大學(xué)生創(chuàng)新課程實(shí)例—智能小車平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

郝雯娟， 任嚴(yán)煒

(南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院， 江蘇 南京 211156)

0　引言

大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)是以本科生為主體，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，讓學(xué)生逐漸掌握思考問題、解決問題的方法，從而提高創(chuàng)新實(shí)踐能力[1，2]。

在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐課教學(xué)中，不再采用傳統(tǒng)的灌輸模式，而是以關(guān)注學(xué)生感興趣的課題來設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。此類課程中示教實(shí)例的設(shè)計(jì)和制作可以提高學(xué)生的自主性、創(chuàng)新性和協(xié)作性，教學(xué)質(zhì)量也會(huì)明顯得到提高[3，4]。

隨著當(dāng)下智能控制、無線網(wǎng)絡(luò)、無人駕駛等熱點(diǎn)領(lǐng)域的興起，PC機(jī)與硬件結(jié)合的無線控制系統(tǒng)已成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流。本文針對(duì)我院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)”課程，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線控制智能小車測(cè)試平臺(tái)作為示教實(shí)例。通過該示教實(shí)例，教師可以將一個(gè)完整的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)流程呈現(xiàn)給學(xué)生。此外，由于LabVIEW虛擬儀器用在高校實(shí)驗(yàn)室里可以節(jié)省設(shè)備資源，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加教學(xué)過程的靈活性，本示教實(shí)例設(shè)計(jì)采用基于LabVIEW的系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)[5,6]實(shí)現(xiàn)。

1　測(cè)試平臺(tái)整體設(shè)計(jì)方案

圖1所示為智能小車測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，包括下位機(jī)智能小車部分和上位機(jī)系統(tǒng)LabVIEW監(jiān)控部分。

1.1　智能小車部分

STM32作為一種新興的微控制器芯片，其突出的優(yōu)點(diǎn)是芯片內(nèi)部的高度集成、內(nèi)置較大的存儲(chǔ)容量、高速的運(yùn)算能力以及提供了高質(zhì)量的固體庫，使得開發(fā)設(shè)計(jì)過程十分輕松便捷，以STM32微處理器為核心的控制系統(tǒng)也顯得更加穩(wěn)定與可靠?；赟TM32的最小系統(tǒng)極大的簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)降低了項(xiàng)目開發(fā)成本。因此，本示教實(shí)例的智能小車采用以STM32單片機(jī)為核心控制芯片[3]。

智能小車包括7個(gè)模塊，其中，電源模塊，用于為智能小車供電；STM32單片機(jī)，用于處理數(shù)據(jù)信息，控制每個(gè)模塊正常工作，實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的通信；超聲波測(cè)距模塊，用來測(cè)運(yùn)行過程中可測(cè)范圍內(nèi)是否存在體積較大不可逾越的障礙物；光電測(cè)速模塊，用于檢測(cè)小車的速度；攝像頭模塊，用于傳送智能小車所處的環(huán)境情況；無線串口模塊，用于接收監(jiān)控系統(tǒng)傳輸過來的指令或位置信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)智能小車按照規(guī)劃的路徑行駛到目的地位置。

1.2　系統(tǒng)監(jiān)控部分

系統(tǒng)監(jiān)控部分系統(tǒng)由LabVIEW虛擬儀器控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，LabVIEW的編程方式直觀、簡(jiǎn)便，虛擬儀器的表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，但通過編程很容易改變其設(shè)置和功能[8]?？刂破脚_(tái)由歡迎界面、安全登陸界面、選擇控制界面、智能小車自動(dòng)控制界面以及手動(dòng)控制界面組成。

圖1　智能小車測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2　智能小車硬件設(shè)計(jì)

智能小車的控制核心使用STM32F103RCT6芯片， STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)與個(gè)各檢測(cè)模塊通過引腳連接，實(shí)現(xiàn)核心芯片的控制和模塊數(shù)據(jù)的傳輸，減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量。根據(jù)圖1中智能小車的結(jié)構(gòu)，考慮到降低成本以及讓學(xué)生使用方便，各模塊器件選型盡量選擇成熟的且相對(duì)簡(jiǎn)單的器件，見表1。

表1　智能小車硬件選型

2.1　STM32單片機(jī)控制核心

本文中設(shè)計(jì)使用的是STM32F103RCT6芯片的最小系統(tǒng)，該最小系統(tǒng)包含了F103RCT6核心芯片、電源供電接口、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試接口、系統(tǒng)時(shí)鐘晶振、無線通信接口、OLED液晶接口、用戶按鍵以及LED狀態(tài)指示燈等模塊，板載內(nèi)容較為完善，基本符合本次設(shè)計(jì)需求。其芯片引腳圖如圖2所示。

圖2　STM32F103RCT6引腳圖

通過對(duì)STM32F103RCT6芯片與各模塊對(duì)應(yīng)引腳的電平控制，并且配合芯片內(nèi)置定時(shí)器、中斷以及時(shí)鐘等，實(shí)現(xiàn)多模塊的同時(shí)工作運(yùn)行，增強(qiáng)了系統(tǒng)的信息采集能力[8]。需要說明的是，該芯片的編程和調(diào)試比較簡(jiǎn)單，使用的庫函數(shù)程序開發(fā)方式，較大程度上縮短了智能小車設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間周期，特別適合本科生進(jìn)行科創(chuàng)研究。

2.2　無線通信模塊

上述STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)參照各模塊工作原理進(jìn)行編程，上電后對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行初始化、通過總線通信、串并口傳輸數(shù)據(jù)以及板載電源供電等，將各模塊相互連接組合使用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，完成數(shù)據(jù)采集工作。

下位機(jī)智能小車部分和上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控部分運(yùn)行時(shí)離不開硬件與軟件控制平臺(tái)之間的信號(hào)交互，同步運(yùn)行使得此系統(tǒng)最終得以完備與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)使用HC-12模塊，其無線工作頻段為 433.4～473.0MHz，可設(shè)置多個(gè)通信頻道。通信模塊分由兩個(gè)部分組成，實(shí)際分成兩個(gè)模塊，一塊是HC-12-USB模塊直插電腦的433無線串口模塊兼顧收發(fā)功能，另外一塊則是HC-12遠(yuǎn)距離433無線串口模塊。HC-12-USB模塊通過USB接口接與PC端連接，HC-12模塊通過引腳與STM32控制引腳相連[9]。圖3所示為無線模塊與軟硬件部分的連線圖，中間通過天線傳輸數(shù)據(jù)。

圖3　無線傳輸連線圖

3　系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

本文根據(jù)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)，在LabVIEW前面板設(shè)計(jì)了智能小車系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)。根據(jù)圖1，系統(tǒng)監(jiān)控由四部分組成。其中歡迎界面與安全登陸界面無數(shù)據(jù)傳輸部分，為單純的LabVIEW工程VI運(yùn)行調(diào)用。控制界面包含設(shè)定小車的運(yùn)行時(shí)速，測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)障礙物連接距離以及串口數(shù)據(jù)等參數(shù)的設(shè)置，通過串口發(fā)送給初始等待運(yùn)行的智能小車，為LabVIEW向智能小車發(fā)送數(shù)據(jù)的單向通信。自動(dòng)控制界面與手動(dòng)控制界面采用的是LabVIEW與智能下車之間的雙向通信，自動(dòng)控制界面包含小車電源開關(guān)、運(yùn)行速度的設(shè)定、智能小車實(shí)際運(yùn)行速度以及電源電壓余量數(shù)據(jù)的獲取等，手動(dòng)控制界面則有手動(dòng)智能小車運(yùn)行方向的控制以及攝像頭圖像的采集[10，11]。系統(tǒng)監(jiān)控各部分設(shè)計(jì)如下。

3.1　登錄部分

登陸系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是整個(gè)系統(tǒng)的歡迎界面，另一個(gè)則是系統(tǒng)的安全登陸部分。其中，學(xué)生登錄和教師管理部分主要是針對(duì)批量教學(xué)時(shí)，方便不同的教師管理不同批次的學(xué)生實(shí)驗(yàn)[12]。此外，采用事件結(jié)構(gòu)來設(shè)置登陸、注銷以及退出。登錄系統(tǒng)界面如圖4(a)所示，程序框圖如圖4(b)所示。

(a)安全登錄界面

(b)安全登錄部分程序框圖圖4　登錄平臺(tái)

3.2　控制界面

根據(jù)示教實(shí)例的特點(diǎn)，控制面板在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了各種因素，如主要參數(shù)的統(tǒng)一設(shè)定、通信串口的設(shè)置、智能車自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的選擇、返回登錄以及整個(gè)系統(tǒng)的退出等，所以在LaVIEW里利用容器控件將控制界面分成三個(gè)子平臺(tái)，如圖5所示。

圖5　控制界面

圖5中，教師可通過點(diǎn)擊容器選項(xiàng)卡的表頭來切換所需要顯示的子平臺(tái)。三個(gè)子平臺(tái)分別為：“運(yùn)行參數(shù)”、“界面控制”(含端口配置)以及“其他操作”。每個(gè)選卡對(duì)應(yīng)了許多不同的設(shè)置與操作，以“界面控制”子平臺(tái)為例，“界面控制”子平臺(tái)中有兩個(gè)按鈕分別是“自動(dòng)控制”以及“手動(dòng)控制”，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕就能從當(dāng)前選擇控制面板VI跳轉(zhuǎn)到自動(dòng)控制或者手動(dòng)控制VI界面，教師操作起來十分便利，同時(shí)教師也可在“其他操作”子平臺(tái)中點(diǎn)擊“返回登錄”或者“退出系統(tǒng)”的按鈕，來實(shí)現(xiàn)所需要的功能。

“界面控制”子平臺(tái)里的自動(dòng)控制界面和手動(dòng)控制界面如圖6所示。

自動(dòng)控制界面主要操作有開啟或者關(guān)閉小車運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整小車的運(yùn)行速度、實(shí)時(shí)顯示小車運(yùn)行狀態(tài)以及顯示小車實(shí)際速度和小車電源電量等。自動(dòng)控制界面VI由上層選擇控制面板VI調(diào)用打開，由此進(jìn)入如圖6(a)所示的用戶界面，用戶可以通過電源開關(guān)以及速度旋鈕，向智能小車發(fā)送指令操作，同時(shí)可以在車速儀表盤以及電池電量參數(shù)中看到智能小車傳回的相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

手動(dòng)控制界面包括兩個(gè)主要部分，分別是智能車手動(dòng)控制方向鍵盤和實(shí)時(shí)視頻顯示。如圖6(b)所示，圖中左下部分為智能車控制鍵盤，由四個(gè)方向鍵組成，在VI運(yùn)行時(shí)通過PC鍵盤上的W、A、S及D鍵，可實(shí)現(xiàn)對(duì)LabVIEW平臺(tái)上顯示的鍵盤進(jìn)行控制，其分別對(duì)應(yīng)為W-前進(jìn)、A-左轉(zhuǎn)、D-右轉(zhuǎn)和S-后退。控制面板右邊部分則是智能小車采集到的視頻圖像的實(shí)時(shí)顯示，這樣用戶就可以很方便的看到遠(yuǎn)程圖像，對(duì)方向鍵進(jìn)行操作來控制小車的行進(jìn)。此界面實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)智能小車遠(yuǎn)程控制的同時(shí)，還能夠?qū)崟r(shí)的看到小車監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)畫面，使得整個(gè)系統(tǒng)的利用價(jià)值得到大大提高，使本系統(tǒng)在多領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)控制成為可能。

(a)自動(dòng)控制界面

(b)手動(dòng)控制界面圖6　智能車控制

本示教實(shí)例制作的智能小車實(shí)物如圖7所示。智能小車作為LabVIEW平臺(tái)的操作對(duì)象，肩負(fù)著所有的數(shù)據(jù)采集反饋工作，體現(xiàn)了其在這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不可或缺的地位。智能小車穩(wěn)定運(yùn)行，各模塊之間無干擾的執(zhí)行各種操作、采集數(shù)據(jù)的命令，使得LabVIEW平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)更加精確，教師教學(xué)操作更加得心應(yīng)手。

圖7　智能小車模型

4　結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)無線控制智能小車測(cè)試平臺(tái)，來嘗試一種利用示教實(shí)例來進(jìn)行“大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)”課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

本示教實(shí)例是以智能小車為載體，讓學(xué)生能夠了解和掌握以下知識(shí)：

(1)單片機(jī)類控制芯片以及其最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法；

(2)單片機(jī)類控制芯片的軟件編程方法；

(3)單片機(jī)類控制芯片與其他傳感器及硬件之前的連接以及數(shù)據(jù)傳輸方式；

(4)下位機(jī)與上位機(jī)之間通信方式的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，利用LabVIEW虛擬儀器來控制下位機(jī)并顯示傳輸來的數(shù)據(jù)；

(5)LabVIEW虛擬儀器編程及面板設(shè)計(jì)方法。

由于智能小車的開發(fā)和應(yīng)用涉及到傳感技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、智能控制以及上位機(jī)通信等知識(shí)，目前，該智能小車測(cè)試平臺(tái)已經(jīng)在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐類課程中作為示教實(shí)例多次使用，提高了學(xué)生對(duì)多種知識(shí)的綜合利用和實(shí)踐，教學(xué)效果明顯，很多學(xué)生以該示教實(shí)例為模板，構(gòu)造相似結(jié)構(gòu)的開發(fā)系統(tǒng)，如“智能家居監(jiān)控系統(tǒng)”、“智能教室”“搜救機(jī)器人”等項(xiàng)目，并申請(qǐng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

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