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。

1 系統(tǒng)整體框架

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

2.1 射頻識別模塊

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

2.2 紅外循跡模塊

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

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

4.2 軟件調(diào)試結(jié)果

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。

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。

5 結(jié)語

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。