朱曉波，岳大軍，張廣志

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410128;2.郴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 郴州423000)

0 引言

智能小車(chē)在移動(dòng)式機(jī)器人中占有很重要的地位，也是人們?cè)诳刂祁I(lǐng)域中非常感興趣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在此平臺(tái)上可以搭建傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能。機(jī)器人研究受到越來(lái)越多人的關(guān)注，它是計(jì)算機(jī)控制與電子計(jì)算的融合，集傳感器探測(cè)(光源、障礙物)、處理器自動(dòng)控制、電機(jī)調(diào)速等于一體，可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)、傳感器、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)的一個(gè)綜合體，為電子設(shè)備智能化提供了很好的實(shí)例［1］。從檢索的文獻(xiàn)［2，3，4］來(lái)看，現(xiàn)有智能小車(chē)大多都是以實(shí)現(xiàn)特定功能而設(shè)計(jì)的，不適合功能擴(kuò)展。本文根據(jù)現(xiàn)在社會(huì)的需求，設(shè)計(jì)了一種集多種傳感器于一體的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的智能小車(chē)，基本可以滿(mǎn)足嵌入式初學(xué)者的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示，智能小車(chē)的控制核心可以是基本的8位單片機(jī)、16位單片機(jī)和以ARM處理器為核心的單片機(jī)等。在小車(chē)的平臺(tái)上只要加一個(gè)轉(zhuǎn)接板，就能夠?qū)崿F(xiàn)多種單片機(jī)的兼容，降低了學(xué)習(xí)者的成本。車(chē)載控制板包括系統(tǒng)所需的基本部分，如顯示部分、按鍵部分、DC-DC電源、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、流水燈和紅外接收等部分。系統(tǒng)板上可以擴(kuò)展配套的串口輸出的模塊，通過(guò)軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器與控制核心的通訊，軟件協(xié)議還保證了傳感器通訊互不干涉。

2 系統(tǒng)硬件

基于多傳感器的智能小車(chē)主要由電源模塊、顯示模塊、按鍵和傳感器等組成。智能小車(chē)平臺(tái)上能夠兼容多種傳感器，以實(shí)現(xiàn)多種功能，滿(mǎn)足使用者的多樣化需求。

2.1 系統(tǒng)平臺(tái)

智能小車(chē)平面示意圖如圖2所示，智能小車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng)，后輪是一個(gè)萬(wàn)向輪，左右前輪各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)可以是直流減速電機(jī)、360°舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，在控制板上都為其預(yù)留了接口。在小車(chē)的前部安裝五個(gè)紅外反射式傳感器，其中3個(gè)為紅外循線傳感器，2個(gè)為紅外避障傳感器。紅外循線傳感器可以識(shí)別黑線白底的線路或白線黑底線路，紅外避障傳感器可以檢測(cè)到近距離的障礙物。另外在小車(chē)的前部安裝一個(gè)超聲波傳感器，用來(lái)探測(cè)障礙物的距離，而超聲波測(cè)距有一定的盲區(qū)，故而要和紅外避障傳感器結(jié)合，以達(dá)到精確避障，因而在小車(chē)的左右兩邊也分別裝有超聲波傳感器和紅外避障傳感器。在車(chē)載控制板還可以同時(shí)裝有溫度模塊、濕度模塊、傾角模塊、羅盤(pán)模塊、陀螺模塊等模塊，以實(shí)現(xiàn)多傳感器融合。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 陀螺儀模塊

智能小車(chē)配套的陀螺儀模塊型號(hào)為BQ-TLY-86-TTL，是一款低成本高精度的角速度陀螺儀模塊。其工作原理是將模塊旋轉(zhuǎn)時(shí)音叉震蕩產(chǎn)生的地球偏轉(zhuǎn)力(克里奧利力)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)過(guò)算法處理而獲得被測(cè)物體的角速度。該模塊以UART的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。該產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，輸出波特率可調(diào)，有連續(xù)輸出和詢(xún)問(wèn)輸出兩種工作模式，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

2.2.2 傾角傳感器模塊

傾角傳感器模塊型號(hào)為BQ-2XN-232，是一塊低成本的雙軸傾角傳感模塊，精確測(cè)量角度范圍為正負(fù)45°(測(cè)量范圍可以擴(kuò)展到60°)，其以RS232的方式與外部處理器進(jìn)行半雙工通訊，波特率可選，具有零點(diǎn)設(shè)定、響應(yīng)頻率調(diào)整等功能。

2.2.3 羅盤(pán)模塊

電子羅盤(pán)模塊型號(hào)為BQ-CA81-TTL，是一款體積小、成本低的平面數(shù)字羅盤(pán)模塊。其工作原理是通過(guò)磁阻傳感器感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，從而得出方位角度。該羅盤(pán)以TTL的方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊，模塊的精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，并具有標(biāo)定功能及安裝角和磁偏角補(bǔ)償功能，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

3 通訊模式

在智能小車(chē)中下掛的傳感器基本上采用兩種通訊模式。一種是通過(guò)模擬選通開(kāi)關(guān)對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展，以掃描的方式進(jìn)行循環(huán)問(wèn)答，如圖3所示。另一種是把所有的傳感器并聯(lián)在串口上，以軟件通訊協(xié)議對(duì)傳感器進(jìn)行掃描通訊，如圖4所示。軟件通訊協(xié)議是各傳感器與傳感器之間的數(shù)據(jù)互不干擾的保證，為此制定表1所示的軟件通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 串口擴(kuò)展通訊模式

圖4 軟件通訊協(xié)議串口通訊模式

表1 軟件通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

模塊地址:為傳感器模塊地址

Sum:校驗(yàn)和

4 總結(jié)

傳統(tǒng)的智能小車(chē)系統(tǒng)以常見(jiàn)的單片機(jī)為核心，輔以較簡(jiǎn)單的元器件和電路設(shè)計(jì)，在完成基本的循跡和避障功能的前提下，又要考慮到外觀、成本等問(wèn)題［5］，厚此薄彼，小車(chē)的可擴(kuò)展性就變得相對(duì)較差。因此在本設(shè)計(jì)中，作者充分考慮到了這個(gè)問(wèn)題，在電路中增加了DC-DC開(kāi)關(guān)電源部分并預(yù)留了所有配套的傳感器模塊接口，可以滿(mǎn)足某些比賽的要求，而且本設(shè)計(jì)產(chǎn)品通過(guò)一段時(shí)間的試銷(xiāo)，市場(chǎng)反應(yīng)較好，值得一試。

［1］王松，李永超，鄭建飛.基于AT89S52單片機(jī)的智能小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作［J］.硅谷，2010(18):75－76.

［2］史洪宇.基于單片機(jī)的多功能智能小車(chē)的設(shè)計(jì)［J］.儀表與技術(shù)，2010(12):16－17.

［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］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):192－193.

［5］安巖.自動(dòng)循跡智能小車(chē)的設(shè)計(jì)［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)，2010(1):72－73.