基于三軸加速度傳感器的信息采集智能車

王國(guó)軍，劉 霞，殷海雙，龐智輝

（東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318）

2011年3月日本福島大地震之后造成的核電站核泄漏事件，讓人觸目驚心，突如其來(lái)的災(zāi)禍讓核電站內(nèi)的信息采集工作難以進(jìn)行。雖然信息的采集對(duì)于災(zāi)禍的處理和受災(zāi)人員的救治是至關(guān)重要的，但是任何信息的獲取都不能以犧牲自身或者以傷及他人作為代價(jià)。如何能夠研發(fā)一種能夠替代人員在惡劣環(huán)境下進(jìn)行信息采集工作的智能移動(dòng)設(shè)備意義重大。

本文章旨在介紹這樣一項(xiàng)能解決類似問(wèn)題的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)的遙控控制進(jìn)行大膽的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。利用無(wú)線通信方式控制一臺(tái)具有信息采集功能的智能小車，智能小車能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)回傳給操控人員，保證了災(zāi)后數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性，這樣救災(zāi)人員能及時(shí)做出反應(yīng)。利用重力感應(yīng)技術(shù)對(duì)小車的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向、直行、后退等基本運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，解放了人類的雙手。解決了在危險(xiǎn)環(huán)境下還要派人員進(jìn)行人工信息采集的問(wèn)題。同時(shí)智能小車對(duì)于數(shù)據(jù)的采集有很高的準(zhǔn)確性，避免了人為采集數(shù)據(jù)時(shí)的一些失誤和隨機(jī)誤差，這樣有了更加準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)做保障，災(zāi)后的救援和處理效率也會(huì)有很大的提高。

1 總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，智能采集小車上裝有超聲波傳感器，溫濕度傳感器，煙霧傳感器，人體紅外傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯葮?gòu)成環(huán)境參數(shù)傳感器[1]用來(lái)采集災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)時(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。在采集到的同時(shí)，智能采集小車上的單片機(jī)控制NRF24L01無(wú)線模塊[2]將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端，數(shù)據(jù)接收端通過(guò)單片機(jī)的控制將數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上。在數(shù)據(jù)接收端可通過(guò)三軸加速度傳感器來(lái)控制小車的運(yùn)行動(dòng)作，也可以給智能采集小車發(fā)送接收的數(shù)據(jù)的反饋。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件[3]主要由單片機(jī)控制電路電路、加速度傳感器電路、無(wú)線通訊模塊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、TFTLCD顯示屏電路、環(huán)境參數(shù)傳感器電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。ADXL345加速度傳感器電路主要用來(lái)測(cè)量手持端傾斜角度輸出車體運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)；LCD顯示屏電路電路主要用來(lái)顯示回傳的環(huán)境參數(shù)，無(wú)線通訊電路用來(lái)進(jìn)行信息傳輸控制；單片機(jī)控制電路用來(lái)對(duì)智能車的精確控制、處理傳感器采集的環(huán)境參數(shù)及LCD顯示控制；環(huán)境參數(shù)傳感器電路主要由超聲波傳感器、人體紅外傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等構(gòu)成，是一個(gè)多種傳感器的集合，主要用來(lái)收集智能車所處外界環(huán)境參數(shù)信息發(fā)回終端處理。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

STM32F103ZET6單片機(jī)控制電路路主要是用來(lái)處理回傳數(shù)據(jù)控制信號(hào)等，這款單片機(jī)是增強(qiáng)型，32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器其中有USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)ADC、13個(gè)通信接口，最高72 MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25 DMips/MHz（Dhrystone 2.1）[5]，用它其中一個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn) PWM信號(hào)輸出提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，很好的避免了定時(shí)器復(fù)用帶來(lái)的多器件之間的沖突。大容量存儲(chǔ)空間不用外加存儲(chǔ)器。各種通訊接口齊全方便外接通訊。來(lái)自加速度傳感器的傾斜角度信息傳至單片機(jī)，單片機(jī)將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)給車體CPU，車體CPU將這一信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)[6]驅(qū)動(dòng)電機(jī)。來(lái)自外界環(huán)境的參數(shù)信息經(jīng)車體CPU處理后經(jīng)無(wú)線模塊發(fā)回手持終端由終端CPU再由其處理將信號(hào)顯示在LCD顯示屏上。

加速度傳感器電路主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)手持端遙控車體運(yùn)動(dòng)的。操作人員在操作時(shí)不必雙手持遙控器操作，只需單手給予一定的傾斜角度就可將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào)角度關(guān)系與控制信號(hào)如表1。

當(dāng)手持設(shè)備端保持水平時(shí)A保持輸出Z的1g倍，其他為0，當(dāng)X軸變化時(shí)X軸相對(duì)于水平面角度發(fā)生變化，角度為負(fù)值時(shí)輸出信號(hào)控制車體前進(jìn) （電機(jī)1正轉(zhuǎn)，電機(jī)2正轉(zhuǎn)），正值時(shí)控制車體后退（電機(jī)1反轉(zhuǎn)，電機(jī)2反轉(zhuǎn)）。同樣Y軸以相同的方式輸出信號(hào)控制車體左右運(yùn)動(dòng)。

NRF24L01無(wú)線通信模塊電路的作用是將手持端發(fā)送的運(yùn)行控制信息發(fā)給車體或?qū)④圀w收集的環(huán)境參數(shù)信息發(fā)回手持端顯示在LCD上。NRF24L01無(wú)線模塊是半雙工的通訊方式，通過(guò)SPI方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的讀寫(xiě)。

表1 角度與控制信號(hào)關(guān)系Tab.1 Relationship between the angle and the control signal

智能車采用一個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)強(qiáng)磁電機(jī)，通過(guò)軟件控制的PWM信號(hào)接在模塊ENA，ENB端控制電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制車速的目的。模塊上IN1，IN2，IN3，IN4接在四個(gè)I/O口上控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。運(yùn)行姿態(tài)與I/O關(guān)系如表2所示。

表2 運(yùn)行姿態(tài)與I/O關(guān)系Tab.2 Running posture with the I/O relationship

電路圖如圖3所示。

圖中的 T_MISO/T_MOSI/T_PEN/T_CS是用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶觸摸屏的控制。LCD_BL則控制LCD的背光，液晶復(fù)位信號(hào)RST用來(lái)控制復(fù)位。模塊采用16位并行接口方式與CPU連接，這樣數(shù)據(jù)量增大適合彩屏的大數(shù)據(jù)量顯示，DB0～DB17數(shù)據(jù)接口跟12864液晶的P0口類似。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該參數(shù)采集系統(tǒng)的軟件采用C語(yǔ)言編程，在程序編輯方面采用Keil μVision4進(jìn)行程序編譯。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)采集模塊、加速度傳感器控制運(yùn)行姿態(tài)模塊、PWM輸出控制信號(hào)模塊、2.4G無(wú)線通信模塊和TFT LCD顯示模塊等組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

在軟件設(shè)計(jì)中環(huán)境參數(shù)采集模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、火焰、氣體成分等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集；加速度傳感器模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)手持控制系統(tǒng)中傾斜角度信號(hào)到電機(jī)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)化，通過(guò)該模塊可以實(shí)現(xiàn)車體運(yùn)行姿態(tài)的控制；PWM輸出控制信號(hào)模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊ENA、ENB兩使能端的控制，通過(guò)控制單位周期內(nèi)的高低電平占空比已達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。2.4G無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)手持終端與信息采集車之間的數(shù)據(jù)交換，并可以根據(jù)。TFT LCD顯示模塊，主要實(shí)現(xiàn)回傳參數(shù)的顯示。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖6、圖7、圖8所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖Fig.3 Motor driver module circuit diagram

圖4 TFT LCD顯示屏電路Fig.4 TFT LCD display

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 System software design structure

圖6 信息采集車及手持端總框圖Fig.6 Information collection and handheld extremity block diagram

圖7 環(huán)境參數(shù)模塊及加速度傳感器控制模塊框圖Fig.7 Environmental parameters and acceleration sensor control module the module block diagram

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

圖8 PWM輸出控制信號(hào)框圖Fig.8 PWM output control signal diagram

該設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜和危險(xiǎn)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集工作。在使用該設(shè)計(jì)時(shí)，操作人員可站在遠(yuǎn)離危險(xiǎn)環(huán)境的地方，通過(guò)手持設(shè)備也就是數(shù)據(jù)接收設(shè)備上的三軸加速度傳感器來(lái)控制小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。當(dāng)小車來(lái)到數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)后，可通過(guò)超聲波傳感器來(lái)進(jìn)行避障以及障礙物距離的傳輸，這樣現(xiàn)場(chǎng)人員就能大概算出災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)空間的大小。溫濕度傳感器能測(cè)出災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度，從而判斷救援人員能否進(jìn)入。煙霧和火焰?zhèn)鞲衅骺捎脕?lái)探測(cè)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)是否存在火情或是濃煙。人體紅外傳感器可以探測(cè)到災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)是否有傷員，并且基于上面測(cè)到的幾種數(shù)據(jù)，救援人員能夠迅速判斷現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是否適合傷員存活并做出救援方案。

5 結(jié) 論

此研究是對(duì)傳統(tǒng)的遙控控制進(jìn)行大膽的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，利用重力感應(yīng)技術(shù)對(duì)小車的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向、直行、后退等基本運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)了操作的無(wú)按鍵化，擺脫按鍵的煩惱，操作簡(jiǎn)單，更顯人性化；利用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，擺脫了有線通信方式，帶來(lái)了布線困難，維護(hù)不便等缺點(diǎn)；采用熱門(mén)的無(wú)線傳感器技術(shù)，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)范疇內(nèi)的一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)也是無(wú)人型機(jī)器人發(fā)展方向的一次探索。

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