一種多功能智能化探測(cè)小車的設(shè)計(jì)

趙新陽 劉博遠(yuǎn) 馬曉春 薛興樂 張恒毅

摘? ?要：針對(duì)目前日益增多的因路面質(zhì)量問題產(chǎn)生的不安全現(xiàn)象，為了及時(shí)掌握路面狀況，避免此類問題的發(fā)生，基于STM32F407單片機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款集多種路面探測(cè)功能為一體的智能化探測(cè)小車。相比于目前大部分探測(cè)小車探測(cè)指標(biāo)單一的缺點(diǎn)，該小車擁有激光測(cè)距，紅外測(cè)溫，測(cè)量濕度等多種功能，通過小車檢測(cè)所得到的數(shù)據(jù)均為衡量路面質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算過程中所不可缺少的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：多功能? 激光測(cè)距? 溫濕度? 路面質(zhì)量

我國私家車輛的保有量隨著人民生活水平的提高而逐年增加，因此對(duì)于路面質(zhì)量的要求也在逐步提高，近些年以來經(jīng)常出現(xiàn)地面坍塌的事故，地面陷落對(duì)于車輛和行人都會(huì)帶來極大的危險(xiǎn)，只有實(shí)時(shí)對(duì)路面質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)才能夠發(fā)現(xiàn)并消除路面存在的不安全因素，除了車輛行駛的路面以外，公園以及足球場(chǎng)等地的道路質(zhì)量監(jiān)測(cè)也是十分重要的。衡量路面質(zhì)量的指標(biāo)有很多種，其中包括有路面平整度，地表溫度，道路濕度等，其中較為重要的指標(biāo)是路面平整度指標(biāo)，其測(cè)量方法大致分為三米尺測(cè)量，水準(zhǔn)儀高程測(cè)量，激光平整度測(cè)量等方法，綜合各種方法的探究，激光法更被廣泛應(yīng)用。目前用于監(jiān)測(cè)路面質(zhì)量的儀器大多數(shù)價(jià)格偏高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于普及到各種道路上，對(duì)于一些非主干路面可能無法實(shí)時(shí)地對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，增加了安全隱患。

為解決上述問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)路面進(jìn)行初步測(cè)量，本文設(shè)計(jì)一種多功能智能化探測(cè)小車，應(yīng)用激光測(cè)距傳感器測(cè)量從激光探頭到路面的垂直距離，采集到的數(shù)據(jù)是計(jì)算國際平整度指數(shù)IRI所不可缺少的，可以給路面平整度的測(cè)量提供技術(shù)支持。小車?yán)眉t外溫度傳感器測(cè)量路面溫度、利用濕度傳感器采集相關(guān)地面濕度，能測(cè)試多種指標(biāo)，能夠?qū)崟r(shí)且較為全面地監(jiān)控路面質(zhì)量。

1? 小車系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 探測(cè)小車簡(jiǎn)要概述

多功能探測(cè)小車的系統(tǒng)主要由檢測(cè)、控制以及驅(qū)動(dòng)三個(gè)部分組成。利用布置在小車上的多種傳感器來檢測(cè)路面信號(hào)，信號(hào)數(shù)據(jù)輸送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換運(yùn)算，電機(jī)負(fù)責(zé)控制小車移動(dòng)。檢測(cè)部分主要有激光測(cè)距模塊，紅外測(cè)溫模塊，以及濕度測(cè)量模塊，微處理器即STM32F407單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)部分主要是由電機(jī)模塊構(gòu)成，藍(lán)牙模塊作用為傳輸數(shù)據(jù)，顯示器作用為顯示信號(hào)與數(shù)據(jù)。系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.2.1 微處理器控制模塊

該模塊利用搭載小車上的外部傳感器處理路面信息，發(fā)送處理結(jié)果信號(hào)給控制器，隨后，控制器根據(jù)結(jié)果信號(hào)做出回應(yīng)，控制電機(jī)行進(jìn)，保證其正常工作。因此控制器可以控制電機(jī)。

系統(tǒng)使用STM32F407單片機(jī)作為智能化的探測(cè)電動(dòng)車控制中心，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的性能，而且能夠改善多功能智能化探測(cè)電動(dòng)車的檢測(cè)水平，提高了數(shù)據(jù)的可靠性?？刂葡到y(tǒng)的核心是讓多功能智能化的探測(cè)電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)自我控制，由此來看，單片機(jī)因操縱更快捷、方便，所以具有更多的使用優(yōu)勢(shì)，該小車用到的STM32F407單片機(jī)運(yùn)算能力強(qiáng)，編程靈活而且具有自由度高，消耗低等特點(diǎn)，價(jià)格適中，綜合上述考量選擇該類型單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心。

1.2.2 電機(jī)模塊

該智能探測(cè)小車使用步進(jìn)電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)在于可以做到精準(zhǔn)輸出，當(dāng)對(duì)其施加所需的脈沖序列時(shí)，電機(jī)便可依照人們?cè)O(shè)定的數(shù)據(jù)、速度或方向連續(xù)地工作運(yùn)轉(zhuǎn)，便于進(jìn)行控速，但編寫程序較直流來說稍復(fù)雜。綜合考慮選用步進(jìn)電機(jī)作為探測(cè)電動(dòng)車的電機(jī)。

1.2.3 激光測(cè)距模塊

激光測(cè)距模塊是利用激光探頭來監(jiān)測(cè)路面狀況信息，將測(cè)到的從探頭到路面的垂直距離數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理。在通電的情況下，激光發(fā)送探頭發(fā)出信號(hào)，遇到路面后再將信號(hào)反射回激光接收探頭。由于激光線與不同高度的反射機(jī)制不一樣，可以根據(jù)反射回來信號(hào)的強(qiáng)弱，判斷出路面高度的變化，間接地反映出路況。在本模塊中應(yīng)用激光測(cè)距傳感器來進(jìn)行路面高度的測(cè)量，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝在探測(cè)小車上，雖其測(cè)量精度不及其他的激光測(cè)距儀器高，但是其測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差仍然在合理的范圍之內(nèi)，故選用該傳感器測(cè)量。

1.2.4 濕度測(cè)量模塊

小車選取DHT11型數(shù)字溫濕度傳感器，其信號(hào)輸出形式為數(shù)字量，有數(shù)字模塊采集和濕度傳感的復(fù)合型功能，可以提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)部有感濕軟件和測(cè)溫軟件，此軟件需要與一款性能較高單片機(jī)相連，該小車所采用的STM32F407單片機(jī)符合要求。此傳感器工作環(huán)境應(yīng)為濕度校驗(yàn)室，且傳感器要在該環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，得到的相關(guān)系數(shù)要以特殊形式置于在OTP存儲(chǔ)器內(nèi)，以便更好地幫助傳感器檢測(cè)信號(hào)。模塊選擇單線制的串行接口能夠使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行得更加快速。模塊體積比較小、耗費(fèi)能量低、傳輸距離較大，綜上模塊適用于條件比較嚴(yán)苛的場(chǎng)合。

1.2.5 藍(lán)牙模塊

搭載到小車上的藍(lán)牙模塊具體有兩種工作方式：命令響應(yīng)和自動(dòng)連接，對(duì)于命令響應(yīng)的工作方式，使用者通過發(fā)布指令對(duì)模塊的參數(shù)進(jìn)行具體的設(shè)定和控制。對(duì)于自動(dòng)連接方式，藍(lán)牙模塊可以作為主機(jī)和從機(jī)等工作模式。選擇一個(gè)固定的模式之后需按照提前設(shè)置好的方法自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。藍(lán)牙模塊可以通過串口和相關(guān)控制設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以供人們實(shí)時(shí)監(jiān)控路面的質(zhì)量。

1.2.6 紅外傳感測(cè)溫模塊

小車選用熱電堆式紅外溫度傳感器，以非接觸方式對(duì)路面表面進(jìn)行測(cè)溫;路面會(huì)向外產(chǎn)生紅外輻射，其紅外輻射通量密度與路面本身產(chǎn)生紅外輻射的能力相關(guān)，地表溫度與路面發(fā)出的輻射強(qiáng)度成一定的比例關(guān)系，路面產(chǎn)生的紅外輻射能量隨著溫度的升高而增加，傳感器采集完路面數(shù)據(jù)之后輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后傳給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該紅外溫度傳感器，測(cè)量精度較高，熱慣性小;滿足小車的正常需要并使小車實(shí)用性提高。

1.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

智能探測(cè)小車的工作流程為：系統(tǒng)通電后，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，布置在小車上的多個(gè)傳感器構(gòu)成了一個(gè)實(shí)時(shí)的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)有關(guān)路面質(zhì)量的各種數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，最終將通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙模塊傳給相關(guān)人員進(jìn)行參考。系統(tǒng)具體的工作流程如圖2所示。

2? 實(shí)驗(yàn)分析

該智能探測(cè)小車裝載三個(gè)GY-530 VL53L0X型激光測(cè)距傳感器測(cè)量從激光探頭到地面的垂直高度變化情況，三個(gè)傳感器分別放在車的前部，中部以及后部，可以很好地降低車輛抖動(dòng)帶來的誤差問題，檢測(cè)時(shí)以中部傳感器為基準(zhǔn)，前后部傳感器為輔助參考，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了帶有凸起及凹陷的不同路況，將測(cè)得的數(shù)據(jù)分析校驗(yàn)，檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度，當(dāng)實(shí)際誤差小于設(shè)定數(shù)值后，進(jìn)行實(shí)際路面實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)使用TS118-3型紅外溫度傳感器探測(cè)地面溫度，放置在小車底盤中部，該傳感器是一種非接觸式溫度傳感器，能夠在電動(dòng)車運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中獲得地面溫度值，因?qū)嶒?yàn)條件限制，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了溫度值分別為-28℃、0℃、20℃、50℃的模擬路面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度范圍涵蓋了基本路面所能達(dá)到的溫度。本實(shí)驗(yàn)還將DHT11型濕度傳感器放置在小車底盤中前端。實(shí)驗(yàn)中傳感器輸出的數(shù)據(jù)均可以在小車上安裝的LED屏上顯示，并且通過藍(lán)牙模塊將實(shí)時(shí)的路面情況傳遞給相關(guān)人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3? 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的多功能探測(cè)小車以STM32F407單片機(jī)為核心，集激光測(cè)距，紅外測(cè)溫和測(cè)量濕度等功能為一體，達(dá)到了同時(shí)測(cè)量多種指標(biāo)的功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面的相關(guān)狀況，并且能對(duì)路面質(zhì)量進(jìn)行初步測(cè)量，便于相關(guān)人員對(duì)緊急情況做出相應(yīng)處理。 鑒于傳感器的測(cè)量精度以及路面環(huán)境情況等外界因素影響，小車數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的誤差，這是該小車仍需進(jìn)一步完善的地方。

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