán)牙模式下，小車(chē)也能正常的按照指令前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，小車(chē)實(shí)物圖如圖6。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于L298N同時(shí)控制兩個(gè)存在一定差異的電機(jī)，造成小車(chē)連續(xù)直行時(shí)會(huì)有微小的偏角，加裝光電測(cè)速器可以解決此問(wèn)題，但由于小車(chē)本身行進(jìn)速度不快，對(duì)于前進(jìn)方向的要求也并不高，所以并不影響小車(chē)性能。另外由于電路設(shè)計(jì)存在缺陷，在藍(lán)牙模塊工作時(shí)，1602液晶顯示模塊會(huì)出現(xiàn)輕微的閃屏現(xiàn)象，這是由于電壓不穩(wěn)定引起的。

6 總結(jié)

　　本文介紹了一種利用移動(dòng)端直接控制智能小車(chē)的思路。本項(xiàng)目是中國(guó)各種電子競(jìng)賽的熱門(mén)項(xiàng)目，網(wǎng)絡(luò)上有很多資料，我們選題時(shí)就考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題。本項(xiàng)目屬于那種研究的人很多，但怎么研究都不會(huì)過(guò)時(shí)的項(xiàng)目，同時(shí)，由于有較多的網(wǎng)上資料及學(xué)院研究相關(guān)項(xiàng)目的人的幫助，智能小車(chē)項(xiàng)目也不至于難到我們無(wú)處下手的地步，這是一個(gè)很適合我們的項(xiàng)目。在這次的項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)中，涉及到很多平時(shí)為人們忽視的東西，例如將自動(dòng)避障的紅外探頭朝向地面，再修改部分程序，就能實(shí)現(xiàn)尋跡功能，很多東西都是互通的。此次設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的P3口并沒(méi)有被充分利用，這說(shuō)明本設(shè)計(jì)的小車(chē)仍具有較大的改進(jìn)空間。另外小車(chē)原本的設(shè)計(jì)是有視頻錄像模塊的，但考慮到成本及電路優(yōu)化的問(wèn)題，并沒(méi)有將其加入最終成品中，但這也是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)思路，希望未來(lái)有更好的設(shè)計(jì)思路和方案。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李曉林,牛昱光, 閻高偉. 單片機(jī)原理與接口技術(shù)(第2版)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011

　　[2]喬維德. 改進(jìn)粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓斷路器故障診斷[J]. 常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2016,30(2):47-50

　　[3]楊桂林. 基于 AT89S51 的智能小車(chē)的設(shè)計(jì)[ J].單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2010(26):124-125.

　　[4] 孟祥武, 胡勛, 王立才, 等. 移動(dòng)推薦系統(tǒng)及其應(yīng)用[J] . 軟件學(xué)報(bào),2013, 24 ( 1 ): 91-100

　　[5] 吳建平, 成 毅.“工程對(duì)象教學(xué)法” 模式應(yīng)用研究[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2009， 17(4):85- 88

　　[6] 宋 錦. 單片機(jī)課程項(xiàng)目教學(xué)法的探索和實(shí)踐[J]. 武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 5(6):90-120

　　[7] 劉 春 陽(yáng), 賈 興 建. 基 于 labbview 的pc機(jī) 與 單 片 機(jī) 的 串 行 通 信研 究[J]. 電 源 技 木 期 刊,2008,14(1):15-18

　　[8] 黃仁祥, 金琦, 易偉. 人人都能開(kāi)發(fā)安卓APP--APPinventor2 應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn). 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

　　[9] 姚培, 張李堅(jiān), 周晶香. 基于單片機(jī)控制的智能尋跡避障小車(chē)[J] . 機(jī)電信息, 2010(12):154-193.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第36頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。