智能探險(xiǎn)車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 罡，劉 庶，張慧杰，趙夢冉

（白城師范學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院，吉林 白城 137000）

0 引言

智能探險(xiǎn)車的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和智能控制技術(shù)等.智能探險(xiǎn)車可以按照預(yù)先設(shè)定的程序，在某一環(huán)境中自主運(yùn)行，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等領(lǐng)域，無需人為操控便可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，將會(huì)是今后社會(huì)發(fā)展需求的一個(gè)新方向.智能機(jī)器人能夠做很多事情，凡不適合由人直接完成的任務(wù)，均可由機(jī)器人來代替，并且不受溫度、濕度等條件影響.尤其是在一些危險(xiǎn)或惡劣的環(huán)境條件下工作，人類無法介入特殊情況下的任務(wù)，智能探險(xiǎn)車就可以發(fā)揮它的作用.但目前這些方面的開發(fā)利用還不夠完善，仍有許多地方等待著去開發(fā)研究.智能探險(xiǎn)車作為一種應(yīng)用型人工智能產(chǎn)品，它的開發(fā)前景非常巨大，相當(dāng)于一個(gè)平臺(tái)，可以在它的基礎(chǔ)上搭載任何想要實(shí)現(xiàn)的功能.因此，設(shè)計(jì)一款多功能的、適應(yīng)各種地形、各種場合的智能探險(xiǎn)車，無論對(duì)于軍事領(lǐng)域、科研領(lǐng)域還是生活領(lǐng)域都具有非比尋常的意義［1］.

1 系統(tǒng)硬件開發(fā)

1.1 總體設(shè)計(jì)

智能探險(xiǎn)車的主要功能是輔助進(jìn)行掃雷、探測、偵察，并具有GPS導(dǎo)航功能，能夠根據(jù)設(shè)定的路線進(jìn)行勘測，同時(shí)能夠自動(dòng)規(guī)避障礙物.智能探險(xiǎn)車采用了多種類型傳感器，通過STM32 單片機(jī)進(jìn)行控制，硬件系統(tǒng)主要包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器檢測部分等.本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容是在目前智能小車基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，讓它能夠應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，使探險(xiǎn)車的工作效率更高，安全性更加有保障，完成掃雷、探測、偵察等一系列危險(xiǎn)的工作任務(wù)［2］.本設(shè)計(jì)的智能探險(xiǎn)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 智能探險(xiǎn)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主控模塊

采用STM32F407單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，STM32是32位微控制器，內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)強(qiáng)大，外部中斷和定時(shí)器豐富便于控制，相比51 系列單片機(jī)，其運(yùn)行速度更快，外設(shè)更加強(qiáng)大.能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)元器件的精準(zhǔn)控制和接收處理器件反饋的外界信息，這對(duì)智能探險(xiǎn)車的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，因?yàn)橹悄芴诫U(xiǎn)車要實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測外界環(huán)境，從而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作應(yīng)答［3］.

1.3 驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分采用TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)電機(jī).該電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行雙向控制，有較強(qiáng)的輸出能力，在運(yùn)行性能和能耗方面也有一定優(yōu)勢，具有集成度高、體積小、高效率和高性能的特點(diǎn).本探險(xiǎn)車采用四輪驅(qū)動(dòng)，保證了足夠的動(dòng)力，通過調(diào)節(jié)輸入TB6612FNG 的PWM信號(hào)進(jìn)行直流電機(jī)的調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)探險(xiǎn)車基本的直行、轉(zhuǎn)彎、后退運(yùn)動(dòng)功能［4］.

1.4 避障模塊

避障模塊采用US-100 超聲波測距模塊進(jìn)行測距避障.該避障模塊可自行設(shè)置探險(xiǎn)車的避障距離，探險(xiǎn)車與障礙物之間距離小于避障距離時(shí)進(jìn)行避障，并具有GPIO、串口等多種通訊方式，集成看門狗功能，性能穩(wěn)定、工作可靠.給輸入/輸出口TRIG至少一個(gè)10 μs的高電平信號(hào)，模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回，然后輸入/輸出口ECHO 會(huì)輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間.從而利用如下公式計(jì)算出與障礙物的距離：

其中：d 表示探險(xiǎn)車與障礙物的距離；t 表示高電平時(shí)間；v 表示聲速（v 的取值為340 m/s）.根據(jù)測出與障礙物的距離，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)探險(xiǎn)車運(yùn)動(dòng)的控制及避障.

1.5 GPS導(dǎo)航模塊

智能探險(xiǎn)車需要具有自主導(dǎo)航功能，能夠根據(jù)設(shè)定的路線進(jìn)行勘測，通過GPS 導(dǎo)航，可以實(shí)現(xiàn)在地圖中放置坐標(biāo)點(diǎn)建立小車行駛路徑，小車啟動(dòng)GPS智能導(dǎo)航后，根據(jù)地圖中建立的行駛路線自動(dòng)導(dǎo)航行駛.因此，選用ATK1218-BD GPS 北斗雙模定位模塊定位更快、更精準(zhǔn)，該模塊自帶備用電池，可保存星歷數(shù)據(jù)，掉電后重新上電，可在幾秒內(nèi)恢復(fù)定位［5］.

1.6 攝像模塊

探險(xiǎn)車可實(shí)時(shí)觀測周圍環(huán)境，向監(jiān)控終端回傳圖像信息.因此，采用市面所售的無線迷你型攝像機(jī)，體積小，安裝簡單，通過手機(jī)可實(shí)時(shí)觀察未知的環(huán)境進(jìn)行安全探測.同時(shí)，不需要網(wǎng)絡(luò)也可實(shí)時(shí)拍攝，解決了戶外探險(xiǎn)無網(wǎng)絡(luò)的難題.其帶有夜視功能，當(dāng)探險(xiǎn)車進(jìn)入未知洞穴也能夠清晰觀測內(nèi)部環(huán)境.將攝像頭安裝在自由度為2 的舵機(jī)臂上，彌補(bǔ)了攝像頭只能180°攝像的不足，通過遙控進(jìn)行舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)360°無死角觀察.

1.7 顯示模塊

顯示模塊采用IIC通訊OLED液晶屏模塊，功能強(qiáng)大，能夠顯示探險(xiǎn)車的行車信息，引腳少，便于布線.

1.8 機(jī)械裝置

現(xiàn)有的一些智能車作業(yè)工作范圍有限，往往只能在一些坡度較小、地勢平緩的地帶進(jìn)行作業(yè)，遇到山高坡陡、險(xiǎn)峻的地勢就只能由人來完成.為了能更好地適應(yīng)多種地形，在車身上安裝了機(jī)械裝置，能夠翻越陡坡，越過窄溝，彌補(bǔ)以往智能小車只能在比較平坦地勢作業(yè)的不足.機(jī)械裝置由機(jī)械臂構(gòu)成，能夠模擬人手臂攀爬的動(dòng)作在一些復(fù)雜地形上進(jìn)行工作［6］.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序模塊

本系統(tǒng)通過撥碼開關(guān)來選擇運(yùn)行程序.當(dāng)撥到開關(guān)1運(yùn)行GPS自主導(dǎo)航行駛功能，按照規(guī)劃好的路線行駛，在地圖中放置坐標(biāo)點(diǎn)建立小車行駛路徑，小車啟動(dòng)GPS 智能導(dǎo)航后，根據(jù)地圖中建立的行駛路線自動(dòng)導(dǎo)航行駛，若沿途遇到障礙物，小車會(huì)自動(dòng)規(guī)避障礙物，然后繼續(xù)按建立的路徑行駛.當(dāng)撥到開關(guān)2可手動(dòng)遙控行駛［7］.系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示.

圖2 主程序流程圖

2.2 避障程序模塊

US-100 超聲波測距模塊價(jià)格低廉，并且能夠較準(zhǔn)確測量與障礙物之間的距離，避障程序模塊采用的US-100超聲波測距模塊，可根據(jù)聲波測距原理來實(shí)現(xiàn)避障，其工作流程圖如圖3所示.

圖3 超聲波避障子程序流程圖

3 制作安裝與調(diào)試

基于STM32設(shè)計(jì)的智能探險(xiǎn)車采用了多種模塊，在制作智能探險(xiǎn)車初期是對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試.只有在確保每個(gè)模塊都能正常工作并完成指定任務(wù)的前提下，才能進(jìn)行總體設(shè)計(jì)與聯(lián)調(diào).每個(gè)模塊都需要軟件和硬件的互連，以確保模塊的正常運(yùn)行并執(zhí)行分配給它的功能.主要包括硬件部分調(diào)試、軟件部分調(diào)試和整機(jī)調(diào)試等幾個(gè)方面［8］.

3.1 硬件部分調(diào)試

3.1.1 硬件焊接

單片機(jī)的硬件焊接相對(duì)來說比較簡單，但在焊接過程中的一點(diǎn)小失誤就可能造成系統(tǒng)無法正常工作，給后面的調(diào)試檢測環(huán)節(jié)帶來不便，而且還要注意焊點(diǎn)之間不能相連，否則可能導(dǎo)致硬件被燒壞.

3.1.2 硬件調(diào)試

首先實(shí)現(xiàn)的是要讓小車能夠正常行駛，然后逐個(gè)調(diào)試其他器件，確保功能都可以實(shí)現(xiàn).讓探險(xiǎn)車通過GPS 自動(dòng)導(dǎo)航規(guī)劃路線是一個(gè)難點(diǎn)，往往不能按照指定的路線行駛，坐標(biāo)易偏移，可以通過數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換，更換精度更高的GPS模塊來解決問題.

3.2 軟件部分調(diào)試

軟件部分調(diào)試主要完成了對(duì)超聲波模塊輸入/輸出信號(hào)的處理計(jì)算進(jìn)行避障，對(duì)小車進(jìn)行調(diào)速，GPS的路徑規(guī)劃，經(jīng)過不斷的程序測試達(dá)到良好的調(diào)試效果.

3.3 整機(jī)調(diào)試

智能探險(xiǎn)車聯(lián)調(diào)是一個(gè)繁雜的過程，為更接近于室外探險(xiǎn)環(huán)境，需要在室內(nèi)鋪設(shè)復(fù)雜地形.由于地面環(huán)境復(fù)雜，探險(xiǎn)車在行駛過程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)上不去陡坡、GPS信號(hào)丟失等問題.因此，需要不斷進(jìn)行程序優(yōu)化，不斷改變相應(yīng)的硬件及軟件，使硬件和軟件可以很好地配合，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試才使得探險(xiǎn)車在場地內(nèi)正常行駛，最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能.設(shè)計(jì)并組裝完成后的智能探險(xiǎn)車實(shí)物如圖4所示.

圖4 智能探險(xiǎn)車實(shí)物圖

4 結(jié)語

經(jīng)過設(shè)計(jì)與調(diào)試，本智能探險(xiǎn)車最終實(shí)現(xiàn)四個(gè)功能：（1）可以遙控探險(xiǎn)車行駛，人為遙控想要到達(dá)的指定地點(diǎn)進(jìn)行工作；（2）當(dāng)探險(xiǎn)車遇到障礙物后可以自動(dòng)轉(zhuǎn)向，然后按照規(guī)劃好的路徑行駛；（3）探險(xiǎn)車遇到陡坡時(shí)可通過機(jī)械臂越過；（4）通過GPS導(dǎo)航，可以實(shí)現(xiàn)在地圖中放置坐標(biāo)點(diǎn)建立小車行駛路徑，小車啟動(dòng)GPS智能導(dǎo)航后，根據(jù)地圖中建立的行駛路線自動(dòng)導(dǎo)航行駛.

智能探險(xiǎn)車采用光、電、無線通信等技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，采用多種類型的傳感器，通過STM32 單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了智能探險(xiǎn)功能.智能探險(xiǎn)車工作效率高、安全性能好，能夠應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，可以完成掃雷、探測和偵察等一系列危險(xiǎn)的工作任務(wù).