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(shí)代的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視基于人工智能的編程教育的發(fā)展[1-2]。對(duì)于低年齡段兒童，編程智能車是編程教育中的重點(diǎn)內(nèi)容[3]，利用編程智能車進(jìn)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(dòng)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(shí)別不同顏色的紙質(zhì)指令貼進(jìn)行路徑規(guī)劃[5-8]，顏色傳感器受環(huán)境影響較大，識(shí)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(hù)成本增加及資源浪費(fèi)，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(duì)傳統(tǒng)編程智能小車弊端，本文開發(fā)了一種采用射頻識(shí)別技術(shù)的指令卡識(shí)別智能車，其利用卡號(hào)進(jìn)行識(shí)別實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，具有識(shí)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(diǎn)[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。

1 系統(tǒng)整體框架

基于射頻識(shí)別技術(shù)的可拼裝編程智能車，除了要實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色路徑的跟隨行駛還要對(duì)路徑節(jié)點(diǎn)上的指令卡進(jìn)行識(shí)別以執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，并且可以自動(dòng)對(duì)行駛路線進(jìn)行修正，防止轉(zhuǎn)彎時(shí)跑偏。因此本系統(tǒng)采用STEM32 單片機(jī)作為主控芯片，利用L298N 驅(qū)動(dòng)模塊，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)后退及轉(zhuǎn)向功能；利用紅外循跡模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的識(shí)別跟隨；利用射頻識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)行方向控制及路徑規(guī)劃。將紅外傳感器及射頻識(shí)別模塊采集到的參數(shù)反饋給控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行進(jìn)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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)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(cè)速模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、射頻識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)路徑識(shí)別及規(guī)劃的需求。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of system hardware design

2.1 射頻識(shí)別模塊

RFID 射頻識(shí)別技術(shù)可以快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)放置閱讀器進(jìn)行檢測(cè)，在標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的信息[15]，其原理圖如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用MFRC522 射頻識(shí)別模塊，利用射頻卡卡號(hào)作為指令入口，將不同編號(hào)的指令卡放置于九宮格路徑節(jié)點(diǎn)，當(dāng)閱讀器讀取到指定卡號(hào)時(shí)小車執(zhí)行對(duì)應(yīng)指令對(duì)小車行進(jìn)方向進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的規(guī)劃。

圖3 射頻識(shí)別模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of RFID module

2.2 紅外循跡模塊

路徑識(shí)別跟隨采用紅外循跡模塊，在小車底部安裝多個(gè)循跡模塊進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)紅外傳感器反饋的信號(hào)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(dāng)未檢測(cè)到黑線時(shí)接收管可以接收到發(fā)射管發(fā)射的信號(hào)，傳感器輸出高電平，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)接收管收到微弱的信號(hào)，傳感器輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色路徑的識(shí)別與跟隨[16]。

圖4 紅外循跡模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of infrared tracking module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(shí)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(dòng)后設(shè)備初始化，開始檢測(cè)指令卡，當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)指令卡后小車前進(jìn)，啟動(dòng)后未檢測(cè)到指令卡時(shí)小車保持直行，紅外循跡模塊采集路徑信息反饋到單片機(jī)進(jìn)行處理，以保證小車不會(huì)偏離路徑，當(dāng)再次檢測(cè)到指令卡時(shí)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(cè)路徑直線行駛，直到檢測(cè)到停止指令卡時(shí)小車停止。通過(guò)此控制程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車行駛路徑的識(shí)別與規(guī)劃。針對(duì)這一特點(diǎn)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(diǎn)上，完成任務(wù)目標(biāo)。以路徑規(guī)劃訓(xùn)練邏輯思維，通過(guò)指令卡可以很方便地對(duì)小車進(jìn)行自動(dòng)控制，降低學(xué)習(xí)成本，提升學(xué)習(xí)興趣。

圖5 射頻識(shí)別及紅外循跡程序流程圖Fig.5 RFID and infrared tracking program flow chart

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

4.1 硬件調(diào)試結(jié)果

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(shí)別模塊及紅外循跡模塊等，并進(jìn)行功能測(cè)試，搭建實(shí)物如圖6所示。

圖6 小車實(shí)物圖Fig.6 Physical drawing of trolley

4.2 軟件調(diào)試結(jié)果

采用紅外傳感器進(jìn)行循跡，通過(guò)傳感器狀態(tài)控制小車運(yùn)行，經(jīng)測(cè)試傳感器狀態(tài)與小車運(yùn)行狀態(tài)，與程序運(yùn)行邏輯一致，測(cè)試結(jié)果如表1所示。傳感器狀態(tài)為（0，0）時(shí)，小車直行，傳感器狀態(tài)（0，1）時(shí)，小車左轉(zhuǎn)，傳感器狀態(tài)（1，0）時(shí)，小車右轉(zhuǎn)，傳感器狀態(tài)（1，1）時(shí)，小車停止，實(shí)現(xiàn)了對(duì)九宮格黑色路徑的跟隨。

表1 傳感器狀態(tài)與小車運(yùn)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(shí)別模塊對(duì)路徑節(jié)點(diǎn)指令卡進(jìn)行識(shí)別，在程序中將指令與射頻卡卡號(hào)進(jìn)行綁定，當(dāng)閱讀器檢測(cè)到相應(yīng)卡號(hào)時(shí)執(zhí)行相應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)行方向的控制。經(jīng)測(cè)試在小車運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到指令卡時(shí)可以立即停止當(dāng)前動(dòng)作并執(zhí)行對(duì)應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行方向的控制。

4.3 系統(tǒng)整體調(diào)試結(jié)果

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(diǎn)上擺放指令卡，當(dāng)檢測(cè)到不同指令卡時(shí)執(zhí)行不同動(dòng)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(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行路徑規(guī)劃，以達(dá)成任務(wù)目標(biāo)的形式開發(fā)課程，將小車用于教學(xué)。搭建九宮格對(duì)編程智能車進(jìn)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(dòng)作指令（啟動(dòng)，停止，右轉(zhuǎn)，直行，左轉(zhuǎn)），小車起點(diǎn)和終點(diǎn)在九宮格上可以任意設(shè)定。小車啟動(dòng)電源，識(shí)別到啟動(dòng)指令卡，開始沿著九宮格路徑直行，識(shí)別到右轉(zhuǎn)指令卡后，右轉(zhuǎn)，在九宮格上方路徑一個(gè)交叉口，識(shí)別到右轉(zhuǎn)指令，小車右轉(zhuǎn)后直行，在十字交叉口，識(shí)別到直行指令，繼續(xù)直行行進(jìn)，沿著此路徑，在第二個(gè)十字交叉口，識(shí)別到左轉(zhuǎn)指令，小車左轉(zhuǎn)直行，第三個(gè)十字交叉口，識(shí)別到直行指令卡，小車?yán)^續(xù)直行，在九宮格右側(cè)路徑交叉口，識(shí)別到右轉(zhuǎn)指令，右轉(zhuǎn)直行后，識(shí)別到停止指令卡，小車停止運(yùn)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(cè)試Fig.8 Tracking test of the car’s Jiugongge trajectory

通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，本文所設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)小車的循跡及路徑規(guī)劃，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，識(shí)別精度高達(dá)99%，響應(yīng)速度速快。

5 結(jié)語(yǔ)

基于射頻識(shí)別技術(shù)的編程教學(xué)小車可以準(zhǔn)確地按照九宮格黑色路徑行進(jìn)，并對(duì)路徑上的方向指令卡快速地進(jìn)行識(shí)別以執(zhí)行相應(yīng)的方向控制，指令卡可重復(fù)使用，識(shí)別精度高達(dá)99%。解決了傳統(tǒng)編程小車指令貼紙利用率低等問(wèn)題，利用本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)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(diǎn)上完成目標(biāo)，可以對(duì)學(xué)生邏輯思維能力進(jìn)行鍛煉。