多功能智能小車的設(shè)計與應(yīng)用分析

馬志德 杜世龍 周永帥 郭繼成

（湖北大學(xué)知行學(xué)院，湖北 武漢430014）

近些年來機器人的智能水平不斷提高，隨著人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透，而智能小車這種輪式移動機器人集合了傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)則可作為智能領(lǐng)域的代表。智能小車是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策、智能 控制與執(zhí)行等多功能于一體的移動式機器人,由傳感器、控制器和執(zhí)行器3 部分組成,可應(yīng)用于自動控制、計算機技術(shù)、模式識別、工業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域[1-3]。多樣化的功能，簡潔化的設(shè)計，便捷的操作和更高價值的應(yīng)用就成了智能小車發(fā)展的必然趨勢。

1 模塊化設(shè)計

多功能智能小車的模塊化電路連接簡潔，易拆卸，同時又符合功能的多樣性。

圖1

如圖1 為整車模塊分布簡圖，該模塊化設(shè)計有別于硬件設(shè)計和程序設(shè)計，不同模塊對應(yīng)不同功能。模塊之間一般由杜邦線連接，如圖2：

圖2

路段識別主要依靠攝像頭模塊，同時路段需要路和路邊的色差鮮明。攝像頭模塊中由碳纖維管支架，攝像頭及其電路板和主機板上的OLED 顯示屏組成，這類光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、體積小，性能可靠等突出特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得普遍應(yīng)用。新的光電器件持續(xù)涌現(xiàn)，尤其是CCD 圖像傳感器的出現(xiàn)，為光電類傳感器的進一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的歷史紀元[4]。其實際使用時攝像頭采集到的路況會經(jīng)過二值化處理后反饋在主機板（圖3）的顯示屏上，供使用者觀察調(diào)試。

圖3

在智能小車過有一定頻率電流導(dǎo)線通過的特殊路段時需要用上新的模塊，以實現(xiàn)其新的功能。紅外線模塊[4]是發(fā)送器對目標投射光線獲取光信號再轉(zhuǎn)化成電信號的一種感應(yīng)方式，投射的光線普遍來源于半導(dǎo)體光源、吸光二極管還有紅外投射二極管。光線持續(xù)地投射，或更替脈沖寬度。同時紅外線傳感器接收到的信息反饋過后，調(diào)試模塊的核心板會根據(jù)程序設(shè)定發(fā)送電信號至伺服電機模塊，伺服電機會打指定的角度改變車輪的朝向以規(guī)避前方感應(yīng)到的障礙物。

作為多功能智能小車上的兩個電機，伺服電機直接由導(dǎo)線連在主機板上，作用于智能小車的轉(zhuǎn)向問題。而主驅(qū)動模塊則是由步進電機、編碼器和驅(qū)動電路板（驅(qū)動電路板原理圖：圖4）組成，調(diào)試模塊錄入程序，給驅(qū)動板信號來使編碼器控制步進電機的轉(zhuǎn)速。電源模塊作為最簡單的模塊之一，同時也是多功能智能小車最主要的動力來源。圖5 為系統(tǒng)電源管理示圖，寫出了電源模塊中電源對各個模塊的供電關(guān)系，簡潔但又緊密相連。

模塊化的設(shè)計在程序中也有體現(xiàn)，[4]主程序：主要負責(zé)落實初始化任務(wù)，設(shè)定智能小車的啟動運轉(zhuǎn)形式以及調(diào)用顯示子程序等。初始化程序：主要完成各個單元清零以及設(shè)置定時器T1、外中斷0、外中斷1 等。外中斷0：主要落實按照光電測量器測量到的小汽車的位置驅(qū)動小汽車的運行。其他各個模塊都有其獨立的程序，更改數(shù)值即可調(diào)試。（以舵機程序為例：圖6）

圖4

圖5

圖6

2 應(yīng)用前景

目前在國內(nèi)，互聯(lián)網(wǎng)中小學(xué)生編程行業(yè)正處于市場啟動階段，有著較高的不確定性。標準混亂、模式粗放也是智能編程面臨的困境。智能產(chǎn)品建立多功能的編程、組裝、調(diào)節(jié)安裝的教學(xué)，是擺在眼前迫在眉睫的問題。基于此，多功能智能小車可作為教學(xué)用具供師生使用，模塊化的設(shè)計，簡易的編程理念，不同程序的調(diào)試可適應(yīng)不同的年齡段。

同時近些年國務(wù)院出臺的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》指出，“實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣?！比斯ぶ悄苓M學(xué)校上升為國家戰(zhàn)略，給市場帶來切實的政策利好。

多功能智能小車作為教具幫助中小學(xué)相關(guān)師生完成智能教學(xué)產(chǎn)品的認知和學(xué)習(xí)使用，實現(xiàn)學(xué)與教一體化，促使學(xué)生從傳統(tǒng)的使用者身份轉(zhuǎn)向使用者加設(shè)計者地位。通過編程和模塊組建讓學(xué)生掌握的不再只是課本的理論知識，拓寬其眼界，并使邏輯創(chuàng)新、想象思考能力得到一定程度的提高。打破傳統(tǒng)教學(xué)的枷鎖，激發(fā)學(xué)生的探索、創(chuàng)新熱情。

作為教學(xué)用具，可同時編制一份產(chǎn)品說明書，讓學(xué)生在產(chǎn)品說明書或是老師的指導(dǎo)下完成對產(chǎn)品模塊化的拼裝，可加入更多的外圍模塊來提升智能小車的功能性，同時提升學(xué)生的創(chuàng)造性，又可實現(xiàn)自我組裝小車、更改程序、添加各種不同的感應(yīng)模塊。

3 結(jié)論

多功能智能小車由使用簡潔方便的模塊組裝設(shè)計，并可以應(yīng)用于教學(xué)用具行業(yè)，其政策扶持，市場需求量大，同行業(yè)同類型競爭對手極少，目標客戶多，產(chǎn)品內(nèi)容不死板，作為科技學(xué)習(xí)類智能教具等發(fā)展前景廣闊。