徐 微,李睿勛,陳澤昕,康曉杰
(西安交通大學(xué)城市學(xué)院 電氣與信息工程系,西安 710018)
隨著數(shù)字化時代的發(fā)展,人們越來越重視基于人工智能的編程教育的發(fā)展[1-2]。對于低年齡段兒童,編程智能車是編程教育中的重點內(nèi)容[3],利用編程智能車進行路徑規(guī)劃是編程智能車課程體系中的重要組成部分,可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和邏輯思維能力[4]。目前市面上的編程教學(xué)智能車主要采用顏色傳感器識別不同顏色的紙質(zhì)指令貼進行路徑規(guī)劃[5-8],顏色傳感器受環(huán)境影響較大,識別精度較低,并且顏色紙質(zhì)指令貼容易撕毀難以重復(fù)使用,導(dǎo)致維護成本增加及資源浪費,因此有必要開發(fā)一種精度高可重復(fù)使用的可編程拼裝智能車。
針對傳統(tǒng)編程智能小車弊端,本文開發(fā)了一種采用射頻識別技術(shù)的指令卡識別智能車,其利用卡號進行識別實現(xiàn)路徑規(guī)劃,具有識別速度快、精度高、可重復(fù)使用、受環(huán)境影響較小等優(yōu)點[9-11]。目前在編程領(lǐng)域市面上沒有采用相關(guān)技術(shù)開發(fā)的智能車。
基于射頻識別技術(shù)的可拼裝編程智能車,除了要實現(xiàn)對黑色路徑的跟隨行駛還要對路徑節(jié)點上的指令卡進行識別以執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動作,并且可以自動對行駛路線進行修正,防止轉(zhuǎn)彎時跑偏。因此本系統(tǒng)采用STEM32 單片機作為主控芯片,利用L298N 驅(qū)動模塊,控制電機正反轉(zhuǎn),實現(xiàn)小車的前進后退及轉(zhuǎn)向功能;利用紅外循跡模塊實現(xiàn)對路徑的識別跟隨;利用射頻識別模塊實現(xiàn)對小車運行方向控制及路徑規(guī)劃。將紅外傳感器及射頻識別模塊采集到的參數(shù)反饋給控制器進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)對行進路線的修正。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of control system
為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能,硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。包含控制器、WiFi 模塊、按鍵模塊、霍爾測速模塊、電機驅(qū)動模塊、射頻識別模塊、紅外循跡模塊等,各模塊采用常見電路結(jié)構(gòu)[12-14],共同協(xié)調(diào)實現(xiàn)對路徑識別及規(guī)劃的需求。
圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of system hardware design
RFID 射頻識別技術(shù)可以快速地進行數(shù)據(jù)交換,通過放置閱讀器進行檢測,在標簽進入閱讀器后,接收閱讀器發(fā)出的射頻信號,憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息[15],其原理圖如圖3所示。本設(shè)計采用MFRC522 射頻識別模塊,利用射頻卡卡號作為指令入口,將不同編號的指令卡放置于九宮格路徑節(jié)點,當閱讀器讀取到指定卡號時小車執(zhí)行對應(yīng)指令對小車行進方向進行控制,可實現(xiàn)對路徑的規(guī)劃。
圖3 射頻識別模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of RFID module
路徑識別跟隨采用紅外循跡模塊,在小車底部安裝多個循跡模塊進行檢測,通過紅外傳感器反饋的信號判斷小車的行駛狀態(tài),其原理圖如圖4所示。采用帶隔板的紅外發(fā)射管和接收管垂直安裝在小車底部,當未檢測到黑線時接收管可以接收到發(fā)射管發(fā)射的信號,傳感器輸出高電平,當檢測到黑線時接收管收到微弱的信號,傳感器輸出低電平,從而實現(xiàn)對黑色路徑的識別與跟隨[16]。
圖4 紅外循跡模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of infrared tracking module
編程小車軟件程序部分由小車行駛控制程序、紅外循跡程序、指令卡識別程序、及WiFi 控制程序等組成,程序關(guān)鍵部分如圖5所示。系統(tǒng)啟動后設(shè)備初始化,開始檢測指令卡,當檢測到啟動指令卡后小車前進,啟動后未檢測到指令卡時小車保持直行,紅外循跡模塊采集路徑信息反饋到單片機進行處理,以保證小車不會偏離路徑,當再次檢測到指令卡時小車執(zhí)行相應(yīng)的方向控制指令,執(zhí)行完畢后重新檢測路徑直線行駛,直到檢測到停止指令卡時小車停止。通過此控制程序可以實現(xiàn)對小車行駛路徑的識別與規(guī)劃。針對這一特點可以面向低齡段兒童開發(fā)編程啟蒙課程,根據(jù)課程任務(wù)要求將不同功能指令卡擺放在九宮格路徑節(jié)點上,完成任務(wù)目標。以路徑規(guī)劃訓(xùn)練邏輯思維,通過指令卡可以很方便地對小車進行自動控制,降低學(xué)習(xí)成本,提升學(xué)習(xí)興趣。
圖5 射頻識別及紅外循跡程序流程圖Fig.5 RFID and infrared tracking program flow chart
在車架上安裝電源模塊、WiFi 模塊、按鍵模塊,在車身正面安裝控制器,背部安裝射頻識別模塊及紅外循跡模塊等,并進行功能測試,搭建實物如圖6所示。
圖6 小車實物圖Fig.6 Physical drawing of trolley
采用紅外傳感器進行循跡,通過傳感器狀態(tài)控制小車運行,經(jīng)測試傳感器狀態(tài)與小車運行狀態(tài),與程序運行邏輯一致,測試結(jié)果如表1所示。傳感器狀態(tài)為(0,0)時,小車直行,傳感器狀態(tài)(0,1)時,小車左轉(zhuǎn),傳感器狀態(tài)(1,0)時,小車右轉(zhuǎn),傳感器狀態(tài)(1,1)時,小車停止,實現(xiàn)了對九宮格黑色路徑的跟隨。
表1 傳感器狀態(tài)與小車運行狀態(tài)調(diào)試結(jié)果表Tab.1 Commissioning results of sensor status and trolley operation status
采用RFID 射頻識別模塊對路徑節(jié)點指令卡進行識別,在程序中將指令與射頻卡卡號進行綁定,當閱讀器檢測到相應(yīng)卡號時執(zhí)行相應(yīng)指令實現(xiàn)對小車運行方向的控制。經(jīng)測試在小車運行過程中檢測到指令卡時可以立即停止當前動作并執(zhí)行對應(yīng)指令,實現(xiàn)小車運行方向的控制。
系統(tǒng)路徑規(guī)劃原理如圖7所示,小車在九宮格區(qū)域行駛,在路徑節(jié)點上擺放指令卡,當檢測到不同指令卡時執(zhí)行不同動作,紅外循跡模塊保證小車按路徑行駛,可以在路徑上放置不同的任務(wù)目標,引導(dǎo)學(xué)生進行路徑規(guī)劃,以達成任務(wù)目標的形式開發(fā)課程,將小車用于教學(xué)。搭建九宮格對編程智能車進行路徑規(guī)劃如圖8所示。這里采用8 張指令卡,指令卡包含相應(yīng)的動作指令(啟動,停止,右轉(zhuǎn),直行,左轉(zhuǎn)),小車起點和終點在九宮格上可以任意設(shè)定。小車啟動電源,識別到啟動指令卡,開始沿著九宮格路徑直行,識別到右轉(zhuǎn)指令卡后,右轉(zhuǎn),在九宮格上方路徑一個交叉口,識別到右轉(zhuǎn)指令,小車右轉(zhuǎn)后直行,在十字交叉口,識別到直行指令,繼續(xù)直行行進,沿著此路徑,在第二個十字交叉口,識別到左轉(zhuǎn)指令,小車左轉(zhuǎn)直行,第三個十字交叉口,識別到直行指令卡,小車繼續(xù)直行,在九宮格右側(cè)路徑交叉口,識別到右轉(zhuǎn)指令,右轉(zhuǎn)直行后,識別到停止指令卡,小車停止運行。
圖7 編程小車路徑規(guī)劃原理圖Fig.7 Schematic diagram of programming with instruction card to realize path planning
圖8 小車九宮格軌跡循跡測試Fig.8 Tracking test of the car’s Jiugongge trajectory
通過系統(tǒng)調(diào)試,本文所設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)小車的循跡及路徑規(guī)劃,經(jīng)測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定,識別精度高達99%,響應(yīng)速度速快。
基于射頻識別技術(shù)的編程教學(xué)小車可以準確地按照九宮格黑色路徑行進,并對路徑上的方向指令卡快速地進行識別以執(zhí)行相應(yīng)的方向控制,指令卡可重復(fù)使用,識別精度高達99%。解決了傳統(tǒng)編程小車指令貼紙利用率低等問題,利用本系統(tǒng)所設(shè)計的編程小車開發(fā)邏輯思維訓(xùn)練課程,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)課程任務(wù)將指令卡放置到九宮格節(jié)點上完成目標,可以對學(xué)生邏輯思維能力進行鍛煉。