智能探路小車的設(shè)計(jì)

高志強(qiáng) 代云凱 趙海茹 楊超 黨增杰 王翠芬 左楠楠

摘要：智能探路小車是集環(huán)境條件收集、環(huán)境因素判斷、遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)實(shí)物采樣、環(huán)境分析、智能避障、科學(xué)勘探、惡劣環(huán)境工作等功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，以arduino為控制核心，以超聲波傳感器檢測(cè)前方障礙物，從而自動(dòng)避障，我們研究的智能探路小車在原有的探路小車基礎(chǔ)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程操控、環(huán)境分析、采集集一體的智能探路小車模型，以達(dá)到對(duì)局部地形更深入的了解。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，智能技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，也越來越受到人們的喜愛。

關(guān)鍵詞：arduino;智能探路小車;實(shí)物采樣;自動(dòng)避障

1? 概述

21世紀(jì)以來，電機(jī)一體化在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展中越來越重要。智能化也成為了社會(huì)發(fā)展潮流，也可以說是以后的發(fā)展方向，各種智能設(shè)備參差不齊，表現(xiàn)出了智能化、集成化、小型化、追求的是高精度、高效率、低成本。如今，計(jì)算機(jī)、信息、數(shù)據(jù)庫、圖形可視化等技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)擁有海量的地質(zhì)地形的知識(shí)，但這只能對(duì)該地形大概的理解，局部勘測(cè)仍然存在很大的隱患。局部勘測(cè)包括智能和人工探測(cè)，而人工勘測(cè)不僅進(jìn)度緩慢，而且存在極大的危險(xiǎn)。我們研究的智能探路小車在原有的探路小車基礎(chǔ)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程操控、環(huán)境分析、采集等功能集一體的智能探路小車模型，以達(dá)到對(duì)局部地形更深入的了解。

1.1 課題背景

自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、字航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過程中，制造能替代人工作的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。

智能小車設(shè)計(jì)與開發(fā)涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽午電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科。它可以分為三大部分：傳感器檢測(cè)部分，執(zhí)行部分，CPU。

現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果，其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片，尋光入庫、避崖等基本功能，有向聲控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 主要內(nèi)容

智能探路小車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以arduino為核心，以紅外線傳感器、距離傳感器和攝像頭作為輸入。紅外線傳感用于小車尋跡，距離傳感器收集周圍環(huán)境的距離信息使小車保持一定距離用于避撞和防撞，攝像頭用于收集周圍的環(huán)境信息并傳輸實(shí)時(shí)情況;電機(jī)驅(qū)動(dòng)1用于驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎提供足夠的動(dòng)力。另外，遠(yuǎn)程控制端能夠通過arduino協(xié)調(diào)各輸入輸出工作。

1.3 研究意義

智能小車是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，作用范圍較廣，可根據(jù)不同的環(huán)境，不同要求搭載不同處理模塊，實(shí)現(xiàn)代替人工操作，應(yīng)對(duì)危機(jī)時(shí)刻，并且隨著軍事技術(shù)逐漸走向信息化，智能化的發(fā)展，智能小車在軍事領(lǐng)域逐漸顯現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值，在物流方面，智能小車代替了人工勞動(dòng)力，提高了工作效率。智能設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信，任務(wù)執(zhí)行，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工人勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)能降耗。同時(shí)該項(xiàng)目研究的智能探路小車能在未知且危險(xiǎn)系數(shù)高的環(huán)境下工作，如地形復(fù)雜、容易坍塌，高溫高濕、空氣質(zhì)量差等極限環(huán)境，能代替人工做環(huán)境和地質(zhì)分析、樣品采集等工作并能有效的探測(cè)危險(xiǎn)，提前對(duì)危險(xiǎn)做好防范，減少施工時(shí)的危險(xiǎn)系數(shù)。

2? 智能小車的主體模塊

2.1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1.1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)

舵機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由直流電動(dòng)機(jī)、減速此輪組、傳感器和控制電路組。

2.1.2 工作原理

當(dāng)控制信號(hào)通過信號(hào)線傳給控制電路板，控制板驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，接著直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)與電機(jī)相連的此輪組，最后減速傳動(dòng)給外面的舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。

舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，是依據(jù)占空比的變化的大小來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小，從而確定停止的位置或者方向。

對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180度的舵機(jī)來說，舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸出脈沖關(guān)系如表1所示。其表現(xiàn)出的是一種線性變化。每個(gè)廠家生產(chǎn)的舵機(jī)外觀各式各樣的，但其舵機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理都是相似的，外接有三根線，這三根線分別表示地線（GND）、正極線（VS）和信號(hào)線（S），其對(duì)應(yīng)的顏色分別是黑色、紅色和橙黃色。其使用的電壓源也不一樣，對(duì)于舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸出的力矩同樣也是各不相同的對(duì)使用的電壓值不一樣，使得輸出的力矩也就不一樣，當(dāng)然具體看應(yīng)用條件。舵機(jī)線頭如圖3所示。

2.2 GT-38通訊模塊性能分析

2.2.1 GT-38通訊模塊概述及特點(diǎn)

①概述。

GT-38無線串口通信模塊是新一代的多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊。無線工作頻段為433-458.5MHz，可設(shè)置多個(gè)頻道，步進(jìn)是100kHz，總共設(shè)有255個(gè)頻道。模塊最大發(fā)射功率為 100mW（20dBm），5000bps 空中波特率下接收靈敏度-116dBm，開闊地可達(dá)到1200 米的通信距離。

②特點(diǎn)。

遠(yuǎn)距離無線傳輸;工作頻率范圍在433-458.5MHz，多達(dá)255個(gè)通信頻道;體積較小，價(jià)格便宜;內(nèi)置 MCU，可以通過串口和外部設(shè)備進(jìn)行通信;一次發(fā)送的字節(jié)個(gè)數(shù)長達(dá)256字節(jié);模塊支持多種方式連接透?jìng)鳌?/p>

③基本參數(shù)。

GT-38基本參數(shù)如表2所示。

2.2.2 GT-38引腳說明

GT-38的引腳說明及實(shí)物圖如表3所示。

2.3 GT-U7 GPS模塊性能分析

2.3.1 GT-U7 GPS模塊引腳說明

GT-38的引腳說明如表4所示。

連接圖和實(shí)物圖圖4所示。

模塊 PPS腳接了紅色 LED燈。

常亮：正常工作，但未定位;閃爍：定位成功。

2.3.2 GT-U7 GPS模塊GPS數(shù)據(jù)解析

樣例數(shù)據(jù)：$GPRMC，161229.48，A，3723.24757，N，12158.34167，W，0.13，309.62，120598，，*10

樣例數(shù)據(jù)分析如表5所示。

2.4 BT-06藍(lán)牙模塊性能分析

2.4.1 BT-06藍(lán)牙模塊的特點(diǎn)

本模塊支持UART接口，并支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。

2.4.2 BT-06藍(lán)牙模塊引腳及分壓電路設(shè)計(jì)

BT-06藍(lán)牙模塊引腳及分壓電路設(shè)計(jì)如表6、圖5所示。

如圖5所示VCC接電源（3.3V-6V），GND接地端，TX接Arduino nano的RX，兩者之間可以互相通訊和傳輸數(shù)據(jù)，并且無丟失（也叫透明傳輸）。

3? 智能小車的創(chuàng)新模塊

3.1 智能避障

智能避障模塊主要利用arduino的定時(shí)、計(jì)數(shù)器。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即s=340×t/2，在測(cè)距計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測(cè)量時(shí)arduino系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號(hào)，arduino計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計(jì)數(shù);當(dāng)信號(hào)發(fā)射一段時(shí)間后，由arduino發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起始時(shí)的同步;當(dāng)接收信號(hào)的最后一個(gè)脈沖到來后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。小車檢測(cè)前方是否有障礙物，如果沒有繼續(xù)前進(jìn)，有障礙物看是否達(dá)到避障條件。需要轉(zhuǎn)彎避障時(shí)，先讓小車停下檢測(cè)左右兩邊的距離，哪邊距離小就轉(zhuǎn)向哪邊。

3.2 中長距離控制

以GPRS網(wǎng)絡(luò)連接小車與控制端，發(fā)送小車所處狀態(tài)情況的傳感器數(shù)據(jù)，借助手機(jī)、計(jì)算機(jī)進(jìn)行人工指令終端控制。小車感應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳到人工控制中心，通過實(shí)時(shí)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，在發(fā)現(xiàn)障礙物無法清除、小車無法工作時(shí)發(fā)出警報(bào)，由人工處理。

4? 智能小車的大腦

Arduino平臺(tái)特點(diǎn)：

①在應(yīng)用方面，該通過與不同傳感器連接和通信，可以讓傳感器在環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，人們可以更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，做出相應(yīng)的對(duì)策;同時(shí)，它還可以連接許多無線傳輸模塊（如藍(lán)牙，攝像頭，WiFi等）。

②該平臺(tái)中的原始碼、電路圖、程序開發(fā)界面，都可以供人們免費(fèi)的使用的下載，也可以根據(jù)自己的要求修改;當(dāng)然，如果覺得官方的電路圖太復(fù)雜或者是在自己的設(shè)計(jì)中有些功能是不需要的話，自己可以將其進(jìn)行簡化和更改，設(shè)計(jì)出自己需要的微處理器。（圖6）

③對(duì)于初學(xué)者來說也是很容易的，使用各種各樣的電子元件進(jìn)行簡單的連接就可以完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)。另外，程序的編寫沒有C語言復(fù)雜;支持不同類型的互動(dòng)程序，該控制板相對(duì)其他的控制板要便宜，自身的結(jié)構(gòu)簡單不復(fù)雜，功能強(qiáng)大;可提供9VDC電源輸入以及多樣化的Arduino擴(kuò)展模塊。

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