基于嵌入式的智能小車設(shè)計

張曉明

（廣東一鼎科技有限公司，佛山 528061）

基于嵌入式的智能小車設(shè)計

張曉明

（廣東一鼎科技有限公司，佛山 528061）

本文介紹應(yīng)用機器人技術(shù)的智能小車。它屬于移動機器人，其硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)要進(jìn)行分步調(diào)試以及統(tǒng)一調(diào)試，控制中心采用嵌入式的方式，并能利用Android手機和藍(lán)牙實現(xiàn)和智能小車的數(shù)據(jù)信息交流。筆者主要分析該智能小車的軟件設(shè)計、硬件設(shè)計等方面的內(nèi)容。

嵌入式云計算智能小車Android系統(tǒng)軟件硬件

機器人技術(shù)在一定意義上代表了智能技術(shù)的發(fā)展水平，機器人智能小車能完成很多人類無法做到的精密工作，而且還能勝任許多危險性高、難以控制的工作，如拆彈等操作。另外，許多工作會對人體健康產(chǎn)生危害，此時機器人智能小車的使用就能將人解放出來。因此，加強對機器人智能小車的研究十分必要。

1智能小車的軟件設(shè)計

智能小車各個軟件程序通過云計算技術(shù)組合在一起，并分工合作，共同實現(xiàn)對智能小車的控制。云計算系統(tǒng)中應(yīng)用了很多技術(shù)，其中包括虛擬化、云計算平臺管理、數(shù)據(jù)管理、編程、數(shù)據(jù)存儲，而虛擬化技術(shù)是其中的重中之重。由于云計算技術(shù)的應(yīng)用，智能小車真正實現(xiàn)了“小”這一特點。它將軟件控制系統(tǒng)移步于云計算平臺，大大減小了智能小車的體積和硬件的復(fù)雜程度，也實現(xiàn)了對智能小車行為的遠(yuǎn)程控制。

1.1 Android系統(tǒng)設(shè)計

Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序內(nèi)有很多組件，事實上這些組件都是API框架中的一類—Java類［1］。通過繼承該類，并對其功能進(jìn)行改進(jìn)，就能實現(xiàn)用戶應(yīng)用程序的創(chuàng)建。Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要包括服務(wù)、提供內(nèi)容、廣播接收以及活動4種。在此選用32bit的 Windows7系統(tǒng)進(jìn)行Android系統(tǒng)的安裝，其流程為下載安裝 JDK、下載Eslipse、下載安裝Android系統(tǒng)的SDK、下載安裝ATD、創(chuàng)建Android系統(tǒng)的模擬器［2］。

1.2智能小車各個功能軟件的設(shè)計

（1）超聲波部分程序的設(shè)計。通過了解超聲波傳感器測距的方法和原理，同時分析該傳感器的硬件設(shè)計，可以知道，要想順利實現(xiàn)超聲波測距功能的發(fā)揮，就必須對這一模塊進(jìn)行初始化操作，利用I/O端口將持續(xù)時間超過10微秒的觸發(fā)脈沖輸出，進(jìn)而將設(shè)備打開，然后再測定超聲波模塊上的ECHO端口是否輸出高電平，通過計算高電平持續(xù)的時間，測定出障礙物與智能小車的距離。

（2）電機驅(qū)動部分的設(shè)計。通常，在對這一模塊進(jìn)行設(shè)計時會先制定設(shè)計方案，主要是對智能小車的控制處理器進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)常使用PWM驅(qū)動控制電機。初始化這一驅(qū)動模塊后，自行定義電機的頻率、輸入設(shè)備的接口和輸出設(shè)備的接口，然后再打開驅(qū)動程序的文件。驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)能夠隨著電機內(nèi)運轉(zhuǎn)控制的邏輯電平變化而發(fā)生改變。驅(qū)動程序設(shè)計的關(guān)鍵在于怎樣才能通過延時函數(shù)的計算，將引腳設(shè)置成高低電平，從而實現(xiàn)智能小車的運動。

圖1通信電路設(shè)計分布圖

2　智能小車硬件設(shè)計

2.1電機驅(qū)動的設(shè)計

機器人智能小車的驅(qū)動電機經(jīng)常采用電機驅(qū)動為直流電機或者步進(jìn)電機。通過對兩者的性能、價格、使用壽命等方面進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)直流電機更適合應(yīng)用在智能小車的設(shè)計中。

開關(guān)型驅(qū)動方式是直流電機最常用的驅(qū)動方式，其中因為PWM操作起來比較簡單而被廣泛應(yīng)用在智能小車中。開關(guān)型驅(qū)動方式能夠更改PWM信號占空比，從而控制直流電機的運行速度。為方便系統(tǒng)安裝，同時提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以會將L298N集成芯片應(yīng)用其中。這一芯片能夠承受較高的電流和電壓，工作時能夠接受的最高電壓不會超過46V，瞬間電流的峰值能夠到達(dá)4A。

2.2通信系統(tǒng)的設(shè)計

對于基于嵌入式的智能小車來說，它開發(fā)、研究和調(diào)試的基礎(chǔ)就是串口。處理器的軟件和硬件都能輕易實現(xiàn)串口協(xié)議，且很大一部分計算機和控制器會自帶串口，從而為各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸提供便利。將串口應(yīng)用在智能小車和上位機之間方便其通信，能夠有效提高智能小車內(nèi)系統(tǒng)調(diào)試開發(fā)的效率，并且在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)程序故障方面也有很高的準(zhǔn)確性。在實際的設(shè)計中，通常會使用S3C6410處理器。它有3個不同功能的串口，分別為USB接口串口、存儲串口、JTAG串口［3］，通信電路設(shè)計分布如圖1所示。

2.3傳感模塊的設(shè)計

基于嵌入式的智能小車傳感器可選擇的類型很多，以下筆者介紹幾種智能小車經(jīng)常使用的傳感器。

（1）超聲波傳感器設(shè)計。超聲波傳感器利用超聲波的直線傳遞特性進(jìn)行測定。它發(fā)射的超聲波頻率通常在40kHz～50kHz之間。將它安裝在智能小車上，不是為了利用超聲波自身的性能進(jìn)行檢測，而是將其作為工具，利用它的反射性來測定周圍環(huán)境中具體物件的距離和方位。當(dāng)前，使用最多的超聲波傳感器為HC-SR04傳感器。它包括控制電路、發(fā)射器、接收器3個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)不接觸物件的情況下測定其大小的目標(biāo)，其測量的準(zhǔn)確度能夠降到3mm。

（2）溫度傳感器設(shè)計。溫度傳感器主要利用對溫度比較敏感的材料制成。這些材料的物理性質(zhì)能夠隨著溫度的改變而產(chǎn)生變化，進(jìn)而傳感器內(nèi)的信號傳遞系統(tǒng)將溫度變化的信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳遞給控制系統(tǒng)。在將溫度傳感器安裝在智能小車上進(jìn)行測量時，必須選擇適宜的位置。和其他型號的溫度傳感器相比，DS18B20傳感器的性能更加優(yōu)良。因此，在實際設(shè)計制作時應(yīng)用比較廣泛。它主要通過一個單線的端口，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸工作，具有體積小、樣式多、使用方便等優(yōu)點。采用的電源電壓為5V，準(zhǔn)確測定溫度的范圍在負(fù)50～120℃［4］。

（3）速度傳感器設(shè)計。要想增強智能小車的伺服性能，必須盡可能提高智能小車的運動速度。其中，能夠有效提高其速度的傳感器包括霍爾傳感器和光電編碼器。通過比較發(fā)現(xiàn)，光電編碼器的環(huán)境適應(yīng)性較差，如果沒有將其密封好，就會影響其性能的發(fā)揮。因此，設(shè)計時的首選是霍爾傳感器?；魻杺鞲衅髦饕峭ㄟ^霍爾效用的運用制作而成的有源磁電變換器件。當(dāng)利用該傳感器測定智能小車的運動速度時，通常將霍爾開關(guān)檢測裝置安置在車輪位置的發(fā)出鐵磁脈沖信號的位置上。在實際設(shè)計時，通常會選擇CS3120霍爾傳感器。它能適應(yīng)范圍較廣的電源電壓，而且反應(yīng)靈敏準(zhǔn)確，具有很強的耐高溫性能，能夠直接與MOS、TTL邏輯電路相連接。

（4）電路設(shè)計。能夠保證機器人智能小車能夠可靠安全運行的關(guān)鍵是穩(wěn)壓電路。它的主要功能是為外圍設(shè)施和控制中心提供足夠的能源，同時也為小車的電機提供充足動力。經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，交流轉(zhuǎn)直流的電流不能和機器人智能小車完全匹配。因為電路中的電機驅(qū)動的電源電壓為10V，而其他電源能夠通過變化電壓得到10V電壓。在設(shè)計智能小車的電源時，經(jīng)常會使用容量為5000mAh、輸出電壓為9V的充電鋰電池為整個控制系統(tǒng)的電源。它的外圍器件的電源所需電壓為5V，可以利用7805芯片獲得［5］。該芯片為三端穩(wěn)壓的集成電路，使用的外圍元件較少，功能包括保護(hù)電路、集成過流、集成過熱以及調(diào)整電路，性價比較高。穩(wěn)壓電路輸出電壓的最大值為36V。通常情況下，它的輸入電壓為10V～12V［6］。

3　結(jié)束語

科技的發(fā)展給人們的生活方式和工作方式帶來很大變化。嵌入式智能小車的廣泛應(yīng)用，也在很大程度上促進(jìn)了我國工業(yè)內(nèi)部小型變革的發(fā)生。機器人智能小車能夠節(jié)省大量勞動力，大幅度提高工業(yè)生產(chǎn)的精確性，提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。本文筆者詳細(xì)介紹基于嵌入式的智能小車硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，希望能夠促進(jìn)智能小車設(shè)計制作水平的提高。

［1］彭超.基于嵌入式的智能小車的研究和設(shè)計［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

［2］梁明亮，孫逸潔.嵌入式智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動化，2012，（22）：87-89，94.

［3］孫青.基于嵌入式控制系統(tǒng)的自動導(dǎo)引小車設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2010.

［4］石億.嵌入式智能小車運動控制系統(tǒng)的研制［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，2012.

［5］孫楠.嵌入式智能尋跡小車的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.大連：遼寧師范大學(xué)，2009.

［6］張耀辰.基于嵌入式的多功能智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.才智，2015，（3）：340，342.

Intelligent Vehicle Based on Embedded Design

ZHANG xiaoming
（Guangdong EDING Industrial Co.，Ltd.Foshan 528061）

This article describes the application of the smart car robot technology，it belongs to the robot，its hardware and software systems to be unified division commissioning and commissioning，the control center embedded manner，and can take advantage of Android phonesandBluetoothandachievesmartcardataexchangeof information.The author analyzes the contents of the smart car is the software design，hardware design and other aspects.

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