人機(jī)互動(dòng)多功能智能小車的設(shè)計(jì)

李佳鈺

摘要：作品選用普通小車為車體，以Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板為控制核心，用L298N驅(qū)動(dòng)雙直流電機(jī)。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，集成了藍(lán)牙和Wifi等無(wú)線協(xié)議，充分利用智能手機(jī)終端進(jìn)行開發(fā)，將各種控制功能集成到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，360度全方位運(yùn)動(dòng)，使人機(jī)交互更加靈活、方便，體現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。

關(guān)鍵詞：智能小車；人機(jī)交互；語(yǔ)音控制；觸屏控制；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）20-0179-02

作為物聯(lián)網(wǎng)重要的發(fā)展方向，智能機(jī)器人也在市場(chǎng)中應(yīng)運(yùn)而生。智能小車是機(jī)器人中的一種，它涉及多個(gè)學(xué)科，機(jī)械、電工、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)測(cè)量、人工智能、傳感技術(shù)等等，是眾多領(lǐng)域的高科技[1]。全國(guó)電子競(jìng)賽與各省電子競(jìng)賽幾乎每次都有智能小車方面的題目，全國(guó)各大高校也都重視該項(xiàng)目的研究，可見智能小車具有較高的研究意義。

本設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，把物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用到智能小車的研究中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把信息傳感設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。集藍(lán)牙控制，Wifi實(shí)時(shí)監(jiān)控，多傳感器融合的自動(dòng)避障，人體紅外感知，智能語(yǔ)音控制，語(yǔ)音反饋提示等功能模塊于一身，通過(guò)Android平臺(tái)開發(fā)手機(jī)端程序控制小車的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，360度全方位運(yùn)動(dòng)，形成了更為復(fù)雜、精確的操控。充分利用智能手機(jī)終端進(jìn)行開發(fā)，將各種控制功能集成到手機(jī)端，使人機(jī)交互更加靈活、方便，并且避免了硬件的復(fù)雜性與局限性[2]。本選題體現(xiàn)出了基于物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)意特色，實(shí)現(xiàn)了與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，形成了綜合的物聯(lián)網(wǎng)體系。

1 設(shè)計(jì)方案

作品選用普通小車為車體，以Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板為控制核心，用L298N驅(qū)動(dòng)雙直流電機(jī)。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，集成了藍(lán)牙和Wifi等無(wú)線協(xié)議，充分利用智能手機(jī)終端進(jìn)行開發(fā)，將各種控制功能集成到手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，360度全方位運(yùn)動(dòng)，使人機(jī)交互更加靈活、方便，體現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1.1 車體結(jié)構(gòu)

整個(gè)小車主要分為三大部分：車體、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板，電機(jī)，開關(guān)，電池盒等。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板負(fù)責(zé)將Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)控制電機(jī)的動(dòng)作。此外小車還加入了超聲波測(cè)距模塊，無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊，人體紅外模塊，紅外測(cè)速模塊等。小車使用雙電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)，左側(cè)的輪子由左電機(jī)驅(qū)動(dòng)，右側(cè)的輪子由右電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中通過(guò)雙輪之間的速度差異和雙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)控制轉(zhuǎn)彎，前進(jìn)和后退[3]。其實(shí)物圖如圖1所示。

1.2 功能簡(jiǎn)介

人機(jī)交互多功能智能小車實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

（1）實(shí)現(xiàn)用手機(jī)端控制小車的功能，手機(jī)端采用Android平臺(tái)，小車使用C語(yǔ)言來(lái)控制，通過(guò)藍(lán)牙通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與小車的數(shù)據(jù)傳輸與人機(jī)交互；

（2）設(shè)計(jì)語(yǔ)音與觸屏兩種模式控制小車的行為，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，360度全方位運(yùn)動(dòng)；

（3）具有超聲波測(cè)距和紅外線測(cè)速的功能，能對(duì)前后左右四個(gè)方向障礙物的距離進(jìn)行測(cè)量，以及計(jì)算小車行駛的速度，并在手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示；

（4）在手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示遙控?cái)?shù)據(jù)、車速和障礙物距離相關(guān)數(shù)據(jù)等；

（5）在小車上安裝有網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于Wifi協(xié)議的無(wú)線視頻傳輸，在手機(jī)端可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

（6）在遇到障礙物，人等情況下，在手機(jī)端能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音反饋提示；

（7）預(yù)留多路開關(guān)型傳感器接口，可以自行安裝各類傳感器，配合程序?qū)崿F(xiàn)功能擴(kuò)展。

1.3 手機(jī)端控制結(jié)構(gòu)

作品采用Android手機(jī)端程序與多功能智能小車進(jìn)行交互，通過(guò)藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車進(jìn)行語(yǔ)音與觸屏兩種模式的操控，并且對(duì)小車傳送回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括障礙物距離、實(shí)時(shí)速度、人體紅外檢測(cè)等信息的實(shí)時(shí)顯示，還能夠?qū)χ車h(huán)境變化進(jìn)行語(yǔ)音反饋提示；加入了視頻監(jiān)控的模塊，能夠在手機(jī)端實(shí)時(shí)查看小車周圍的環(huán)境視頻信息[4]。手機(jī)端的控制界面如圖2所示。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 核心板開發(fā)

作品以Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板為控制核心，小車上的藍(lán)牙控制，多傳感器融合的自動(dòng)避障，人體紅外感知，智能語(yǔ)音控制，運(yùn)動(dòng)速度和方向的控制都是基于核心板開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。Arduino是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板，本身具有54組數(shù)字I/O端，16組模擬比輸入端，4組UART，使用16 MHz crystal oscillator。Arduino是一個(gè)基于開放原碼的軟硬件平臺(tái)，使用Java概念（跨平臺(tái)）的C語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境，Arduino功能強(qiáng)大，開發(fā)迅速。

2.2 Android手機(jī)端程序開發(fā)

作品采用Android手機(jī)端程序與多功能智能小車進(jìn)行交互，使用Java語(yǔ)言進(jìn)行Android平臺(tái)的開發(fā)。在實(shí)現(xiàn)原理上，首先利用手機(jī)端藍(lán)牙模塊搜索周圍藍(lán)牙設(shè)備，進(jìn)而匹配小車，并建立與小車的連接，準(zhǔn)備進(jìn)行手機(jī)端與小車的數(shù)據(jù)通信；然后在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音與觸屏兩種操控方式，以便對(duì)小車進(jìn)行更加靈活的控制；還能夠?qū)π≤噦魉突貋?lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括障礙物距離、實(shí)時(shí)速度、人體紅外檢測(cè)等信息的實(shí)時(shí)顯示，并能夠自動(dòng)躲避障礙物，對(duì)周圍環(huán)境變化進(jìn)行語(yǔ)音反饋提示等；加入了視頻監(jiān)控的模塊，能夠在手機(jī)端實(shí)時(shí)查看小車周圍的環(huán)境視頻信息[5]。手機(jī)端開發(fā)的功能模塊如圖3所示。

2.3 智能語(yǔ)音控制

智能語(yǔ)音控制的具體工作過(guò)程如圖4所示。首先，用戶點(diǎn)擊手機(jī)屏幕上的語(yǔ)音操控按扭，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用Google提供的語(yǔ)音搜索服務(wù)，并彈出一個(gè)語(yǔ)音搜索的對(duì)話框，提示用戶進(jìn)行語(yǔ)音輸入；然后，用戶只需說(shuō)出相應(yīng)的指令，如“前進(jìn)”“后退”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“停止”等，系統(tǒng)在獲取到用戶的語(yǔ)音指令后，會(huì)自動(dòng)將語(yǔ)音信息發(fā)送到Google的語(yǔ)音識(shí)別服務(wù)器，由服務(wù)器端進(jìn)行語(yǔ)音信息的識(shí)別，然后將識(shí)別的結(jié)果發(fā)送回手機(jī)端，如果在這個(gè)過(guò)程中有錯(cuò)誤，服務(wù)器會(huì)發(fā)送相應(yīng)的錯(cuò)誤提示信息；最后，客戶端將根據(jù)服務(wù)器發(fā)回的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括向小車發(fā)送動(dòng)作命令。這樣，就實(shí)現(xiàn)了由語(yǔ)音控制小車行為的目的。

3 技術(shù)路線

人機(jī)交互多功能智能小車主要分為三部分：Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，以及基于Andriod平臺(tái)的移動(dòng)手機(jī)終端，通過(guò)這三部分我們完成了小車的大致框架。

Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板是溝通小車與手機(jī)端的橋梁，在Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板與手機(jī)端之間采用無(wú)線藍(lán)牙通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并且Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)傳給L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，此外Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板上還安裝超聲波測(cè)距模塊，人體紅外檢測(cè)等模塊[6]。

手機(jī)端編寫的應(yīng)用程序?qū)rduino MEGA2560 R3開發(fā)板傳來(lái)的數(shù)據(jù)接收并處理，將得到的結(jié)果在手機(jī)端顯示出來(lái)，在手機(jī)端設(shè)有語(yǔ)音控制和觸屏控制的功能，以及智能語(yǔ)音反饋提示的功能，還加入了視頻監(jiān)控的模塊，能夠在手機(jī)端實(shí)時(shí)查看小車周圍的環(huán)境視頻信息[7-8]。

本作品開發(fā)的技術(shù)路線如圖5所示。

4 結(jié)論

本作品多功能智能小車主要分為三部分：Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，以及基于Andriod平臺(tái)的移動(dòng)手機(jī)終端，通過(guò)這三部分我們完成了小車的大致框架。小車以Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板為控制核心，用9v電池供電，以滿足單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)等其它模塊對(duì)電壓的需求。

移動(dòng)手機(jī)終端編寫的應(yīng)用程序?qū)rduino MEGA2560 R3開發(fā)板傳來(lái)的數(shù)據(jù)接收并處理，將得到的結(jié)果在手機(jī)端顯示出來(lái)，在手機(jī)端開發(fā)語(yǔ)音控制和觸屏控制的功能，能將傳達(dá)的指令轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)發(fā)送給Arduino MEGA2560 R3開發(fā)板，由其將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)發(fā)送給L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，最終實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)小車的控制。

由于客觀條件所限，本作品還有一些功能需要由后續(xù)的工作來(lái)進(jìn)一步完善：

1）開發(fā)具有行走軌跡記憶功能和跟隨人體運(yùn)行功能的模塊，使其更加智能化和娛樂(lè)化；

2）添加一個(gè)機(jī)械手，使其能夠完成更多的動(dòng)作。

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