智能小車控制技術的實現

余庚，湯紫雄，呂守向

(1.福建工程學院國脈信息學院，福建福州350014;2福州理工學院信息工程系，福建福州350506)

智能小車控制技術的實現

余庚1，湯紫雄2，呂守向2

(1.福建工程學院國脈信息學院，福建福州350014;2福州理工學院信息工程系，福建福州350506)

目前智能小車的研究與實現多數依托于射頻通信技術，其保密性、功能兼容擴展性、大數據實時傳輸的有效性都相對較弱，達不到智能化的諸多要求，這就限制了其在市場中的推廣應用.為此，本文提出一種基于STC89C52控制芯片、嵌入式OpenWrt系統、傳感器為主導的控制技術來實現對智能小車的更加自動化的控制.通過加密的無線終端接入到智能小車的AP，來控制小車完成一系列智能化的動作，諸如當前視像實時傳輸，畫面采集，實時探測溫度、距離、路障并及時自動調整行進路徑等.該智能控制技術的實現使智能小車具備了更強大的安全性和信息處理能力，可運用在多種場合.

AP;智能控制;OpenWrt;單片機;上位機

智能控制可通過無線傳感、單片機、嵌入式系統等技術來綜合實現.此類智能控制小車可經由無線終端接入其熱點來實時精確地控制其運行，狀態.既能按照預設模式在指定環境下自動運行也能夠在人類無法介入的高危領域中通過在無線終端調整參數來控制其智能地運行.譬如地質勘探、無人機巡邏等領域.

目前智能小車的研究與實現多數依托于射頻通信技術，受限于其功能擴展性和智能性使得在市場中的推廣應用有限.故本文引入嵌入式OpenWrt［1］系統并結合單片機和傳感等技術來實現智能小車自動化地采集現場視頻流、音頻流、自動捕捉異常畫面，適時開啟夜視功能檢測環境溫度、路障并自動調整行動軌跡等技術，以此擴展智能小車的智能性和靈活性.

1 智能小車原理系統

智能小車控制系統由供電模塊、數據中心、單片機主控單元、電機驅動電路、傳感器等組成.主控板和驅動板均采用排針接口相互咬合形成上下結構并采用12V可控式風扇為驅動板降溫.整個小車智能控制系統的結構如下圖1所示.

圖1中，數據中心(含AP)采用一個嵌入式OpenWrt的WR703N，在獲取遠程終端的指令后將探針捕捉到的環境視頻流、音頻流和傳感器所采集的現場信號傳回到遠程無線控制終端.視頻流是通過探頭采集并在壓縮編碼后經OpenWrt系統的mjpg－stream程序處理完再利用IEEE 802.11［2］發送到遠程無線控制終端進行解碼顯示.音頻流的采集則通過listener程序模塊進行處理，其播放是通過OpenWrt系統的madplay程序模塊進行MP3音頻數據解碼輸出到音頻模塊來實現.當數據中心接收到控制終端的指令后通過內部的TCP轉串口程序ser2net將接收到的指令通過WR703N串口發送到單片機的串口接收端，單片機接收到這些指令后執行相應的動作，如:小車行進、循跡、舵機運動、避障、傳感器信號采集等.數據中心和MCU主控單元通過串口連接進行通信，波特率為9600.主控單元采用STC89C52RC型51單片機［3］，其用于統籌各模塊、電路的協調工作.傳感器單元用于感測環境信息并傳送到單片機，再將數據回傳給上位機，如溫/濕度數據、前方路障數據，以及采集路面信號完成循跡、自動避障等.根據指令安排，電機驅動用于促發電機執行反轉、正轉，制動進而使小車后退、前進、轉彎，停止.舵機云臺則控制橫向、縱向扭轉.供電系統采用LM2596系列開關型穩壓器.

圖1 智能小車控制系統結構圖

2 OpenWrt系統設計

OpenWrt用于處理大數據，比如通信數據包的處理，視像流和音頻流的編解碼等.硬件結構下如圖2所示.

圖2 OpenWrt結構

OpenWrt［4］操作系統的編譯要運行在Ubuntu環境下，在內核配置單里勾選kmod－usb－storage，kmod－usb2，fdisk，kmod－usb－storage，kmod－usb2，fdisk，swap－utils，e2fsprogs，ser2net，mjpgstreamer，motion，listener，kmod－video－uvc，kmod－usb－core，kmod－nls－base，madplay，kmod－soundcore，kmod－usb－audio，samba－server，luci－app－samba，kmod－input－gpio－keys－polled，kmod－input－gpio－keys－polled，kmod－i2c－core，kmod－video－core，kmod－input－core，kmod－usb－uhci，kmod－usb－ohci，kmod－ath，kmod－ath9k，kmod－ath－common，kmod－ipt－core，kmod－ipt－nat，cfg 80211為模塊.其中mjpg－streamer用來處理視頻信號，listener用來音頻采集，madplay用來音頻播放.編譯好固件后要下載到WR703n路由器中運行，并進行相關配置.

3 主控單元設計

MCU主控單元的主控芯片為STC89C52RC單片機，采用11.0592M晶振.該單片機控制系統的設計包含了紅外夜視電路設計、傳感電路設計［4］、電機驅動控制電路設計、超聲波模塊設計、舵機云臺控制模塊設計、電量采集模塊設計、循線和自動避障控制設計等.其中，紅外夜視功能采用恒流源電路驅動大功率紅外LED來執行主動式紅外夜視功能.現將智能小車工作狀態配置為如下表1.

表1 智能小車工作狀態信息表

鼠標云臺通過上位機來實現智能化地控制舵機，也可在遠程無線控制終端的GUI界面上來動態調整舵機角度的大小.控制終端發送到單片機的數據格式見表2:

表2 數據格式

其中，0°≤α≤180°，0°≤β≤180°.主控單元STC89C52RC單片機通過對上位機發送的數據進行解析來控制舵機的轉動，X軸部分程序代碼如下:

Y軸的控制和X軸原理相同.這里將hight_votage和hight_votage1的取值范圍配置為13≤hight_ votage≤37和16≤hight_votage≤56意在將舵機的扭轉角度控制在合理范圍內.

4 供電設計

本設計采用LM2596－5V開關穩壓芯片構成5V穩壓電路給智能小車各模塊芯片電路供電.電機的供電是把12V電壓通過LM2596－adj穩壓電路轉換成6.77V～12V可調電壓便于電機調試及和其它類型電機兼容.其輸出電壓的公式為:

其中，Vref=1.23V，R2=900Ω～1.9KΩ，R1=140Ω.其中單獨為主控單元和WR703N供電的系統設計為如下圖3所示.

5 系統流程設計

實現智能［5］小車自動控制的流程是由遠程無線終端控制平臺(即:上位機)通過socket將相應指令下發給數據中心(即:下位機)的WR703N.WR703N把收到的IEEE 802.11數據通過ser2net轉換成串口數據傳送到主控單元的STC89C52RC單片機控制器，進而執行相應的操作.整個智能小車控制過程的流程設計如下圖4所示.

圖3 供電系統構造

圖4 智能小車控制流程

圖5 上位機流程設計圖

遠程無線控制終端將Visual Studio作為集成開發環境，通過socket編程來實現上位機控制系統［6］的設計.上位機運行流程圖如下圖5所示.

下位機程序的主要功能是執行控制策略，包括主程序、數據處理、通信以及控制部分.如:信息的采集和數據的處理、控制算法的實現如PWM算法，MCS－51程序的編譯及實現等.

6 結束語

本次研究綜合應用了單片機、wifi等技術來實現智能小車智能化自動化控制，并深入研究了Open-Wrt系統，將其融入到智能小車主控單元來擴展設計周邊電路，使小車具備更好的信息處理能力和環境適應能力.主控芯片選用STC89C52RC單片機，負責對上位機發出的指令進行分析及對各模塊電路的控制，包括對超聲波傳感器，溫度傳感器，光電傳感器等各傳感模塊的控制.下位機的程控設計囊括了主程序、電機控制、舵機控制、循線、自動避障等諸多模塊控制程序的設計.此外，友好的基于C#.net［7］人機界面設計使得本次控制系統的設計趨于人性化和高度智能化.這超越了傳統智能小車平臺控制系統，有助于擴展智能小車在諸多領域的推廣和應用.

［1］陳宏田.基于安卓系統聯網智能車的設計和研究［D］.南京:南京師范大學電氣與自動化工程學院，2015.

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［3］楊淦.基于無線網絡控制的移動機器人設計［D］.天津:河北工業大學控制科學與工程學院，2015.

［4］陳書旺，宋立軍，許云峰.傳感器原理及應用電路設計［M］.北京:人民郵電出版社，2015.

［5］徐元文，張婧婧，陳寧.基于Arduino的無線環境探測小車的設計［J］.計算機與現代化，2015(6):119－121.

［6］張金.電子系統設計基礎［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［7］李玲香，羅鵬.智能小車對提高智能居家系統穩定性的應用研究［J］.湖南科技學院學報，2014(5):125－128.

Realization of Intelligent Car Control Technology

YU Geng1，TANG Zi－xiong2，LV Shou－xiang2
(1.Guomai Information College，Fujian University of Technology，Fuzhou，350014;
2.Department of Information Engineering，Fuzhou Institute of Technology，Fuzhou，350506，China)

Recently，research and realization of aintelligent car is based on radio frequency communication technology.The security，the compatibility of the function and the real time transmission of large data is relatively weak.This is far away from the requirements of intelligent and limits its application in the market.Hence，a control technology based on STC89C52 control chip，embedded OpenWrt system，sensor is proposed，which can realize the automatic control of intelligent car.Besides，completing intelligent action through accessing to AP in the intelligent car can realize real time video transmission，temperature detection，obstacles detection，automatically adjust the driving path.The technology ensures the intelligent car to be the ability of security and information processing，which can be used in many occasions.

AP;intelligent control;OpenWrt;single chip microcomputer;upper computer

TP242.6

A

1672－2590(2016)03－0055－05

2016－03－15

福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JB14229)

余庚(1983－)，男，福建福州人，福建工程學院國脈信息學院講師.