智能避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

周濤

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院工學(xué)院，四川成都,611731）

0 引言

在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，每個(gè)人的生活方式和習(xí)慣都受到了巨大影響，智能設(shè)備逐漸豐富我們的生活，在餐廳、酒店、醫(yī)院、辦公樓、快遞站等地方，智能避障小車的使用也更加普及。智能避障小車系統(tǒng)在傳統(tǒng)避障小車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加各種不同類型的傳感器，采用物聯(lián)網(wǎng)方式設(shè)計(jì)，增加OTA功能，以滿足不同場(chǎng)所、不同使用環(huán)境的需求，提高避障能力。

根據(jù)產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)理論，智能避障小車的功能方法主要包括：自動(dòng)避障設(shè)計(jì)、聯(lián)網(wǎng)在線升級(jí)設(shè)計(jì)以及多傳感器聯(lián)合避障設(shè)計(jì)等。從上述三個(gè)方面的設(shè)計(jì)綜合結(jié)果來(lái)看，采用多角度設(shè)計(jì)的智能避障小車，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障、語(yǔ)音報(bào)警、圖像處理以及在線升級(jí)等信息交互功能，智能避障小車的外形通常需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)，例如具備防水功能的水下探測(cè)避障小車；兼顧貨物運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸避障小車；輔助盲人的輔助避障小車等。綜上所述，就常用的避障小車來(lái)說(shuō)，以特定的受眾對(duì)象為基礎(chǔ)，功能單一，早已無(wú)法滿足市場(chǎng)需要。采用三種設(shè)計(jì)方法綜合得出的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)多角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以明顯提高避障小車的避障能力，還可以非常直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)師的理念，而且具有良好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 智能避障小車系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片基于STM32F4平臺(tái)，智能避障小車系統(tǒng)完成的主要功能是能夠自動(dòng)駕駛或按照指定路線駕駛，實(shí)現(xiàn)循跡、自動(dòng)避障、自動(dòng)復(fù)位駕駛、語(yǔ)音提示播報(bào)、聯(lián)網(wǎng)升級(jí)等功能。能夠在道路中穩(wěn)定行駛，且在檢測(cè)到岔路、障礙物時(shí)能按程序設(shè)計(jì)進(jìn)行正確操作。

傳感器采用紅外傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、雷達(dá)傳感器、攝像頭模塊等傳感器獲取周圍環(huán)境、障礙物的信息，經(jīng)過(guò)相關(guān)算法計(jì)算，對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行速度進(jìn)行精確控制。對(duì)整個(gè)智能避障小車系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)制作、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序的編寫(xiě)以及程序的調(diào)試，軟硬件聯(lián)合調(diào)試最終完成軟件和硬件的融合，實(shí)現(xiàn)智能避障小車系統(tǒng)的目標(biāo)功能。智能避障小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件選型方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件選型方案的關(guān)鍵部分為主控芯片、攝像頭模塊、WIFI通信模塊。

主控芯片采用STM32F429IGT6嵌入式單片機(jī)。擁有1024K FLASH，256K SRAM，176個(gè)引腳，容量大。芯片內(nèi)嵌資源豐富：8個(gè)串口，3個(gè)ADC共24通道，16個(gè)定時(shí)器，2個(gè)DAC通道，2個(gè)CAN總線，全速USB OTG1個(gè)，DCMI攝像接口等，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

WIFI模塊采用ATK—ESP8266。模塊與主控芯片使用串口建立通信，內(nèi)部設(shè)置有TCP/IP協(xié)議棧，能夠建立WIFI與串口之間的通信。模塊擁有串口轉(zhuǎn)WIFI STA功能、串口轉(zhuǎn)AP功能、WIFI STA+WIFI AP功能，實(shí)現(xiàn)快速建立串口轉(zhuǎn)換WIFI的數(shù)據(jù)傳輸通道的功能。模塊還以接入云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端遠(yuǎn)程管理，在線下載固件程序、聯(lián)網(wǎng)升級(jí)等功能。WIFI模塊實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 WIFI模塊正反視圖

攝像頭模塊采用OpenMV4 H7攝像頭模塊。該模塊采用Cortex-M7處理器，擁有480MHz主頻，1M RAM，2M Flash，其中的單個(gè)SPI總線速度就可以達(dá)到54Mbs，能夠把圖像流采集數(shù)據(jù)傳輸給LCD擴(kuò)展板或WIFI擴(kuò)展板或其他主控制器。

2 功能設(shè)計(jì)方案

智能避障小車系統(tǒng)程序分為三層，分別為：用戶層、中間層、硬件層。在硬件層固定的情況下，編寫(xiě)程序改變中間層算法、程序、設(shè)計(jì)思路，充分發(fā)揮中間層的作用，對(duì)多種復(fù)雜環(huán)境，不同的應(yīng)用場(chǎng)景、使用需求建立數(shù)學(xué)模型，建立數(shù)據(jù)庫(kù)文件，充分發(fā)揮中間層的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同用戶層的程序支撐，達(dá)到應(yīng)對(duì)多種應(yīng)用場(chǎng)景、使用環(huán)境、使用需求的要求。智能避障小車系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 智能避障小車系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

2.1 自動(dòng)避障設(shè)計(jì)

采用避障小車系統(tǒng)搭載的硬件傳感器與軟件相互配合，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)當(dāng)遭遇障礙物時(shí)能夠有效躲避障礙物的預(yù)期功能。

2.2 聯(lián)網(wǎng)在線升級(jí)設(shè)計(jì)

利用系統(tǒng)搭載的硬件ATK—ESP8266 WIFI模塊與云端服務(wù)器結(jié)合，配合不同的應(yīng)用場(chǎng)景下建立的數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選對(duì)應(yīng)的使用環(huán)境，下載匹配的固件版本，升級(jí)最新版本的固件，實(shí)現(xiàn)OTA在線升級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)對(duì)不同的使用環(huán)境，滿足不同工作的使用需求。同時(shí)，當(dāng)程序算法更新/進(jìn)一步提升后，能夠及時(shí)上傳安裝到硬件端，大大節(jié)約了時(shí)間。

智能避障小車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)OTA（空中下載技術(shù)）的功能，需要云端服務(wù)器與客戶端兩種設(shè)備相互配合。可以有一個(gè)或多個(gè)云端服務(wù)器，可以有一個(gè)或多個(gè)客戶端。云端服務(wù)器通過(guò)串口建立通信通道與PC機(jī)連接，將需要下載的升級(jí)文件儲(chǔ)存在PC機(jī)內(nèi)，相應(yīng)的機(jī)制給服務(wù)器發(fā)送相關(guān)命令及鏡像文件。

工作過(guò)程簡(jiǎn)述：相應(yīng)的機(jī)制操縱云端服務(wù)器，發(fā)送最新可用的鏡像文件，客戶端在接收到文件后會(huì)進(jìn)行分析、判別、甄別，如果存在與客戶端相匹配的鏡像文件，客戶端就向云端服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)。云端服務(wù)器收到請(qǐng)求指令后向相應(yīng)的機(jī)制索取固定大小的文件，再點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、線對(duì)線、面對(duì)面的傳送鏡像文件給客戶端。鏡像文件發(fā)送完成后，客戶端需要進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)完成后會(huì)返回一個(gè)結(jié)束信號(hào)到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器關(guān)閉鏡像文件傳輸通道。

在智能避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要采用OTA中的基于瀏覽的方式和推出的方式兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（1）基于瀏覽的方式。客戶端訪問(wèn)云端服務(wù)器，查找服務(wù)器內(nèi)應(yīng)用菜單，根據(jù)客戶端需要利用網(wǎng)絡(luò)從后臺(tái)訪問(wèn)云端服務(wù)器，并下載其中相應(yīng)的數(shù)據(jù)到客戶端。用戶可以根據(jù)需要，下載需要的功能的數(shù)據(jù)包，下載采用WIFI的方式傳輸，傳輸速率更高，順應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。隨著5G技術(shù)的普及，移動(dòng)終端設(shè)備需要與云端服務(wù)器交互速度將更加快速。

（2）推出的方式。智能避障小車系統(tǒng)可以根據(jù)功能類別、市場(chǎng)需求，通過(guò)信息或郵件方式向客戶端用戶發(fā)送新功能數(shù)據(jù)下載的鏈接通知推送服務(wù)，客戶端通過(guò)該消息的信息提示進(jìn)行相應(yīng)操作，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)更新、程序更新。這種方式比傳統(tǒng)PC端有線下載方式更加操作簡(jiǎn)便、升級(jí)流程簡(jiǎn)單，與其他交互方式相比，減少網(wǎng)絡(luò)資源消耗，降低了客戶端與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的頻繁往來(lái)。

綜上所述，采用OTA能夠完成修改節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的系統(tǒng)程序的任務(wù)。云端服務(wù)器能夠向客戶端發(fā)送程序鏡像文件，然后由客戶端內(nèi)部簡(jiǎn)單短暫的響應(yīng)之后，鏡像程序?qū)⒏采w更新原來(lái)的程序。新的鏡像升級(jí)文件通過(guò)無(wú)線下載存儲(chǔ)到空閑空間，要求客戶端的存儲(chǔ)空間可同時(shí)容納新的鏡像文件程序和當(dāng)前運(yùn)行程序。云端服務(wù)器、客戶端運(yùn)行流程圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 云端服務(wù)器運(yùn)行流程圖

圖5 客戶端運(yùn)行流程圖

2.3 多傳感器聯(lián)合避障設(shè)計(jì)

利用系統(tǒng)搭載的不同類型傳感器完成檢測(cè)：

（1）紅外傳感器感應(yīng)周圍環(huán)境中障礙物輻射的紅外線，進(jìn)而返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，為智能避障小車系統(tǒng)的軟件運(yùn)行提供相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐。

（2）超聲波傳感器在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)射出超聲波，分界面或雜質(zhì)會(huì)讓超聲波出現(xiàn)反射現(xiàn)象，形成反射回波，超聲波傳感器的返回值經(jīng)過(guò)一定計(jì)算能精準(zhǔn)反應(yīng)障礙物到檢測(cè)點(diǎn)的距離，進(jìn)一步提升智能避障小車系統(tǒng)的避障精度、靈敏度。

（3）毫米波雷達(dá)傳感器在運(yùn)行時(shí)，可以進(jìn)行連續(xù)的全方位掃描，掃描頻率快，范圍以圓形呈放射狀。它的體積更小、集成度更高、空間分辨率更高。它比攝像頭傳感器、激光傳感器、紅外傳感器等光學(xué)傳感器，穿透煙、霧、灰塵的能力更強(qiáng)，抵抗干擾的能力更強(qiáng)，具有全天候(雷暴天氣等極端惡劣天氣除外)全天時(shí)的特點(diǎn)。

（4）攝像頭傳感器能夠?qū)φ系K物進(jìn)行圖像識(shí)別，通過(guò)OTA升級(jí)存在云端的識(shí)別算法和模型，同時(shí)云端數(shù)據(jù)可以不斷更新更先進(jìn)的算法和模型，故能不斷提高障礙物的判斷效率和準(zhǔn)確率，有效減少誤判/錯(cuò)判的幾率，提高智能避障小車系統(tǒng)的避障能力。數(shù)據(jù)交互測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 OTA數(shù)據(jù)交互測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在智能避障小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)自動(dòng)避障設(shè)計(jì)、聯(lián)網(wǎng)在線升級(jí)設(shè)計(jì)以及多傳感器聯(lián)合避障設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)角度綜合分析得出的設(shè)計(jì)方案，研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造出的智能避障小車系統(tǒng)在傳統(tǒng)避障小車的基礎(chǔ)上，解決了功能單一、避障靈敏度等問(wèn)題，利用多種類似的傳感器進(jìn)行信息采集測(cè)量，配合大量的數(shù)據(jù)分析，有效提高了避障小車的精度、靈敏度以及避障能力，擴(kuò)寬了智能避障小車的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足了目前的市場(chǎng)需求。