智能循跡小車的設計與實現(xiàn)

過怡 王云寶 董亞萍

摘 要：文章設計一種基于Andorid移動終端控制的智能小車系統(tǒng)，小車采用四輪結構，8組紅外對管對黑色軌跡進行循跡，利用超聲波傳感器進行避障。S5PV210微控制器系統(tǒng)進行傳感器控制及小車循跡。Andorid移動終端通過WiFi模塊與S5PV210微控制器進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)小車的靈活控制和信息的實時采集。

關鍵詞：循跡；Andorid：S5PV210：WiFi

智能小車的應用領域十分廣泛，目前智能小車的設計和研發(fā)過程中通常通過串行口與PC連接進行數(shù)據(jù)的傳遞，PC機上的上位機軟件系統(tǒng)通過串行方式將控制數(shù)據(jù)傳遞給智能小車，然后將小車放到場地中運行，一旦小車開始運行，無法根據(jù)小車實際運行情況實時改變參數(shù)和獲得小車的運行參數(shù)。部分智能小車雖然可以通過無線遙控方式控制移動小車動作，但是局限于特定環(huán)境并且上位機系統(tǒng)無法獲得實時運動情形[1]。這樣對小車的調試和設計帶來困難，延長了小車設計調試的時間。

本文采用無線WiFi模塊將智能小車與移動終端（Android手機、平板電腦等）相連，利用移動終端良好的圖像界面，便于攜帶，隨處移動等特性，代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC機的上位機系統(tǒng)，可以遙控智能小車的運動，并根據(jù)小車的實際運行狀態(tài)隨時發(fā)送修改參數(shù)，并獲得智能小車的參數(shù)信息，大大提高了智能小車調試測試的效率。

1 系統(tǒng)整體結構

移動終端上運行上層控制軟件，用戶在上層控制軟件上設置相應參數(shù)，移動終端將控制命令通過WiFi發(fā)送給智能小車控制板上的WiFi模塊，WiFi模塊將數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送給S5PV210微控制器，S5PV210微控制器根據(jù)控制命令驅動電機控制車輪以一定速度行進，S5PV210微控制器底層代碼定時獲取紅外傳感器和車輪碼盤數(shù)據(jù)以調整車輪轉向和速度，實現(xiàn)沿黑線循跡，同時定時獲得超聲波傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)避障。用戶需要查看小車的參數(shù)時，可以在上層控制軟件上選擇顯示信息，S5PV210微控制器將采集到的超聲波、光照、碼盤等信息發(fā)送給移動終端并顯示在上層軟件界面上。本系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 核心控制模塊

系統(tǒng)采用的核心控制器是三星公司生產的SPS5PV210，是一款32位的RISC處理器，基于ARM的V7架構，低功耗、低成本、高性能。片上具有豐富的資源：用于安全啟動的片內ROM/片內RAM。8位ITU601/656攝像頭接口，最大支持8M像素裁剪圖像，以及64 M像素的未裁剪圖像。3通道的24位IIS接口。一個3通道的IIC總線控制器。一個2通道的SPI總線控制器。4通道UART接口，包括一個4M波特率的藍牙2.0接口。一個紅外傳感器端口。24通道的DMA控制器。10通道的12位混合ADC接口。可配置的GPIO資源。實時時鐘/PLL/看門狗等片上外謝[2]。完全可以滿足本系統(tǒng)WiFi數(shù)據(jù)的處理和傳輸、底層傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理。

2.2 紅外線循跡模塊

本系統(tǒng)循跡采用了8組紅外對管來循跡黑色路徑，紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線到地面上，如果遇到黑色循跡線，則被吸收，不能反射給紅外接收管，當遇到循跡線外的其余白色區(qū)域時，將產生反射信號給紅外接收管。SPS5PV210的GPIO A口讀取紅外接收管的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)展開成8位二進制位進行判斷，如果是中間2位為0，則表示小車正對循跡線前進，不需要對小車位置進行修正，全速前進即可；如果是中間偏左的2位為0，則表示小車出現(xiàn)了左偏，此時需要調整左右車輪的速度，即左輪增速，右輪減速，來調整小車的位置，使它再次正對循跡線；如果是中間偏右2位為0，則表示小車出現(xiàn)右偏，同樣通過調整左右車輪的速度，左輪減速，右輪增速，來調整小車位置，使它正對循跡線。紅外接收電路原理如圖2所示。

2.3 超聲波避障模塊

小車在循跡線路上如遇到障礙物，能及時停止，并進行左轉或右轉繞行。本系統(tǒng)采用超聲波傳感器來測量前方障礙物的距離。超聲波傳感器包括發(fā)射傳感器和接收傳感器，超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波，同時SPS5PV210片內定時器開始計時，超聲波在遇到障礙物時會立刻反射回來，超聲波接收傳感器接收到反射波，同時停止計時。通過定時器記錄的時間差確定與障礙物距離。超聲波發(fā)射電路原理如圖3所示。

2.4 無線WiFi模塊

WiFi模塊采用深圳市海凌科電子有限公司的HLK-RM04（串口一以太網(wǎng)一無線網(wǎng)）模塊，該模塊內置TCP/IP協(xié)議，可以與核心控制模塊中SPS5PV210片內的串行接口進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸[3]。只需將WiFi模塊設置為服務器模式，設置好端口地址、IP地址、WiFi名稱和密碼，該模塊就能將接收到的WiFi數(shù)據(jù)通過串行方式發(fā)送給SPS5PV210，SPS5PV210只需設置串行口中斷，就能實時接收移動終端發(fā)來的控制信號。SPS5PV210片內的串行模塊不需要做任何特殊配置。WiFi轉串口電路原理如圖4所示。

3 上層軟件系統(tǒng)設計

上層系統(tǒng)采用移動終端（Android手機、平板電腦等）代替了傳統(tǒng)的PC機，因此上層軟件開發(fā)采用Android平臺進行，開發(fā)工具為Elipse，Java jdk7，Android SDK。上層系統(tǒng)的界面如圖5所示，在此操作界面上用戶可以輸入小車的行駛速度，碼盤值，控制小車的運行方向：前進、后退、左轉、右轉、停止、按設定路線循跡。當點擊顯示輸出信息按鈕時，用戶可以在圖5界面下方看到如圖6所示的超聲波測距數(shù)據(jù)和當前的碼盤值。在軟件的單擊事件中首先獲得用戶設定的速度和碼盤值，然后對按鈕類型進行判斷，最后將獲得的上述信息轉換成指令發(fā)送給小車。上層軟件系統(tǒng)與小車直接通信可以采用基于ASCII字符和基于二進制流兩種實現(xiàn)方式。采用二進制流方式進行數(shù)據(jù)傳輸雖然實現(xiàn)較復雜，在每幀數(shù)據(jù)前后需要添加幀頭和幀尾來分割數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧恳黠@小于ASCII字符方式，可以大大提高數(shù)據(jù)發(fā)送的效率。本系統(tǒng)設計一種基于Modbus-RTU協(xié)議框架的二進制通信協(xié)議[4]，上層系統(tǒng)發(fā)送協(xié)議的幀格式如表1所示。

4 結語

本系統(tǒng)改進了傳統(tǒng)的使用PC機作為上位機系統(tǒng)進行智能小車控制的方式，采用移動終端作為上位機系統(tǒng)，使對小車的控制操作更加靈活方便，實時性更好。智能小車目前可以完成手動控制下的前進、后退、左轉、右轉，和自動控制下的按設定路徑循跡，如需改變路徑則要重新編寫底層代碼，因此，還不夠靈活，在后期還需進一步改進。

[參考文獻]

[1]卜雪民，錢峰.基于的智能車輛系統(tǒng)移動小車的設計[J]電子測量技術，2007 （10）：80-83.

[2]三星公司.S5PV210 RISC Microprocessor Data Sheet [EB/OL].（ 2010-02-10） [2017-10-16].http：//www.samsungsemi.com.

[3]深圳市海凌科電子有限公司.HLK-RM04說明書[EB/OL].（ 2013-06-29） [2017-10-16].http：//www.hlktech.com/.

[4]全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術委員會GB/Z 19582.1-2004基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡規(guī)范第1部分Modbus應用協(xié)議[S]北京：中國標準出版社，2004.