復雜路況下智能小車的設計

作者 / 傅海軍 段少飛 李炫君 江蘇大學電氣信息工程學院(江蘇 鎮江)

江蘇大學高等教育教改研究立項課題 (2017JGYB045) ;江蘇大學大學生科研立項資助項目(15B114)

摘要：本文研究復雜路況下多功能智能小車的設計，硬件設計以STC 89C52RC為核心，通過HC-06藍牙模塊實現與Android手機通訊并實現遠程操控，并利用1602液晶顯示模塊來實現交互。小車驅動方面采用了L298N為驅動模塊，另采用ST188紅外光電傳感器以實現小車自動尋路功能。本項目使用的控制軟件是通過MIT APP Inventor平臺設計的。

1 引言

　　智能小車作為智能機器人的雛形，它通過內外傳感器感知外部環境信息和自身狀態，完成相應動作。是一個在復雜環境中實現自主作業的自動控制系統，屬于陸地自主行駛車輛的一種。它涉及到單片機、傳感器、信息融合、通信接口、導航控制、人工智能以及自動控制等一系列高新技術。研究適應復雜環境的智能車對我國科技的發展具有重要意義，機器對環境的耐受能力是高于人類的，在諸如火災、地震等災害后的現場搜救中，這類機器能發揮出很大作用。目前國內外都有類似功能的機器人，但功能還不夠完善且由于行走系統不完善，不能適應復雜環境。還有未知地區的探索，如礦洞、極地等，甚至外星探索用的考察車也屬于智能小車的研究范圍。本設計以51單片機為核心，可以實現自動避障、遠程藍牙操控等功能，以應對可能出現的復雜環境。另外本設計在開發時就預留了其他功能接口，可以方便的實現改裝升級，例如加入視頻監控模塊、尋跡模塊等，都很方便。

2 系統總體設計

　　系統的功能主要依靠四個模塊來完成，分別為藍牙通訊模塊，1602液晶顯示模塊，直流減速電機驅動模塊，自動避障模塊。設計以Android手機為控制平臺，通過HC-06藍牙接收模塊與手機端藍牙連接配對，實現手機與51單片機的通訊并通過命令來控制小車行動。一般情況下小車能夠自動探索。L298N電機驅動模塊同時驅動兩個電機，通過單片機控制兩個電機分別正、反轉來實現智能小車前進、后退、左右轉向及掉頭，每一步命令開始或動作結束，都會在1602液晶顯示模塊和手機端顯示出來，易于控制。系統采用7.2 V電池供電，此電源可直接給L298N供電，51單片機的供電電源采用L298電機驅動模塊上自帶的5 V電源輸出，這二者正常工作需要共地。系統總框圖如圖1所示。

3 系統硬件

　　系統主要硬件包括：STC89C52最小系統、HC-06藍牙模塊、LCD1602液晶顯示模塊、 電機驅動模塊等，另外本設計采用手機來實現遠程控制。硬件原理圖如圖2所示。

　　3.1 主控系統選擇

　　本系統采用STC89C52RC作為核心,這是STC公司生產的一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash存儲器，512字節RAM，是一款十分經典的單片機，本設計采用這款單片機的原因是其性能足夠支持智能小車完成各種復雜動作，且相關資料十分豐富，結構簡單，適合研究設計。

　　3.2 HC-06藍牙模塊

　　本設計采用HC-06藍牙模塊作為智能小車與手機端通信的橋梁，選中原因是其應用廣泛且價格低廉，在淘寶上就能購買，方便控制成本。為了實現HC-06模塊與手機的正常連接，設計中使用了MIT APP Inventor平臺編寫了手機端軟件，實際效果與“聊天”類似。使用過程中，手機作為客戶端，HC-06藍牙模塊作為服務器，實現手機操控單片機的效果。控制軟件界面如圖3所示。

　　3.3 L298N電機驅動模塊

　　本設計選用L298N作為電機驅動模塊，其特點是工作穩定，可實現電機正反轉及調速，啟動性能好，啟動轉矩大。其工作電壓可達到36 V，4 A電流，可同時驅動兩臺直流電機，很適合用于機器人及智能小車的設計。

　　智能小車的電機使用直流減速電機，這是設計智能小車最常用的電機。這種電機是在普通電機的基礎上加上減速齒輪組，降低電機轉速的同時提升扭力，使其可以帶動大質量物體運動，舍棄部分速度換取良好的克服復雜地形的能力。

　　3.4 LCD1602液晶顯示模塊

　　本設計采用1602液晶顯示模塊來顯示操作參數，方便用戶的人機交互。1602液晶顯示模塊每一屏可以顯示兩路16位字符，不能顯示中文，可以作為簡單觀測窗口觀測小車狀態。本次采用十六腳的LCD1602，其數據命令接口連接單片機P0口，V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，15腳背光正極，16腳背光負極，使用中可以根據實際效果調整。

　　3.5 自動避障模塊

　　設計自動避障模塊采用了ST188紅外光電傳感器，其一般電路如圖4，本設計中R1=510 Ω，R2=20kΩ，E為輸出端。

　　為方便控制小車，設計中使用了4組ST188光電傳感器l1、l2、r1、r2，其輸出端分別對應單片機P3^2、P3^3、P3^6、P3^7口，共有16種不同的狀態，可以劃分為前行(0000)、左轉90°(0010、0011)、右轉90°(0100、1100)、左轉45°(0001、1001)、右轉45°(1000)、掉頭(1011、1101、1111)、后退左轉90°(0101、0110、0111)、后退右轉90°(1010、1110)共8種轉向方案，更貼近實際情況。

4 軟件設計

　　軟件系統流程圖如圖5所示。接上電源后， 程序開始初始化設置， 藍牙一直在檢測是否收到指令， 如果接收到了指令，則會根據接收的指令執行，否則會一直在循環檢測。當進入了自動探索模式后， 藍牙模塊停止工作，小車根據紅外傳感器的返回數據行動。

5 實驗成果分析

　　小車在實際檢測過程中基本實現了設計功能，在自動避障模式下，智能小車能靈活地實現避障效果。在藍牙模式下，小車也能正常的按照指令前進、后退和轉向，基本實現了預期功能，小車實物圖如圖6。在系統運行過程中，由于L298N同時控制兩個存在一定差異的電機，造成小車連續直行時會有微小的偏角，加裝光電測速器可以解決此問題，但由于小車本身行進速度不快，對于前進方向的要求也并不高，所以并不影響小車性能。另外由于電路設計存在缺陷，在藍牙模塊工作時，1602液晶顯示模塊會出現輕微的閃屏現象，這是由于電壓不穩定引起的。

6 總結

　　本文介紹了一種利用移動端直接控制智能小車的思路。本項目是中國各種電子競賽的熱門項目，網絡上有很多資料，我們選題時就考慮過這個問題。本項目屬于那種研究的人很多，但怎么研究都不會過時的項目，同時，由于有較多的網上資料及學院研究相關項目的人的幫助，智能小車項目也不至于難到我們無處下手的地步，這是一個很適合我們的項目。在這次的項目實戰中，涉及到很多平時為人們忽視的東西，例如將自動避障的紅外探頭朝向地面，再修改部分程序，就能實現尋跡功能，很多東西都是互通的。此次設計中，單片機的P3口并沒有被充分利用，這說明本設計的小車仍具有較大的改進空間。另外小車原本的設計是有視頻錄像模塊的，但考慮到成本及電路優化的問題，并沒有將其加入最終成品中，但這也是一個不錯的設計思路，希望未來有更好的設計思路和方案。

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　　本文來源于《電子產品世界》2018年第10期第36頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。