自動避障實驗小車教學系統(tǒng)設計

呂淑平， 王 沖

(哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001)

0 引 言

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育已經(jīng)成為促進國家崛起、民族復興和社會不斷進步的動力，也是我國高等教育改革與發(fā)展的趨勢之一[1-2]。2015年，國務院總理李克強在政府報告中提出“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”之后，國務院辦公廳印發(fā)了《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，成為高校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的行動指南[3-6]。

創(chuàng)業(yè)教育的基礎是創(chuàng)新[7]，我院針對學生在創(chuàng)新初期，不知如何邁進科技創(chuàng)新大門這一普遍現(xiàn)象，早在2011年，面向二年級本科生就開設了“創(chuàng)新認知與實踐”必修課，將科研訓練教育納入到系統(tǒng)的學習和課程體系中。課程要求學生利用課堂時間，在老師引導下親身實踐完成一件科技作品的制作與開發(fā)。目的是使學生盡早熟悉科學研究和科技創(chuàng)新的程序和方法，為今后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下基礎[8]。課內(nèi)開出實踐性項目70余項，其中智能小車類實驗項目深受學生歡迎。

本文研制的自動避障實驗小車教學系統(tǒng)，以學生需求為導向，學生可以進行相關硬件制作，探索車輛自動避障策略，進行電動機控制程序、轉(zhuǎn)速采集程序以及通信程序等設計，可使學生掌握一件科技作品完整的開發(fā)過程，訓練學生創(chuàng)新實踐能力。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計框圖如圖1所示，主要由主控模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、信息采集與處理模塊、無線通信模塊以及Android軟件等部分組成?？紤]實際應用，避障實驗小車系統(tǒng)設計了自動和手動兩種工作模式。在自動模式下，超聲波測距傳感器“感知”周圍環(huán)境信息，當檢測到障礙物的距離小于安全距離時，能夠自主避開障礙物，并保持原來的前進方向不變；在手動模式下，通過手機APP發(fā)送指令給實驗小車，小車根據(jù)指令控制電動機動作，從而使小車完成相應的避障動作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作在手動模式時，手機終端通過WiFi模塊發(fā)送命令至主控模塊，主控模塊通過對指令的分析控制電動機完成相應的動作；系統(tǒng)工作在自動模式時，主控模塊通過信息采集與處理模塊判斷前方、左側(cè)和右側(cè)障礙物的距離并與安全距離進行比較，并采取相應的避障策略，最后通過PWM驅(qū)動電路驅(qū)動電動機完成相應的避障動作，實現(xiàn)小車自主避障。

2 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖2所示，由單片機最小系統(tǒng)、電動機驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)速測量電路、電動機驅(qū)動接口、速度傳感器接口以及超聲波測距傳感器接口等組成，直流電動機的型號為GM25-370直流低速大轉(zhuǎn)矩電動機[9]。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖

2.1 單片機最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用ESPDuino單片機作為最小系統(tǒng)，該款單片機兼有Arduino開發(fā)庫及ESP8266系列芯片WiFi功能，支持手機APP[10]，開發(fā)平臺Arduino IDE界面簡潔，方便掌握和使用[11]。在本系統(tǒng)中，ESPDuino最小系統(tǒng)主要工作是通過超聲波測距傳感器“感知”周圍環(huán)境，制定相應避障策略，通過驅(qū)動電路控制兩個電動機完成避障動作。

使用的管腳資源如表1所示，選擇D12和D14端口作為產(chǎn)生PWM波端口，然后將產(chǎn)生的PWM波輸入到L293DD電動機驅(qū)動芯片的使能控制端，控制4個大功率開關管的導通與關斷，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速控制。

表1 ESP-13單片機管腳資源分配

2.2 直流電動機驅(qū)動電路

直流電動機驅(qū)動電路如圖3所示，主要由電動機驅(qū)動邏輯電路、H橋驅(qū)動電路、一些外圍電路及一些保護電路組成。H橋驅(qū)動電路采用的是L293DD芯片作為驅(qū)動模塊的主要部分，L293DD具有高電壓、大電流、開關頻率較高等特點，可直接驅(qū)動感性負載[12]。

圖3 直流電動機驅(qū)動電路

其中，+3.3 V輸入用于給電動機驅(qū)動邏輯電路供電，+5 V輸入給H橋式驅(qū)動電路供電，VS為電動機的供電電壓，4個輸出端OUT1～OUT4分別接在兩直流電動機的電樞兩端，主控芯片ESP-WROOM-02產(chǎn)生兩路PWM信號，將該信號作為使能端控制信號送入H橋驅(qū)動電路，進而控制大功率開關管的導通與關斷，從而在H橋驅(qū)動電路輸出端產(chǎn)生較大的電壓，控制電動機的轉(zhuǎn)速和方向。

2.3 超聲波測距電路

為使小車能夠“感知”周圍環(huán)境，采用測距范圍為2～400 cm、具有非接觸式探測功能的HC-SR04超聲波測距模塊進行測距。該模塊主要由STC11單片機、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片以及集成了4個運算放大器的TL074芯片等組成[13]。其中，STC11單片機、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片和超聲波發(fā)射探頭組成了模塊的發(fā)射部分；TL074芯片和超聲波接收探頭組成了模塊的接收部分。超聲波測距模塊實物圖如圖4所示。

圖4 超聲波測距模塊實物圖

超聲波測距傳感器的工作原理是通過內(nèi)部產(chǎn)生一定頻率的信號，經(jīng)發(fā)射探頭發(fā)射后接收探頭檢測是否有被物體反射、散射回來的信號，以此來判斷是否有障礙物及障礙物的距離。目前常用的超聲波測距方法主要有相位探測法、渡越時間探測法及聲波幅值探測法。渡越時間法是通過計算反射波與發(fā)射波之間的時間間隔來計算距離，這種方法簡單、實用，故系統(tǒng)采用該法進行測距?？紤]單面測距避障精度有限，測量范圍小，系統(tǒng)采用3個超聲波測距傳感器進行測距，分別安裝在車頭中間位置、車身左右兩側(cè)靠近車尾的位置。

2.4 電源分配

由于避障小車是移動目標，需要采用能夠單獨儲能的電源。系統(tǒng)選用輸出電壓為7.4 V，容量為2.2 A·h,放電倍率為20C的鋰電池作為電源供電，其實物圖如圖5所示。

圖5 鋰電池實物圖

電壓轉(zhuǎn)換過程為：7.4 V的直流電首先經(jīng)過同步降壓芯片MP1482DS降為5 V的直流電，給電動機驅(qū)動芯片L293DD以及超聲波測距傳感器模塊供電。然后此5 V的直流電再經(jīng)過低壓差的線性穩(wěn)壓器AS1117L-33降為3.3 V直流電，給控制芯片ESP-WROOM-02供電。電源的分配情況如圖6所示。

圖6 電源分配情況

3 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成框圖如圖7所示，主要包括自動與手動選擇程序、超聲波測距程序、避障電動機驅(qū)動程序、轉(zhuǎn)速采集程序以及通信程序等，控制系統(tǒng)整體流程圖如圖8所示。

圖7 控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

圖8 控制系統(tǒng)整體流程圖

3.1 自動/手動選擇程序設計

整個控制程序分為自動模式和手動模式兩部分，通過采取硬件方式進行切換。用一個撥動開關置標志位，根據(jù)入口函數(shù)值選擇不同的處理函數(shù)。撥動函數(shù)有兩檔3個引腳，中間的引腳作為標志位的I/O口，另外兩個引腳一個接低電平(即接地)，另一個接高電平，當撥動開關接通低電平時，切換到自動模式；當撥動開關接通高電平時，則切換到手動模式。手動與自動切換流程圖如圖9所示。

圖9 手動與自動選擇流程圖

3.2 測距程序設計

超聲波測距傳感器利用超聲波遇到物體會反射的特性進行測距。其測距流程圖如圖10所示。

圖10 超聲波測距流程圖

3.3 自動避障策略程序設計

自動避障是小車遇到障礙物后能夠自主避開，并能回到原方向上繼續(xù)運行。在小車進行自主避障過程中，為避免小車與障礙物之間發(fā)生碰撞，二者之間應留有一定距離用于小車進行避障動作，該距離被稱之為安全距離[14-15]。系統(tǒng)將障礙物分為5種情況，避障策略如表2所示。

表2 障礙物分類

注：1表示有障礙物；0表示無障礙物。

(1) Ⅰ類障礙物。實際意義上是無障礙物，小車繼續(xù)保持直行狀態(tài)即可。

(2) Ⅱ類障礙物。當超聲波測距傳感器檢測到前方有障礙物時，系統(tǒng)做出向右轉(zhuǎn)90°的避障決策。這時車身左側(cè)超聲波測距傳感器開始工作，當檢測到左側(cè)障礙物大于設定的安全距離時，小車再左轉(zhuǎn)90°，回到原方向上繼續(xù)運行。

(3) Ⅲ類障礙物。當超聲波測距傳感器檢測到前方和右側(cè)有障礙物時，系統(tǒng)做出左轉(zhuǎn)90°的避障策略。這時車身右側(cè)超聲波測距傳感器開始工作，當檢測到右側(cè)障礙物大于設定的安全距離時，小車再右轉(zhuǎn)90°，回到原方向上繼續(xù)運行。

(4) Ⅳ類障礙物。當超聲波測距傳感器檢測到前方和左側(cè)有障礙物時，系統(tǒng)做出右轉(zhuǎn)90°的避障策略。這時車身左側(cè)超聲波傳感器開始工作，當檢測到左側(cè)障礙物大于設定的安全距離時，小車再左轉(zhuǎn)90°，回到原方向上繼續(xù)運行。

(5) Ⅴ類障礙物。當小車3路超聲波測距傳感器檢測3面都有障礙物時，系統(tǒng)做出后退的避障策略。這時小車左右兩側(cè)超聲波測距傳感器開始工作，在檢測到小車兩側(cè)的距離均小于設定的安全距離時，小車一直保持后退狀態(tài)。直到大于安全距離，小車右轉(zhuǎn)90°，直行，這時車身左側(cè)超聲波測距傳感器又開始工作，當檢測到左側(cè)障礙物大于設定的安全距離時，小車再左轉(zhuǎn)90°，進而回到原方向上繼續(xù)運行。

3.4 手機APP界面設計

手動模式主要是為了解決復雜環(huán)境下自動模式無法應對的情況。主控芯片搭載了ESP8266無線通信功能，自身可建立WiFi，其控制流程較為簡單。即手機端通過WiFi采用UDP協(xié)議發(fā)送命令給主控芯片，主控芯片根據(jù)指令發(fā)送信號給電動機驅(qū)動芯片，使小車做出相應動作[16]。手機APP界面如圖11所示，主要由7個功能按鍵組成，即：前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速以及減速。

圖11 手機APP界面

4 結(jié) 語

一個作品相當于一個小型科研項目，完成一個作品整個過程就像完成一個科研項目一樣，對學生科學研究能力起到很好的啟蒙作用。自動避障技術(shù)是車輛自動駕駛核心技術(shù)之一，本文結(jié)合創(chuàng)新課程實驗項目，以探索自動避障技術(shù)為出發(fā)點，以兩驅(qū)小車為實驗對象，以Arduino平臺為開發(fā)環(huán)境，設計了自動避障實驗小車教學系統(tǒng)，學生依此系統(tǒng)進行制作與開發(fā)，很好地培養(yǎng)了學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力。