實時交互智能小車

湖南文理學院 寧天瑜

湖南文理學院 湖南文理學院芙蓉學院 王南蘭

湖南文理學院芙蓉學院 胡朋朋 胡 海

0 前言

“智能小車”是一個集環境感知、規劃決策和多功能駕駛等于一體的綜合系統。整個小車的制作運用了自動控制原理、傳感技術和電子等多個學科的知識。以后智能小車的應用會更廣泛，如在消防救災、軍事、農業自動化等領域會有更加廣泛的應用和發展。

本文提出了基于無線通訊技術和單片機的智能小車設計方案。實現自動尋跡、避障、跟隨、遠程遙控等功能。

1 智能小車控制系統總體架構

實時交互智能小車控制系統主要由自動控制部分、通訊控制部分兩大部分組成組成。系統運行過程中可以切換控制模式，通過藍牙、433MHz等無線通訊模塊實現小車與上位機、其它小車的通訊，其中一部分故障時不影響另外一部分。智能小車控制系統總體架構如圖1所示。

圖1 智能小車控制系統總體架構圖

2 實時交互智能小車硬件設計

實時交互智能小車主要包括：電源模塊、電機驅動模塊、尋跡模塊、超聲波模塊、數據傳輸模塊、stm32f103vet6。硬件電路構成如圖2所示。

2.1 電機驅動模塊

驅動采用的是L298N電機驅動模塊，內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器；L298N作為主驅動芯片，具有驅動能力強，發熱量低，抗干擾能力強的特點。工作電壓高，最高工作電壓可達46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A，額定功率25W，可以適應多種電機的需求，通過單片機輸出PWM波來控制電機的轉速從而實現小車的起停、轉向和速度等功能。

圖2 智能小車硬件電路構成構

2.2 尋跡模塊

尋跡模塊采用紅外線尋跡，傳感器的紅外線發射管不斷發射紅外線，當發射出的紅外線照射到黑線上時，紅外線被吸收，光敏二極管一直處于關斷狀態，此時模塊的TTL輸出端為高電平，相應指示二極管一直處于熄滅狀態；當紅外線照射到黑線以外的地方時，紅外線被反射回來且強度足夠大，紅外接收管導通，此時模塊的TTL輸出端為低電平，指示二極管被點亮。尋跡傳感器電路圖如圖3所示。

圖3 尋跡模塊電路圖

尋跡傳感器陣列排布如圖4所示從左至右依次排列。

傳感器模塊將采集到的小車中點與黑線的偏差值發送給單片機，單片機根據采集的數據進行計算從而調整小車的姿態。

2.3 超聲波模塊

超聲波測距的原理是超聲波傳感器發出超聲，計算超聲波從發射到接收超聲波的時間，從而計算出距離。因此可以通過超聲波模塊測定小車與障礙物之間的距離，進行避障和跟蹤。

超聲波模塊的制作有特殊要求，本文直接選用市面上常見的US-015超聲波模塊。該模塊分辨率高于1mm，可達0.5mm，測距精度高；重復測量一致性好，測距穩定可靠。

圖4 小車運動示意圖

2.4 數據傳輸模塊

小車配備了藍牙模塊和數傳模塊，藍牙模塊實現了小車與手機的實時通信完成小車不同模式的切換，數傳模塊實現了小車與小車之間的實時通信完成小車之間的信息交流。

3 實時交互智能小車軟件設計

本軟件主要由三大部分組成：基于TIM2的分時任務系統代碼設計、基于PID的自主尋跡和避障算法程序設計和基于USART的通訊程序設計。

其系統流程圖如圖5所示。

圖5 智能小車系統流程圖

3.1 基于TIM1的定時任務系統代碼設計

一個能穩定運行的系統是小車執行各種動作的載體，本設計需要完成多個任務的執行，借助STM32f103RCT6的TIM2定時器設計一個最小任務周期為一毫秒的分時任務系統以執行各種任務，其初始化代碼如下：

任務系統能使各種任務有條不紊地執行可以靈活的加入各種任務。

3.2 基于PID的自主尋跡和避障算法程序設計

對小車尋跡傳感器陣列采集到的位置數據進行處理是實現小車尋跡的關鍵。

PID算法是根據采集到的誤差來進行自動調節，利用循跡模塊在前向通道的基礎上加入了反饋環節提高的算法的精度以及糾偏能力，但是引進了超調和飽和的問題需要多次調試PID三個參數的值來讓系統的靜態特性和動態響應達到最佳狀態，至此PID調節器就算基本設計完成。

3.3 基于USART的通訊程序設計

本設計利用STM32單片機的USART實現與藍牙等其他通訊設備通訊以實現小車與手機、電腦和小車之間的通訊。

4 總結

對于上述各個模塊的選擇以及各個模塊的設計與實踐，通過調試，各個模塊都可以單獨的正常工作。最后將各個模塊整合在一起，實現實時交互智能小車這一項目，要對這個系統進行整體設計，不僅要實現各個模塊單獨可以正常工作，還得實現模塊與模塊之間的信息交互。經過多次調試與修改，實現了小車的尋跡、跟隨以及小車和小車之間的信息的交互。

[1]胡壽松.2013.自動控制原理(第六版)[M].

[2]高吉祥.2004.模擬電子技術(第四版)[M].