于 波 張 強(qiáng) 李建成 陳先瑞

（東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院）

隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能產(chǎn)品的研究與開發(fā)愈發(fā)受到各領(lǐng)域?qū)W者們的重視，其中，智能車技術(shù)的發(fā)展日新月異，在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍工及民用生活等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用［1］。 智能車以電子技術(shù)為背景，綜合了計(jì)算機(jī)、傳感器及機(jī)械等多學(xué)科技術(shù)，在眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，能夠替代人類在一些特定環(huán)境工作，例如美國(guó)的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)火星探測(cè)機(jī)器人為人類探索火星做出了貢獻(xiàn)，我國(guó)自主研發(fā)的“月球車”所應(yīng)用的技術(shù)也處于世界前列；智能車也應(yīng)用于自動(dòng)貨運(yùn)、無人駕駛等場(chǎng)合［2］，并取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)。 智能車的應(yīng)用正逐步滲入到工業(yè)和生活的各個(gè)層面，提高了生產(chǎn)效率并減少了人為失誤，提升了人們的生活品質(zhì)［3］。

智能小車，即輪式機(jī)器人，集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、智能控制與執(zhí)行等多種技術(shù)于一體［4］，隨著技術(shù)的不斷成熟，一些前沿技術(shù)被應(yīng)用于智能小車［5］。 筆者基于STM32F103 單片機(jī)，通過規(guī)劃智能小車的總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)、 程序代碼編寫以及軟/硬件的綜合測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了智能小車的自動(dòng)循跡避障、 紅外遙控運(yùn)動(dòng)、上位機(jī)對(duì)智能小車的遠(yuǎn)程控制及拍照存儲(chǔ)等功能，筆者所設(shè)計(jì)的智能小車可以在所處環(huán)境中通過傳感器自行判斷和分析，在無人操作的情況下自主完成任務(wù)。

1 智能小車系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為使所設(shè)計(jì)的智能小車可以沿著黑色膠帶軌跡行駛， 以STM32F103 單片機(jī)作為主控芯片，配合電源模塊、L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、自動(dòng)避障模塊、WiFi 模塊和電路， 設(shè)計(jì)智能小車系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能小車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

避障模塊自動(dòng)檢測(cè)障礙物并自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)和電腦端對(duì)智能小車的無線操控。

智能小車前部設(shè)有2 個(gè)HJ-IR2 紅外避障模塊， 可以通過紅外線的發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)避障功能。 在智能小車的底盤安裝了3 路紅外循跡模塊，保證智能小車按照預(yù)設(shè)好的路線行駛。 設(shè)計(jì)上位機(jī)APP，用以操控智能小車系統(tǒng)的WiFi 模塊。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

智能小車系統(tǒng)的控制器選用的是STM32F103單片機(jī)，該芯片是意法半導(dǎo)體推出的一款32 位單片機(jī)，基于ARM Cortex-M 內(nèi)核，具有實(shí)時(shí)性優(yōu)異、外設(shè)豐富及價(jià)格低等特點(diǎn)［6］。STM32F103 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示，可以看出，芯片內(nèi)部可以劃分為內(nèi)核和片上外設(shè)兩部分。

2.2 電源模塊

單片機(jī)采用線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V（圖3），其中電容起到濾波的作用，分別濾去高頻和低頻信號(hào)，C31、C6 為輸入電容，作用是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置，C32、C2 為輸出濾波電容，作用是抑制振蕩和穩(wěn)壓輸出［7］。

圖3 AMS1117-3.3V 穩(wěn)壓模塊

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車采用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用15 腳封裝，內(nèi)含兩個(gè)H 橋的高電壓、大電流的全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及繼電器線圈等負(fù)載［8］。 使用直流兩用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)M1 和M2。引腳A、B 用來輸入PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 當(dāng)輸入信號(hào)端IN1 接高電平，輸入端IN2 接低電平，則電機(jī)M1 正轉(zhuǎn)； 當(dāng)輸入信號(hào)端IN3 接高電平， 輸入端IN4 接低電平，則電機(jī)M2 正轉(zhuǎn)，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。PWM 信號(hào)端A 控制M1 調(diào)速，PWM 信號(hào)端B 控制M2 調(diào)速。 控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向見表1。

表1 控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向

2.4 3 路紅外循跡模塊

智能小車的避障功能采用3 路紅外循跡模塊，輸出3 路開關(guān)量，接單片機(jī)的普通IO 口，3 路紅外傳感器的電路如圖4 所示。

圖4 3 路紅外傳感器電路

3 路紅外傳感器的GND 接地，VCC 供電，X1、X2、X3 各自對(duì)應(yīng)1 對(duì)紅外探頭。 紅外發(fā)射管發(fā)射光線到路面，遇到白底則被反射，接收管接收到反射光，經(jīng)觸發(fā)器整形后輸出低電平，紅外探頭亮；遇到黑線時(shí)則被吸收，接收管接收不到反射光，經(jīng)觸發(fā)器整形后輸出高電平，紅外探頭滅［9］。 3 路紅外循跡模塊能夠使智能小車沿著黑色線路行駛，并且不脫離黑色軌道。

2.5 紅外避障模塊

智能小車選用的避障模塊是紅外光電傳感器，該模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，有1 對(duì)紅外線發(fā)射與接收管， 接通電源后紅色指示燈亮起，通過發(fā)射和接收紅外線判斷前方是否有障礙物。可以通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離（有效距離2～30 cm），工作電壓5 V，電流18～30 mA［10］。該傳感器的探測(cè)距離可通過電位器調(diào)節(jié)， 具有干擾小，便與安裝的優(yōu)點(diǎn)。

2.6 紅外遙控模塊

如圖5 所示，紅外遙控模塊由發(fā)射和接收兩部分組成，應(yīng)用編碼/解碼專用集成芯片進(jìn)行操作控制，接收頻率為38 kHz。 紅外遙控器的主要作用是將遙控發(fā)射器發(fā)出的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行放大、限幅、檢波和整形處理，形成遙控指令脈沖，輸出至遙控微處理器。 紅外遙控方式具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 紅外遙控模塊組成框圖

2.7 WiFi 模塊

WiFi 模塊可以搭載其他設(shè)備模塊，實(shí)現(xiàn)不同的控制和視頻傳送功能。 如圖6 所示，WiFi 模塊與STM32F103 單片機(jī)連接， 用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖6 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊連接結(jié)構(gòu)框圖

智能小車通過串口轉(zhuǎn)換軟件在上位機(jī)發(fā)送指令給單片機(jī)串口，經(jīng)單片機(jī)串口控制IO 口的電平，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，再把USB 攝像頭的視頻進(jìn)行編碼， 然后通過WiFi 模塊返回給上位機(jī)軟件，這樣就可以在控制軟件上看到圖像［11］。

2.8 SG90 舵機(jī)

SG90 舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器， 接收機(jī)或單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給舵機(jī)，舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20 ms、寬度1.5 ms 的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。 舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是通過調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn)PWM 信號(hào)的周期固定為20 ms（50 Hz），控制方式是PWM 時(shí)序。舵機(jī)控制參數(shù)見表2。

表2 180°舵機(jī)控制參數(shù)

2.9 智能小車硬件

按照相應(yīng)的元器件結(jié)構(gòu)以及組裝接線順序完成智能小車的組裝， 智能小車成品如圖7 所示。

圖7 智能小車成品

3 系統(tǒng)軟件

硬件設(shè)計(jì)和安裝完畢之后，需要做的是程序的編寫和燒錄。 智能小車的程序代碼是采用C++語言編寫的， 采用Keil5 軟件生成智能小車需要執(zhí)行的操作文件，通過ST-Link V2 調(diào)制下載器下載程序。 手機(jī)端設(shè)計(jì)HJduino-STM32 APP 對(duì)小車進(jìn)行控制。

3.1 循跡功能設(shè)計(jì)

智能小車的循跡功能是通過小車前面的3路紅外循跡模塊實(shí)現(xiàn)的。 大多數(shù)紅外循跡方式是當(dāng)左邊的紅外傳感器檢測(cè)到偏移黑線時(shí)小車往右偏，當(dāng)右邊的紅外傳感器檢測(cè)到偏移黑線時(shí)小車往左偏，這種循跡方式無法保證精度，而采用AD 模式采集紅外接收管信號(hào)，精度較高。 筆者設(shè)計(jì)的智能小車循跡是根據(jù)單片機(jī)通過內(nèi)部AD 采集循跡傳感器模擬量，然后通過調(diào)整PID 參數(shù)控制舵機(jī)角度來實(shí)現(xiàn)的［12］。

循跡模塊模擬圖如圖8 所示，左、右紅外傳感器的作用是判斷傳感器距離黑線邊界的距離，離黑線邊界越遠(yuǎn)則AD 值越大， 中間紅外傳感器的作用是判斷傳感器是否在黑線內(nèi)。 假設(shè)左右兩個(gè)紅外傳感器間的距離和軌道黑線的寬度同為4 cm， 則傳感器從左到右移動(dòng)獲取的圖像如圖9所示。

圖8 循跡模塊模擬圖

圖9 左、右傳感器向右移動(dòng)獲取的圖像

將右傳感器的值減去左傳感器的值，所得結(jié)果如圖10 所示，可見，獲得的有限數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在4 cm 的黑線范圍內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)為零時(shí)表示小車循跡方向沒有偏差，當(dāng)數(shù)據(jù)大于零時(shí)小車左偏，當(dāng)數(shù)據(jù)小于零時(shí)往右偏，數(shù)值越大則小車偏移越大。

圖10 左、右傳感器相減所得的圖像

當(dāng)智能小車的速度過快時(shí)，小車容易沖出黑線循跡范圍， 根據(jù)圖10 可知有效長(zhǎng)度左邊和右邊有一段區(qū)域未被使用，可以將左右兩端未被使用的數(shù)據(jù)納入到有效數(shù)據(jù)之內(nèi)。 通過中傳感器獲得左、右閾值點(diǎn)，圖像如圖11 所示，可見，當(dāng)中傳感器小于閾值時(shí)，通過判斷左右傳感器的差值來處理左右兩邊的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)斜率為原來的兩倍，最終得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖12 所示，寬度是原來的3 倍，這樣小車就不會(huì)偏離軌道。

圖11 中傳感器獲得的左、右閾值點(diǎn)圖像

圖12 數(shù)據(jù)處理的最終圖像

3.2 WiFi 程序

WiFi 模塊是通過串口通信協(xié)議在智能小車與手機(jī)建立通信， 通過手機(jī)端發(fā)送遙控指令，物體通過鏡頭生成光學(xué)圖像投射到圖像傳感器上，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過A/D 后轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，最后送到DSP 加工處理，由DSP將信號(hào)處理成特定格式的圖像傳輸?shù)绞謾C(jī)顯示屏［13］。

通過HJduino-STM32 APP 將手機(jī)連接上小車的WiFi，設(shè)置IP 地址控制端口，然后通過操控按鈕發(fā)送指令，智能小車接收到指令后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。 通過手機(jī)軟件可操控智能車。

在手機(jī)軟件上，通過云臺(tái)控制，調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使攝像頭能夠捕捉周圍畫面，左邊按鈕能夠使小車完成前、后、左、右和有斜度的方向的行進(jìn)， 右邊按鈕能夠通過舵機(jī)調(diào)節(jié)攝像頭角度。

電腦端同樣可以連接智能小車的WiFi 模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的操控，進(jìn)行拍照并以jpg 格式保存。

3.3 避障功能程序

智能小車的避障模塊選擇的是兩個(gè)紅外光電傳感器，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號(hào)經(jīng)紅外接收管接收后，由集成芯片放大、比較后輸出一個(gè)低電平信號(hào)，點(diǎn)亮模塊上的LED 發(fā)光管。 智能小車的避障流程如圖13 所示。

圖13 智能小車的避障流程

由圖13 可知，如果沒有檢測(cè)到任何物體，則小車直行；左邊探頭檢測(cè)到物體時(shí)，則小車后退500 ms、右轉(zhuǎn)500 ms；右邊探頭檢測(cè)到物體時(shí)，小車后退500 ms、左轉(zhuǎn)500 ms；左、右兩側(cè)都檢測(cè)到物體時(shí)，小車后退700 ms、右轉(zhuǎn)500 ms。避障程序源碼如圖14 所示。

4 結(jié)束語

智能小車以STM32F103 單片機(jī)作為主控核心， 對(duì)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、WiFi 及傳感器等模塊進(jìn)行控制，經(jīng)過多次調(diào)試和測(cè)試驗(yàn)證后，成功實(shí)現(xiàn)了自主循跡避障、手機(jī)軟件控制等功能，后期加以完善，即可投入市場(chǎng)，應(yīng)用于勘探、消防、無人駕駛及環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域。