復雜路況下智能小車(chē)的設計

作者 / 傅海軍 段少飛 李炫君 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院(江蘇 鎮江)

江蘇大學(xué)高等教育教改研究立項課題 (2017JGYB045) ;江蘇大學(xué)大學(xué)生科研立項資助項目(15B114)

摘要：本文研究復雜路況下多功能智能小車(chē)的設計，硬件設計以STC 89C52RC為核心，通過(guò)HC-06藍牙模塊實(shí)現與Android手機通訊并實(shí)現遠程操控，并利用1602液晶顯示模塊來(lái)實(shí)現交互。小車(chē)驅動(dòng)方面采用了L298N為驅動(dòng)模塊，另采用ST188紅外光電傳感器以實(shí)現小車(chē)自動(dòng)尋路功能。本項目使用的控制軟件是通過(guò)MIT APP Inventor平臺設計的。

1 引言

　　智能小車(chē)作為智能機器人的雛形，它通過(guò)內外傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)，完成相應動(dòng)作。是一個(gè)在復雜環(huán)境中實(shí)現自主作業(yè)的自動(dòng)控制系統，屬于陸地自主行駛車(chē)輛的一種。它涉及到單片機、傳感器、信息融合、通信接口、導航控制、人工智能以及自動(dòng)控制等一系列高新技術(shù)。研究適應復雜環(huán)境的智能車(chē)對我國科技的發(fā)展具有重要意義，機器對環(huán)境的耐受能力是高于人類(lèi)的，在諸如火災、地震等災害后的現場(chǎng)搜救中，這類(lèi)機器能發(fā)揮出很大作用。目前國內外都有類(lèi)似功能的機器人，但功能還不夠完善且由于行走系統不完善，不能適應復雜環(huán)境。還有未知地區的探索，如礦洞、極地等，甚至外星探索用的考察車(chē)也屬于智能小車(chē)的研究范圍。本設計以51單片機為核心，可以實(shí)現自動(dòng)避障、遠程藍牙操控等功能，以應對可能出現的復雜環(huán)境。另外本設計在開(kāi)發(fā)時(shí)就預留了其他功能接口，可以方便的實(shí)現改裝升級，例如加入視頻監控模塊、尋跡模塊等，都很方便。

2 系統總體設計

　　系統的功能主要依靠四個(gè)模塊來(lái)完成，分別為藍牙通訊模塊，1602液晶顯示模塊，直流減速電機驅動(dòng)模塊，自動(dòng)避障模塊。設計以Android手機為控制平臺，通過(guò)HC-06藍牙接收模塊與手機端藍牙連接配對，實(shí)現手機與51單片機的通訊并通過(guò)命令來(lái)控制小車(chē)行動(dòng)。一般情況下小車(chē)能夠自動(dòng)探索。L298N電機驅動(dòng)模塊同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)電機，通過(guò)單片機控制兩個(gè)電機分別正、反轉來(lái)實(shí)現智能小車(chē)前進(jìn)、后退、左右轉向及掉頭，每一步命令開(kāi)始或動(dòng)作結束，都會(huì )在1602液晶顯示模塊和手機端顯示出來(lái)，易于控制。系統采用7.2 V電池供電，此電源可直接給L298N供電，51單片機的供電電源采用L298電機驅動(dòng)模塊上自帶的5 V電源輸出，這二者正常工作需要共地。系統總框圖如圖1所示。

3 系統硬件

　　系統主要硬件包括：STC89C52最小系統、HC-06藍牙模塊、LCD1602液晶顯示模塊、 電機驅動(dòng)模塊等，另外本設計采用手機來(lái)實(shí)現遠程控制。硬件原理圖如圖2所示。

　　3.1 主控系統選擇

　　本系統采用STC89C52RC作為核心,這是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash存儲器，512字節RAM，是一款十分經(jīng)典的單片機，本設計采用這款單片機的原因是其性能足夠支持智能小車(chē)完成各種復雜動(dòng)作，且相關(guān)資料十分豐富，結構簡(jiǎn)單，適合研究設計。

　　3.2 HC-06藍牙模塊

　　本設計采用HC-06藍牙模塊作為智能小車(chē)與手機端通信的橋梁，選中原因是其應用廣泛且價(jià)格低廉，在淘寶上就能購買(mǎi)，方便控制成本。為了實(shí)現HC-06模塊與手機的正常連接，設計中使用了MIT APP Inventor平臺編寫(xiě)了手機端軟件，實(shí)際效果與“聊天”類(lèi)似。使用過(guò)程中，手機作為客戶(hù)端，HC-06藍牙模塊作為服務(wù)器，實(shí)現手機操控單片機的效果?？刂栖浖缑嫒鐖D3所示。

　　3.3 L298N電機驅動(dòng)模塊

　　本設計選用L298N作為電機驅動(dòng)模塊，其特點(diǎn)是工作穩定，可實(shí)現電機正反轉及調速，啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉矩大。其工作電壓可達到36 V，4 A電流，可同時(shí)驅動(dòng)兩臺直流電機，很適合用于機器人及智能小車(chē)的設計。

　　智能小車(chē)的電機使用直流減速電機，這是設計智能小車(chē)最常用的電機。這種電機是在普通電機的基礎上加上減速齒輪組，降低電機轉速的同時(shí)提升扭力，使其可以帶動(dòng)大質(zhì)量物體運動(dòng)，舍棄部分速度換取良好的克服復雜地形的能力。

　　3.4 LCD1602液晶顯示模塊

　　本設計采用1602液晶顯示模塊來(lái)顯示操作參數，方便用戶(hù)的人機交互。1602液晶顯示模塊每一屏可以顯示兩路16位字符，不能顯示中文，可以作為簡(jiǎn)單觀(guān)測窗口觀(guān)測小車(chē)狀態(tài)。本次采用十六腳的LCD1602，其數據命令接口連接單片機P0口，V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，15腳背光正極，16腳背光負極，使用中可以根據實(shí)際效果調整。

　　3.5 自動(dòng)避障模塊

　　設計自動(dòng)避障模塊采用了ST188紅外光電傳感器，其一般電路如圖4，本設計中R1=510 Ω，R2=20kΩ，E為輸出端。

　　為方便控制小車(chē)，設計中使用了4組ST188光電傳感器l1、l2、r1、r2，其輸出端分別對應單片機P3^2、P3^3、P3^6、P3^7口，共有16種不同的狀態(tài)，可以劃分為前行(0000)、左轉90°(0010、0011)、右轉90°(0100、1100)、左轉45°(0001、1001)、右轉45°(1000)、掉頭(1011、1101、1111)、后退左轉90°(0101、0110、0111)、后退右轉90°(1010、1110)共8種轉向方案，更貼近實(shí)際情況。

4 軟件設計

　　軟件系統流程圖如圖5所示。接上電源后， 程序開(kāi)始初始化設置， 藍牙一直在檢測是否收到指令， 如果接收到了指令，則會(huì )根據接收的指令執行，否則會(huì )一直在循環(huán)檢測。當進(jìn)入了自動(dòng)探索模式后， 藍牙模塊停止工作，小車(chē)根據紅外傳感器的返回數據行動(dòng)。

5 實(shí)驗成果分析

　　小車(chē)在實(shí)際檢測過(guò)程中基本實(shí)現了設計功能，在自動(dòng)避障模式下，智能小車(chē)能靈活地實(shí)現避障效果。在藍牙模式下，小車(chē)也能正常的按照指令前進(jìn)、后退和轉向，基本實(shí)現了預期功能，小車(chē)實(shí)物圖如圖6。在系統運行過(guò)程中，由于L298N同時(shí)控制兩個(gè)存在一定差異的電機，造成小車(chē)連續直行時(shí)會(huì )有微小的偏角，加裝光電測速器可以解決此問(wèn)題，但由于小車(chē)本身行進(jìn)速度不快，對于前進(jìn)方向的要求也并不高，所以并不影響小車(chē)性能。另外由于電路設計存在缺陷，在藍牙模塊工作時(shí)，1602液晶顯示模塊會(huì )出現輕微的閃屏現象，這是由于電壓不穩定引起的。

6 總結

　　本文介紹了一種利用移動(dòng)端直接控制智能小車(chē)的思路。本項目是中國各種電子競賽的熱門(mén)項目，網(wǎng)絡(luò )上有很多資料，我們選題時(shí)就考慮過(guò)這個(gè)問(wèn)題。本項目屬于那種研究的人很多，但怎么研究都不會(huì )過(guò)時(shí)的項目，同時(shí)，由于有較多的網(wǎng)上資料及學(xué)院研究相關(guān)項目的人的幫助，智能小車(chē)項目也不至于難到我們無(wú)處下手的地步，這是一個(gè)很適合我們的項目。在這次的項目實(shí)戰中，涉及到很多平時(shí)為人們忽視的東西，例如將自動(dòng)避障的紅外探頭朝向地面，再修改部分程序，就能實(shí)現尋跡功能，很多東西都是互通的。此次設計中，單片機的P3口并沒(méi)有被充分利用，這說(shuō)明本設計的小車(chē)仍具有較大的改進(jìn)空間。另外小車(chē)原本的設計是有視頻錄像模塊的，但考慮到成本及電路優(yōu)化的問(wèn)題，并沒(méi)有將其加入最終成品中，但這也是一個(gè)不錯的設計思路，希望未來(lái)有更好的設計思路和方案。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第36頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。