姜嬋

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710077）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，已逐漸滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)下人工智能技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，人們對(duì)智能化設(shè)備的需求也越來(lái)越多。原本很多由人來(lái)完成的工作正逐漸被各種智能化設(shè)備所代替，我們的工作、生活也變得越來(lái)越方便。智能小車也屬于人工智能當(dāng)中的一員，隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的推廣，智能小車成為近年來(lái)被廣泛研究的對(duì)象。目前，世界上許多國(guó)家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，智能車輛已成為環(huán)境探測(cè)、軍事偵察、排除險(xiǎn)情以及自動(dòng)化物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備[1]。智能車輛的主要特點(diǎn)是能夠通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，沿著預(yù)先設(shè)定好的軌跡自主行進(jìn)，并且在復(fù)雜的道路情況下還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操控車輛繞開(kāi)障礙物[2]。智能小車是智能車輛眾多研究方向當(dāng)中的一個(gè)分支，是典型的集多種高新技術(shù)為一體的綜合體。本次設(shè)計(jì)的智能小車能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)視頻采集傳輸，具有自動(dòng)循跡避障功能，可實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，并且可以使用軟件系統(tǒng)調(diào)控行駛速度，使小車自動(dòng)保持安全距前行，而且可以使用電腦客戶端或手機(jī)APP通過(guò)WiFi對(duì)其進(jìn)行控制，操作方便。

1 智能小車硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于智能小車的整體設(shè)計(jì)而言，控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)優(yōu)良與否，關(guān)系著智能小車的智能化水平?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案也決定了智能小車的功能以及后續(xù)的功能擴(kuò)展。在保障系統(tǒng)良好運(yùn)行的前提下，考慮到實(shí)驗(yàn)成本等現(xiàn)實(shí)情況，本設(shè)計(jì)采用比較常用且價(jià)格低廉的STC89C52單片機(jī)作為控制核心，控制各個(gè)模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。本系統(tǒng)的可移植性較好，若選用性能更優(yōu)的芯片作為控制芯片，也能夠更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。其中超聲波傳感器可以用來(lái)檢測(cè)道路上是否有障礙，通過(guò)對(duì)小車與障礙物之間距離的測(cè)量以實(shí)現(xiàn)避障，而紅外傳感器則可以使小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。利用L298N模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使整個(gè)車體運(yùn)動(dòng)。通過(guò)WiFi模塊進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的傳遞和處理，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的無(wú)線遙控功。通過(guò)電源電路是為整個(gè)小車系統(tǒng)供電；路由器輸出的3.3V串口電平則通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的高低電平信號(hào)；視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集則由攝像頭來(lái)完成；報(bào)警提示功能由蜂鳴器電路完成；小車在夜間行駛時(shí)所需要的燈光由照明電路提供。各個(gè)子模塊之間通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，使整個(gè)系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)而使小車具有較高的自適應(yīng)能力。本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.1 控制模塊

STC89C52采用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能微控制器。相對(duì)于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，STC89C52做了一定的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。STC89C52作為微控制器，具有性能穩(wěn)定可靠，執(zhí)行速度快，易于開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，適宜作為小車的主控制芯片。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車的運(yùn)動(dòng)是依靠電機(jī)帶動(dòng)來(lái)完成的。直流電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，采用單片機(jī)與直流電機(jī)相互配合而構(gòu)成的控制系統(tǒng)可以完成對(duì)智能小車的控制[3]。單片機(jī)根據(jù)傳感器采集到的路況信息發(fā)出控制指令，控制電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到控制小車運(yùn)動(dòng)方向的目的。本文所描述的智能小車采用雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，小車的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向由左右兩側(cè)的兩個(gè)直流電機(jī)來(lái)控制，其中小車左側(cè)的兩個(gè)車輪的運(yùn)行由左側(cè)電機(jī)來(lái)控制，右側(cè)兩個(gè)車輪的運(yùn)行則由右側(cè)電機(jī)來(lái)控制，每個(gè)電機(jī)都經(jīng)過(guò)變速齒輪與軸相連，從而控制相應(yīng)一側(cè)前后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。小車的轉(zhuǎn)向控制可通過(guò)調(diào)節(jié)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速的不一致來(lái)實(shí)現(xiàn)。直流電機(jī)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298N是一款單片集成的高電壓、高電流的驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，應(yīng)用非常廣泛，另外，L289N 還具有過(guò)溫保護(hù)和高噪聲抑制比，因此對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制智能小車十分適用。由于L298N芯片無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)PWM信號(hào)的調(diào)整需要通過(guò)控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到改變電機(jī)的輸出功率的目的，進(jìn)而控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。

1.3 電源模塊

電源模塊是整個(gè)小車系統(tǒng)當(dāng)中必不可少的一部分，對(duì)小車整個(gè)系統(tǒng)的性能影響非常大。其作用是為整個(gè)小車系統(tǒng)供電，是小車的動(dòng)力來(lái)源[5]。為保障整個(gè)小車系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要通過(guò)電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的電壓。電源模塊需要分別為控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電。因電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的電壓更高些，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到系統(tǒng)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用雙電源，分別給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)供電[6]。

1.4 WiFi模塊

相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)受地理位置和布線的限制，應(yīng)用范圍較小的缺點(diǎn)而言，WiFi網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣，布線成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。而且WiFi信號(hào)強(qiáng)度高，不容易被空間環(huán)境限制，其安全性和可靠性也比較高。當(dāng)前WiFi網(wǎng)絡(luò)作為人們工作生活中的一部分，隨處可見(jiàn)，對(duì)人們工作生活的影響也越來(lái)越大。WiFi模塊作為計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信中介，兩端都通過(guò)WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與交換[7]。本系統(tǒng)以電腦或手機(jī)作為上位機(jī)，小車作為下位機(jī)，上位機(jī)和下位機(jī)同時(shí)連接到WiFi模塊獲取相應(yīng)的WiFi信號(hào)，上位機(jī)和作為下位機(jī)的小車可獲取相同的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的連接，然后使用電腦或手機(jī)上的控制軟件，以WiFi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)為載體發(fā)送相關(guān)信號(hào)，WiFi模塊將接收的PC或手機(jī)發(fā)送的相關(guān)信號(hào)，分析轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的TTL電平信號(hào)，然后發(fā)送到單片機(jī)。單片機(jī)再將接收到的電平信號(hào)處理后發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)汽車前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎等功能。

1.5 實(shí)時(shí)視頻采集模塊

當(dāng)前，圖像采集技術(shù)已逐漸成熟，為保證傳輸視頻的清晰程度，本系統(tǒng)采用具有USB接口的高清720p數(shù)字化攝像頭采集視頻圖像信息。此攝像頭具有畫質(zhì)清晰，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使用時(shí)只需要配置USB驅(qū)動(dòng)即可，很大程度上降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。同時(shí)利用兩個(gè)舵機(jī)做成一個(gè)云臺(tái)，將攝像頭固定在云臺(tái)上，通過(guò)STC89C52單片機(jī)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，使攝像頭可實(shí)現(xiàn)上下、水平方向180度旋轉(zhuǎn)，把我們需要采集的視頻圖像信息通過(guò)攝像頭傳送到電腦等終端設(shè)備，并在其應(yīng)用軟件中顯示攝像頭采集到的視頻圖像信號(hào)。本系統(tǒng)設(shè)有照明電路，可為小車在夜間行駛提供照明，這樣也可以方便小車進(jìn)行夜間圖像信息的采集。

1.6 循跡、避障模塊[8]

小車采用紅外對(duì)射式傳感器完成循跡功能，此傳感器具有非接觸檢測(cè)的特點(diǎn)，且具有高發(fā)射功率和高靈敏度的特點(diǎn)。根據(jù)紅外對(duì)射式傳感器工作原理可知，紅外接收管是否截止，取決于紅外發(fā)射管的紅外線能否被遇到的顏色吸收掉，若被吸收，則紅外接收管截止，同時(shí)在輸出端將得到低電平。而紅外接收管是否導(dǎo)通，取決于其發(fā)出的紅外線能否被遇到的顏色反射，接收管接收到反射信號(hào)后，則紅外接收管導(dǎo)通，同時(shí)輸出端得到高電平，通過(guò)檢測(cè)電平變化來(lái)得到需要的信號(hào)[9]。

避障系統(tǒng)需要考慮環(huán)境監(jiān)測(cè)，智能控制等功能，另外，小車在躲避障礙物的過(guò)程中，會(huì)偏離既定行駛路線，這就需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整行駛路線，這還需要避障系統(tǒng)具有路線規(guī)劃的功能。超聲波測(cè)量距離是目前比較成熟的一種技術(shù)，應(yīng)用比較廣泛。準(zhǔn)確度高是超聲波傳感器的特點(diǎn)，因此采用超聲波傳感器來(lái)完成避障功能。單片機(jī)通過(guò)指令控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波遇到障礙物會(huì)被反射回來(lái)，單片機(jī)利用內(nèi)部定時(shí)器記錄超聲波從發(fā)射到反射回來(lái)所需要的時(shí)間，通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算就可以判斷出小車與障礙物的距離。超聲波傳感器的探測(cè)范圍有限，需要在其探測(cè)范圍內(nèi)，才能準(zhǔn)確檢測(cè)出小車與障礙物的距離。當(dāng)探測(cè)到障礙物接近智能小車時(shí)，單片機(jī)將作出判斷，并將相應(yīng)的信號(hào)傳遞給小車，控制小車做出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，改變運(yùn)動(dòng)軌跡，以避免發(fā)生碰撞。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能小車的主控系統(tǒng)需要對(duì)各模塊進(jìn)行控制，這就需要軟件的設(shè)計(jì)和硬件系統(tǒng)相匹配[10]，軟件設(shè)計(jì)也是智能小車設(shè)計(jì)過(guò)程中很重要的一部分，軟件編寫得好壞直接影響系統(tǒng)的可靠性。為方便后續(xù)的系統(tǒng)軟件升級(jí)，本設(shè)計(jì)采用模塊化編程的方法。主控程序的主要任務(wù)是系統(tǒng)初始化，控制各硬件子模塊運(yùn)行，根據(jù)接收到的外部指令執(zhí)行相應(yīng)的子程序。小車主程序流程圖如圖2所示。

2.1 循跡模塊軟件設(shè)計(jì)

循跡模塊的主要作用是讓小車沿著既定的路線行進(jìn)，小車在行進(jìn)的過(guò)程中需要識(shí)別地面規(guī)劃路線的顏色，所以程序編寫的過(guò)程當(dāng)中要考慮數(shù)據(jù)的處理，比如數(shù)據(jù)的采集和傳遞等，其軟件部分的設(shè)計(jì)流程如圖3所示[11]。

2.2 避障模塊軟件設(shè)計(jì)

避障系統(tǒng)的作用是判斷障礙物與小車的距離，調(diào)整小車的運(yùn)行軌跡。模塊運(yùn)行后，系統(tǒng)初始化，小車開(kāi)始行進(jìn)，超聲波傳感器判斷行進(jìn)途中是否有障礙物，若有障礙物，小車暫停行進(jìn)，同時(shí)調(diào)整前進(jìn)角度，再判斷是否有障礙物，然后確定是繼續(xù)行進(jìn)還是繼續(xù)調(diào)整角度。當(dāng)然，小車在行進(jìn)的過(guò)程當(dāng)中，障礙物的大小以及小車和障礙物之間的距離遠(yuǎn)近都會(huì)影響小車響應(yīng)的時(shí)間，如圖4所示。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)組裝小車為基礎(chǔ)，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)智能小車的WiFi控制模塊，循跡避障模塊以及實(shí)時(shí)視頻采集模塊，周圍環(huán)境的探測(cè)采用紅外傳感器和超聲波傳感器來(lái)完成，同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析綜合。并取得以下成果：（1）在無(wú)外部環(huán)境影響或改變時(shí)，小車可以實(shí)現(xiàn)按照預(yù)定標(biāo)記路線運(yùn)動(dòng)，小車的這個(gè)功能可以應(yīng)用在自動(dòng)化物流運(yùn)輸環(huán)境當(dāng)中。（2）為提高小車在轉(zhuǎn)彎處的速度，需要對(duì)循跡傳感器的布局做一定的優(yōu)化，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器不在同一直線布局時(shí)，安裝在小車左右兩邊以及后面的傳感器具有更大的采樣空間，而安裝在前面的傳感器則具有更好的視線，因此，當(dāng)需要檢測(cè)多彎道軌跡時(shí)，循跡傳感器采用M型布局更加合理[12]。（3）小車具有一定的擴(kuò)展功能。循跡小車在完成預(yù)先設(shè)計(jì)的前提下，為了降低成本，便于后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以及功能擴(kuò)展，保留了相應(yīng)的程序接口和硬件接口，從設(shè)計(jì)方面來(lái)講，這樣做的要求并不高，沒(méi)有將車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，同時(shí)也沒(méi)有增加冗余的電路功能。（4）小車能夠?qū)崟r(shí)采集圖像信息，并且具有可移動(dòng)的特點(diǎn)，在智能家居應(yīng)用中，可利用小車隨時(shí)巡視查看屋內(nèi)各個(gè)位置的情況，避免存在視覺(jué)死角的問(wèn)題。另外，還可以用智能小車遠(yuǎn)程控制家中的家用電器，室內(nèi)溫度等。當(dāng)然，小車還需要在夜間環(huán)境信息采集的清晰度和避障功能的精確性和靈活度方面再做進(jìn)一步的研究。