智能導(dǎo)游小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

郭 燕,王 琰,胡鵬路

(1.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048；2.南京熊貓機(jī)電儀技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210007)

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)智能技術(shù)正越來越深刻地影響著我們的生活，智能旅游是指在旅游行業(yè)采用最新智能技術(shù)進(jìn)行環(huán)境感知和規(guī)劃決策，以智能手段開展旅游服務(wù)，使游客能夠便捷地獲取舒適的旅游方式[1]。本課題研制開發(fā)了一種用于旅游的智能導(dǎo)游小車，該小車由52單片機(jī)、QTI傳感器、RFID讀卡器、語音模塊(WT588D)、鋰電池電源模塊、伺服舵機(jī)等部件組成，實(shí)現(xiàn)從起始點(diǎn)出發(fā)到目的地，按照指定軌跡移動(dòng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)游歷指定景點(diǎn)，并播報(bào)相應(yīng)的景點(diǎn)信息，在游歷完所有景點(diǎn)后回到出發(fā)地的相應(yīng)功能。

1 智能導(dǎo)游小車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本課題所開發(fā)的智能導(dǎo)游小車是由機(jī)械本體、檢測元件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組合在一起的組合體，能夠完成一系列開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或全自動(dòng)的系統(tǒng)操作。該系統(tǒng)能夠在一系列景點(diǎn)之間按事先設(shè)定好的順序自動(dòng)循線行走，不需要人為的遙控；同時(shí)，該系統(tǒng)結(jié)合無線射頻技術(shù)檢測景點(diǎn)信息，采用多功能、可編輯的WT588D語音芯片進(jìn)行站點(diǎn)信息的語音播報(bào)，采用AT89S52單片機(jī)控制裝置實(shí)現(xiàn)可編程控制[2-4]，以此實(shí)現(xiàn)導(dǎo)游的功能。智能導(dǎo)游小車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖[5-6]如圖1所示，其中電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力來源；QTI光電傳感器實(shí)現(xiàn)循跡功能；RFID讀卡器讀取標(biāo)簽卡進(jìn)行景點(diǎn)識(shí)別；語音模塊用來編輯與存儲(chǔ)語音片段；功放模塊實(shí)現(xiàn)語音的放大與保真，并采用DAC方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行景點(diǎn)語音信息的播報(bào)；360°伺服舵機(jī)作為執(zhí)行單元按照指令進(jìn)行小車前進(jìn)方向或速度的控制，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退等各種巡航動(dòng)作；ISP下載模塊實(shí)現(xiàn)程序往單片機(jī)的燒錄；AT89S52單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制提供保障等。

圖1 智能導(dǎo)游小車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用8個(gè)循跡傳感器連接至單片機(jī)P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7等8個(gè)端口，用于獲取路面信息，進(jìn)行循線；采用RFID讀卡器連接至控制器P2.4、P3.0端口來實(shí)現(xiàn)循跡和讀取標(biāo)簽卡信息；采用語音模塊(WT588D)連接至單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2、P2.3實(shí)現(xiàn)語音的編輯、存儲(chǔ)與調(diào)用；采用伺服舵機(jī)連接至單片機(jī)P1.0、P1.1驅(qū)動(dòng)小車左右輪按照預(yù)定的方式動(dòng)作。智能導(dǎo)游小車控制部分連接示意圖見圖2。本系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)游歷指定景點(diǎn)，并播報(bào)相應(yīng)的景點(diǎn)信息，在游歷完所有景點(diǎn)后回到出發(fā)地的相應(yīng)功能。

2.1 循跡功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用DM-S53401QTI光電傳感器，該傳感器采用光電接收管來進(jìn)行循線。當(dāng)QTI傳感器在一個(gè)很暗的表面上時(shí)，反射光強(qiáng)度很低；當(dāng)QTI傳感器在一個(gè)很亮的表面上時(shí)，反射光強(qiáng)度很高，從而導(dǎo)致傳感器輸出的變化，不同強(qiáng)度的反射光導(dǎo)致傳感器輸出不同，即探測到不同顏色的物體輸出不同的電平信號(hào)。

圖2 控制部分連接電路示意圖

本系統(tǒng)共采用8個(gè)QTI傳感器，在小車的前、后分別安裝4個(gè)QTI傳感器。安裝好后，用套件中附帶的3PIN杜邦線將QTI的引腳連接到機(jī)器小車的面板上，將QTI傳感器的GND連接至控制板上的GND、VCC連接到控制板上的Vdd，然后將SIG連接到單片機(jī)的P0口上，在此以前4組傳感器為例說明連接方法和循跡策略。

傳感器與單片機(jī)接口的連接示意圖如圖3所示，以前端4組QTI傳感器為例，將其SIG信號(hào)線分別連接至小車平臺(tái)的相應(yīng)P0.0、P0.1、P0.2、P0.3位，從而進(jìn)行路面的檢測，以便循線。

圖3 傳感器與單片機(jī)接口連接示意圖

2.2 讀卡功能的實(shí)現(xiàn)

讀卡功能模塊由RFID讀卡器和無源只讀標(biāo)簽卡組成，RFID讀卡器可低功耗被動(dòng)讀取標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)串口通信，能夠采用軟件來啟動(dòng)或者禁用輸入使能端，并且具有雙色LED狀態(tài)顯示，每個(gè)標(biāo)簽含有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，由RFID射頻讀取卡中信息后，通過串行接口P3.0傳輸給單片機(jī)控制端[7]。

RFID讀卡器有4個(gè)引腳：VCC、/ENABLE、SOUT、GND。其中，單片機(jī)P2.4連接其使能引腳/ENABLE，讀卡器的輸出信號(hào)SOUT與單片機(jī)的P3.0引腳相連，實(shí)現(xiàn)串口通信。RFID讀卡器電路連接方式見表1。

表1 RFID讀卡器電路連接方式

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 循跡功能的實(shí)現(xiàn)

在循跡的過程中，循跡函數(shù)由前進(jìn)循跡void run_online(int steps)、后退循跡void run_online1(int steps)、左轉(zhuǎn)void run_online_a(int steps)、右轉(zhuǎn)void run_online1_a(int steps)組成。前進(jìn)循線根據(jù)前頭的4個(gè)QTI傳感器返回的信息，然后根據(jù)run_online()函數(shù)執(zhí)行前進(jìn)、左轉(zhuǎn)修正、右轉(zhuǎn)修正等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)循線；后退循線與前進(jìn)循跡類似。

循跡部分函數(shù)如下：

void run_online(int steps){

while(steps)

{

if((P02_state()&&(!P01_state()))||(P03_state()&&(!P02_state())&&(!P01_state())&&(!P00_state()))) //1100 1000

{

move(1530,1300,1);

}

else

if(((!P02_state())&&P01_state())||((!P03_state())&&(!P02_state())&&(!P01_state())&&P00_state()))

{move(1700,1470,1);}

else if((!P01_state())&&(!P02_state()))

{

move(1500,1500,1);

delay_nms(1000);

move(1700,1300,8);

city_RFID=RFID();

if(city[Travel_itinerary[travel_city]]==city_RFID)

{

voice_broadcast(Travel_itinerary[travel_city]);

travel_city++;

}

break;

}

else

{

move(1700,1300,1);

steps--;

}

}

3.2 語音播報(bào)的實(shí)現(xiàn)

在語音播報(bào)過程中，首先采用move()子函數(shù)，RFID通信串口初始化，當(dāng)讀卡器讀完一幀數(shù)據(jù)，即產(chǎn)生串行中斷，調(diào)用串行中斷子函數(shù)serial()并進(jìn)行解碼，按照位通信協(xié)議讀取數(shù)據(jù)，調(diào)取相應(yīng)語音，同時(shí)進(jìn)行播報(bào)。語音播報(bào)主要由串口中斷讀卡函數(shù)、RFID通信串口初始化函數(shù)以及解碼函數(shù)組成。語音播報(bào)流程如圖4所示。

3.3 主函數(shù)

本智能導(dǎo)游小車使用的算法是基于數(shù)字地圖的向量分析法[8]，首先用數(shù)組M存儲(chǔ)相應(yīng)的景點(diǎn)坐標(biāo)、景點(diǎn)標(biāo)簽卡信息，數(shù)組N存儲(chǔ)機(jī)器小車的移動(dòng)路徑。機(jī)器小車通過循線到達(dá)某個(gè)景點(diǎn)，并通過RFID讀卡器讀取該景點(diǎn)的標(biāo)簽卡信息，將標(biāo)簽卡信息與數(shù)組M對(duì)比找到該景點(diǎn)的坐標(biāo)B。再通過機(jī)器小車移動(dòng)路徑數(shù)組N獲取上一個(gè)景點(diǎn)和下一個(gè)景點(diǎn)的信息，對(duì)照數(shù)組M找到這兩個(gè)景點(diǎn)的坐標(biāo)A和C，最后通過這三個(gè)景點(diǎn)(上一個(gè)景點(diǎn)坐標(biāo)A、當(dāng)前景點(diǎn)坐標(biāo)B、下一個(gè)景點(diǎn)坐標(biāo)C)來獲知小車需轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，小車獲知轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度后便可旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)軌道，循線前進(jìn)。

圖4 語音播報(bào)流程

軟件設(shè)計(jì)思路是：小車從起始景點(diǎn)出發(fā)，先播報(bào)起始景點(diǎn)信息，再沿某個(gè)方向循線運(yùn)動(dòng)，到達(dá)下一個(gè)景點(diǎn)時(shí)小車通過內(nèi)側(cè)的兩個(gè)QTI檢測到相應(yīng)的信息，驅(qū)動(dòng)RFID讀卡器讀取無線射頻標(biāo)簽卡信息，將讀取到的信息與city[][]數(shù)組的對(duì)應(yīng)列數(shù)據(jù)對(duì)比，找到與之相對(duì)應(yīng)的景點(diǎn)后讀取該景點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)值；通過景點(diǎn)播報(bào)路徑數(shù)組Travel_itinerary[]獲知該景點(diǎn)是否是播報(bào)景點(diǎn)，再通過機(jī)器小車移動(dòng)路徑數(shù)組path[]獲取上次經(jīng)過的景點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)以及下一個(gè)將要去的景點(diǎn)的坐標(biāo)；知道3個(gè)景點(diǎn)坐標(biāo)后便可以計(jì)算出需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向，由于機(jī)器小車轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)有一些小誤差，因此轉(zhuǎn)動(dòng)后需要繼續(xù)搜索黑線，找到黑線后便可循線移動(dòng)到下一個(gè)景點(diǎn)，如此循環(huán)執(zhí)行，直到走完小車移動(dòng)路徑規(guī)劃的景點(diǎn)，并播報(bào)路線規(guī)定的所有景點(diǎn)后跳出循環(huán)，回到起始區(qū)域停下。智能導(dǎo)游機(jī)器小車的程序流程見圖5。

4 結(jié)束語

本課題開發(fā)了一種以AT89S52單片機(jī)為控制核心的智能導(dǎo)游機(jī)器小車，該方案以QTI光電傳感器作為路徑信息采集工具實(shí)現(xiàn)循線；采用語音模塊進(jìn)行語音片段的存儲(chǔ)和編輯，功放模塊實(shí)現(xiàn)語音的放大與保真；結(jié)合無線射頻技術(shù)檢測景點(diǎn)信息，進(jìn)行景點(diǎn)信息的語音播報(bào)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)游機(jī)器小車的智能化行進(jìn)與景點(diǎn)信息講解。經(jīng)過實(shí)踐證明：該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有很好的路面識(shí)別與信息播報(bào)能力，以及很強(qiáng)的實(shí)踐性和一定的推廣價(jià)值。

圖5 智能導(dǎo)游小車程序流程