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(江陰職業(yè)技術學院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214400)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術和無線通信技術的發(fā)展，WiFi技術以其傳輸速度快、有效距離較長等優(yōu)勢得到了快速發(fā)展。與藍牙技術相比，WIFI通信具有更寬的覆蓋范圍和更高的傳輸速率。無論是企業(yè)商務還是家庭娛樂都體現(xiàn)出對WIFI技術與日俱增的需求，當前使用WiFi的電子產(chǎn)品越來越多，如手機、電腦、汽車、游戲設備和醫(yī)療設備等，WIFI技術展示出了極大的應用價值和良好的發(fā)展前景[1-2]。如何將WIFI技術應用于智能小車也引起了許多愛好者的熱情。

智能小車是集環(huán)境感知、路徑?jīng)Q策與自動行駛等多功能于一體的輪式移動機器人，在倉庫貨物搬運、小區(qū)巡邏、險情排除等領域得到了廣泛應用。目前有關智能小車的研究很多，其中部分論文討論了小車避障原理和避障實現(xiàn)的過程[3-4]，還有部分論文討論了小車循跡方案和循跡算法[5]，也有少數(shù)文章探討了基于Android設備的無線遙控小車的設計過程[6]。然而有關Android設備與單片機之間通信過程的詳細介紹，以及小車運行過程中電機運轉(zhuǎn)引入的干擾如何處理卻鮮有介紹。本文將把小車遙控、避障、循跡和跟隨這些傳統(tǒng)功能與WIFI技術結(jié)合起來，研究如何通過WIFI技術控制小車實現(xiàn)遙控運行、避障、循跡和跟隨，以及視頻拍攝和視頻回傳功能，并詳細介紹如何設計系統(tǒng)電源以防止電機運轉(zhuǎn)引入干擾，以及探討WIFI模塊的設計方案、Android設備與單片機之間的通信協(xié)議，以及通信實現(xiàn)的軟件設計具體過程。具有遠程控制 、自動循跡、自動避障、跟隨主人等功能的WIFI遙控小車目前比較新穎，能夠運用到實際生活和生產(chǎn)中，用來完成一些環(huán)境比較惡劣或者目前人類無法完成的任務，具有一定的實際意義。

1 總體方案設計

系統(tǒng)總體[7]如圖1所示，系統(tǒng)采用的是51系列單片機STC11F32，這是一款1個時鐘/機器周期的單片機，比STC89C51單片機的運行速度提高了12倍，典型工作電壓為5 V。系統(tǒng)電源包括5 V和7.5 V兩種輸出電壓的電源，分別給系統(tǒng)控制電路和電機驅(qū)動電路供電。單片機通過電機驅(qū)動模塊控制直流電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而控制小車的行駛方向和行駛速度。

圖1 總體結(jié)構框圖

系統(tǒng)中的水平轉(zhuǎn)動舵機和垂直轉(zhuǎn)動舵機[8]組成視頻拍攝云臺，上面安裝了攝像頭和超聲波測距模塊。通過控制水平轉(zhuǎn)動舵機的轉(zhuǎn)動角度，可以帶動攝像頭和超聲波測距模塊在水平方向轉(zhuǎn)動，從而使攝像頭拍攝不同位置的圖像，以及使超聲波測距模塊檢測在不同位置的障礙物與小車的距離。通過控制垂直轉(zhuǎn)動舵機的轉(zhuǎn)動角度，可以控制攝像頭的俯仰角度。

系統(tǒng)中的攝像頭將拍攝的視頻通過WIFI模塊實時傳輸?shù)紸ndroid平臺上顯示，Android平臺也可以將控制命令實時發(fā)送給WIFI模塊，通過WIFI模塊的串口傳輸給單片機，由單片機控制小車按要求運行。

系統(tǒng)除了能夠通過Android平臺直接控制小車的運行狀態(tài)和舵機的轉(zhuǎn)動角度，還可以控制小車運行于跟隨模式、循跡模式和避障模式。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波測距模塊[9]進行障礙物距離的測量，通過云臺水平方向的轉(zhuǎn)動，帶動超聲波模塊在水平方向的轉(zhuǎn)動范圍可以達到180°，從而可以測量180°范圍的障礙物距離。

系統(tǒng)循跡模塊采用的光電傳感器是帶螺紋的圓柱狀收發(fā)一體接近開關模塊，相比較裸露在外面的紅外對管，其靈敏度較高，抗干擾能力更強，而且圓柱外面的螺紋可方便其調(diào)整距離地面的高度，增加了循跡的可靠性。

小車跟隨功能是通過在小車前端安裝3個收發(fā)一體接近開關模塊實現(xiàn)的，中間的接近開關方向朝正前方，左右兩個接近開關安裝成120°角度，這樣就可檢查前方和左右方是否有人，哪個方向有人小車就往哪個方向跟進，從而實現(xiàn)跟隨功能。在跟隨的過程中，由超聲波模塊檢測小車與人之間的距離，如果大于設定距離，小車跟隨；如果小于設定距離，小車停止，以便于小車與人之間保持一定的距離。

系統(tǒng)遙控功能是采用WIFI遙控實現(xiàn)的，Android平臺向小車發(fā)送前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等命令，系統(tǒng)WIFI模塊接收到命令后，通過串口將這些控制命令傳送給單片機，單片機將這些控制命令解碼后控制小車實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等功能。

系統(tǒng)電源模塊、直流電機驅(qū)動模塊和WIFI模塊的設計是系統(tǒng)設計的關鍵，下面將進行詳細介紹。

2.1 電源模塊

系統(tǒng)輸入電壓是由兩個充電鋰電池串聯(lián)提供的，在電量充滿的情況下，鋰電池輸出電壓可達到8 V。兩片LM2576-ADJ配合外圍的阻容元件組成兩個電源轉(zhuǎn)換電路，將鋰電池輸出電壓分別轉(zhuǎn)換為5 V輸出電壓和7.5 V輸出電壓。其中的5 V電壓給系統(tǒng)控制電路提供電壓，7.5 V電壓給電機驅(qū)動電路提供電壓。

LM2576系列是3 A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52 kHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23 V)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等。LM2576產(chǎn)品提供有3.3 V(-3.3)、5 V(-5.0)、12 V(-12)、15 V(-15)及可調(diào)(-ADJ)等多個電壓檔次產(chǎn)品。系統(tǒng)使用的是LM2576-ADJ，配合不同的阻容元件得到不同的輸出電壓，如圖2所示。圖2中輸出電壓VOUT=1.23×(1+R2/R1)，其中R1=1～5 kΩ，對于輸出5 V的電源轉(zhuǎn)換電路，取R1=2 kΩ,R2=6.2 kΩ；對于輸出7.5 V的電源轉(zhuǎn)換電路，取R1=2 kΩ,R2=10 kΩ。

采用雙電源供電，有效避免了電機運轉(zhuǎn)引入的干擾串入控制電源，以免影響單片機系統(tǒng)正常工作。

圖2 電源電路

2.2 直流電機驅(qū)動模塊

系統(tǒng)直流電機驅(qū)動電路[10-11]是由4通道邏輯驅(qū)動電路的L298構成的，如圖3所示。電路中有兩路電壓，一路是L298控制電路部分工作需要的5 V電壓，另一路是驅(qū)動電機部分工作需要的7.5 V電壓。為了防止電機工作引入的干擾串入單片機控制電路部分，在單片機P0端口與L298輸入端口之間安裝了光電隔離電路，圖中只給出了P0.0與L298輸入端口IN1之間的光電隔離電路，其他引腳的光電隔離電路與之類似。電機每個輸入引腳與電源7.5 V和地之間分別反裝了一個續(xù)流二極管，主要是為了消除電機轉(zhuǎn)動時的尖峰電壓。工作時L298功率較大，溫度較高，可以適當加裝散熱片。

圖3 直流電機驅(qū)動電路

2.3 WIFI模塊

系統(tǒng)WIFI模塊的核心芯片是WiFi領域頂尖半導體公司Qualcomm Atheros推出的AR9331，這是一款高度集成、低成本的IEEE 802.11n 1*1 MIMO WiFi SoC，集成了MIPS 24Kc內(nèi)核、1個五端口百兆以太網(wǎng)交換機、高速串口和USB 2.0 Host/Device 接口。WiFi SoC AR9331和256Mb DDR SDRAM A3S56F40FTP構成了系統(tǒng)WIFI模塊。

系統(tǒng)中的WIFI模塊與Android平臺之間可以進行無線通信，攝像頭將拍攝的視頻通過USB接口實時傳輸給WIFI模塊，由于單片機處理視頻數(shù)據(jù)速度不夠，因此系統(tǒng)中WIFI模塊將視頻數(shù)據(jù)直接傳輸給Android平臺，在Android平臺上實時顯示攝像頭拍攝的視頻。Android平臺發(fā)送的控制命令也是通過WIFI信道傳輸給WIFI模塊，通過WIFI模塊的串行接口傳輸給單片機，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，根據(jù)解碼信息控制小車實現(xiàn)超聲波測距避障、循跡、跟隨和遙控運行等功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件組成模塊如圖4所示，在主控模塊執(zhí)行的過程中，WIFI模塊接收Android平臺發(fā)送的控制命令，并將控制命令通過串口傳輸給單片機，引起單片機串口中斷，串口接收中斷模塊接收到一條完整的串口命令后，執(zhí)行遙控命令解碼模塊，分析遙控發(fā)送的控制命令，根據(jù)分析結(jié)果給小車工作模式標志賦值。在串口接收命令的同時，在主控模塊中執(zhí)行工作模式切換模塊，根據(jù)小車工作模式標志值的不同切換到不同的工作模式，包括遙控運行、跟隨、循跡和避障等工作模式。其中電機驅(qū)動與PWM調(diào)速模塊，以及遙控命令解碼模塊是軟件設計的關鍵部分，下面將進行詳細介紹。

圖4 軟件組成模塊

3.1 電機驅(qū)動與PWM調(diào)速模塊

系統(tǒng)采用電機驅(qū)動芯片L298進行電機驅(qū)動和PWM調(diào)速，L298的工作狀態(tài)如表1所示。由表1可知：當使能端ENA/ENB為高電平時，IN1～IN4的電平?jīng)Q定了電機工作狀態(tài)。

表1 L298工作狀態(tài)

如果使能端ENA/ENB一直為高電平，即高電平的占空比為100%時，電機的轉(zhuǎn)速最大，小車速度最快；如果施加在使能端ENA/ENB的是PWM脈沖，則改變PWM脈沖高電平的占空比，則電機的轉(zhuǎn)速就會改變，小車運行速度也會隨之改變；占空比越大，小車運行速度越快，反之越慢。施加在使能端ENA/ENB的PWM脈沖是采用定時器T0中斷實現(xiàn)的，代碼如下：

void T0_PwmInt() interrupt 1

{

static unsigned char num; //計定時次數(shù)變量

TH0=(65536-1000)/256; //重裝初值

TL0=(65536-1000)%256;

if(++num>100) num=0; //計數(shù)100次到周期T ，周期T=100ms

if(num

PwmENA=1; //高電平周期T1

else

PwmENA=0; //低電平周期T2

if(num

PwmENB=1; //高電平周期T1

else

PwmENB=0; //低電平周期T2

}

由以上程序代碼可知，定時中斷時間為1 ms，靜態(tài)變量num對中斷次數(shù)計數(shù)，每中斷100次num清0，因此PWM周期為100 ms。全局變量TimeHA和TimeHB分別控制小車左右電機的PWM脈沖高電平的時間長度，TimeHA和TimeHB取值越大，電機轉(zhuǎn)速越快。

3.2 遙控命令解碼模塊

小車上的WIFI模塊接收到Android平臺發(fā)送的遙控命令后，通過串行接口將命令傳送給單片機，由單片機對遙控命令進行解碼。系統(tǒng)采用的串口通信協(xié)議如表2所示。

表2 串口通信協(xié)議

由表2可知，所有的小車控制命令都是以FFH開始和結(jié)束的，根據(jù)第一個字節(jié)的不同區(qū)分小車運動指令、舵機轉(zhuǎn)動指令和小車工作模式切換指令。對于小車運動指令，由第二個字節(jié)控制小車停止、前進、后退和左右轉(zhuǎn)等多種運動狀態(tài)。對于舵機轉(zhuǎn)動指令，由第二個字節(jié)控制水平或者垂直舵機轉(zhuǎn)動，第三個字節(jié)控制轉(zhuǎn)動的角度。對于工作模式切換指令，由第二個字節(jié)控制小車轉(zhuǎn)入不同的工作模式。遙控命令解碼模塊流程圖如圖5所示。

4 實驗結(jié)果

1)WIFI傳輸和視頻拍攝功能測試[12]：系統(tǒng)上電后，等待30 s系統(tǒng)啟動完畢，打開手機WIFI搜索功能，搜索到小車WIFI，兩者建立連接。向小車發(fā)送前進、后退、左右轉(zhuǎn)等命令，小車按照要求運行。小車在行駛的過程中，攝像頭實時拍攝，手機上實時顯示拍攝的畫面，拍攝的視頻清晰、流暢、幾乎無延遲。

2)舵機轉(zhuǎn)動功能測試：手機發(fā)送水平舵機轉(zhuǎn)動命令，水平舵機轉(zhuǎn)動，在水平方向轉(zhuǎn)動角度范圍為-90°～+90°；手機發(fā)送垂直舵機轉(zhuǎn)動命令，垂直舵機在垂直方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度范圍為0～90°。

圖5 遙控命令解碼模塊流程圖

3)跟隨功能測試：打開跟隨功能，人在前面行走，小車自動跟隨；人向左或者向右轉(zhuǎn)彎，小車也能跟隨。在跟隨的過程中，小車與人之間總是保持20 cm左右的距離。

4)循線功能測試：小車對白底上的黑線進行循跡，無論是橢圓形還是S形跑道，小車都能成功跑完全程，速度平均為35 cm/s，循跡流暢，沒有抖動。

5)避障功能測試：小車能夠?qū)崿F(xiàn)多種障礙物避障，比如方形、柱狀障礙物，以及常見的墻角、凹形障礙物都能成功避障，避障效果理想。

5 結(jié)束語

通過對小車的測試，結(jié)果表明：Android平臺與小車之間WIFI傳輸正常，實時拍攝視頻在手機上顯示清晰、無延遲；水平舵機轉(zhuǎn)動角度可達到-90°～+90°，垂直舵機轉(zhuǎn)動角度可達到0～90°，以方便攝像頭拍攝各個角度的視頻，以及便于超聲波模塊測量不同方向的障礙物距離；能通過Android平臺控制小車實現(xiàn)遙控運行、跟隨、循線、避障等工作模式，功能滿足設計要求，該小車在貨物搬運、小區(qū)巡邏、環(huán)境勘測等領域具有一定的實用價值。在后續(xù)的研究中可以考慮將拍攝的視頻由小車工作現(xiàn)場直接上傳到internet網(wǎng)，以方便監(jiān)控中心的實時監(jiān)控和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的進一步分析。

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