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复杂路况下智能小车的设计

作者:傅海军 段少飞 李炫君 时间:2018-09-27来源:电子产品世界收藏
编者按:本文研究复杂路况下多功能智能小车的设计,硬件设计以STC 89C52RC为核心,通过HC-06蓝牙模块实现与Android手机通讯并实现远程操控,并利用1602液晶显示模块来实现交互。小车驱动方面采用了L298N为驱动模块,另采用ST188红外光电传感器以实现小车自动寻路功能。本项目使用的控制软件是通过MIT APP Inventor平台设计的。

作者 / 傅海军 段少飞 李炫君 江苏大学电气信息工程学院(江苏 镇江)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/392389.htm

江苏大学高等教育教改研究立项课题 (2017JGYB045) ;江苏大学大学生科研立项资助项目(15B114)

摘要:本文研究复杂路况下多功能的设计,硬件设计以STC 89C52RC为核心,通过HC-06蓝牙模块实现与Android手机通讯并实现远程操控,并利用1602液晶显示模块来实现交互。小车驱动方面采用了L298N为驱动模块,另采用ST188红外光电传感器以实现小车自动寻路功能。本项目使用的控制软件是通过MIT APP Inventor平台设计的。

1 引言

  作为智能机器人的雏形,它通过内外传感器感知外部环境信息和自身状态,完成相应动作。是一个在复杂环境中实现自主作业的自动控制系统,属于陆地自主行驶车辆的一种。它涉及到单片机、传感器、信息融合、通信接口、导航控制、人工智能以及自动控制等一系列高新技术。研究适应复杂环境的智能车对我国科技的发展具有重要意义,机器对环境的耐受能力是高于人类的,在诸如火灾、地震等灾害后的现场搜救中,这类机器能发挥出很大作用。目前国内外都有类似功能的机器人,但功能还不够完善且由于行走系统不完善,不能适应复杂环境。还有未知地区的探索,如矿洞、极地等,甚至外星探索用的考察车也属于的研究范围。本设计以51单片机为核心,可以实现自动避障、远程蓝牙操控等功能,以应对可能出现的复杂环境。另外本设计在开发时就预留了其他功能接口,可以方便的实现改装升级,例如加入视频监控模块、寻迹模块等,都很方便。

2 系统总体设计

  系统的功能主要依靠四个模块来完成,分别为蓝牙通讯模块,1602液晶显示模块,直流减速电机驱动模块,自动避障模块。设计以Android手机为控制平台,通过HC-06蓝牙接收模块与手机端蓝牙连接配对,实现手机与51单片机的通讯并通过命令来控制小车行动。一般情况下小车能够自动探索。L298N电机驱动模块同时驱动两个电机,通过单片机控制两个电机分别正、反转来实现智能小车前进、后退、左右转向及掉头,每一步命令开始或动作结束,都会在1602液晶显示模块和手机端显示出来,易于控制。系统采用7.2 V电池供电,此电源可直接给L298N供电,51单片机的供电电源采用L298电机驱动模块上自带的5 V电源输出,这二者正常工作需要共地。系统总框图如图1所示。

3 系统硬件

  系统主要硬件包括:STC89C52最小系统、HC-06蓝牙模块、LCD1602液晶显示模块、 电机驱动模块等,另外本设计采用手机来实现远程控制。硬件原理图如图2所示。

  3.1 主控系统选择

  本系统采用STC89C52RC作为核心,这是STC公司生产的一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash存储器,512字节RAM,是一款十分经典的单片机,本设计采用这款单片机的原因是其性能足够支持智能小车完成各种复杂动作,且相关资料十分丰富,结构简单,适合研究设计。

  3.2 HC-06蓝牙模块

  本设计采用HC-06蓝牙模块作为智能小车与手机端通信的桥梁,选中原因是其应用广泛且价格低廉,在淘宝上就能购买,方便控制成本。为了实现HC-06模块与手机的正常连接,设计中使用了MIT APP Inventor平台编写了手机端软件,实际效果与“聊天”类似。使用过程中,手机作为客户端,HC-06蓝牙模块作为服务器,实现手机操控单片机的效果。控制软件界面如图3所示。

  3.3 L298N电机驱动模块

  本设计选用L298N作为电机驱动模块,其特点是工作稳定,可实现电机正反转及调速,启动性能好,启动转矩大。其工作电压可达到36 V,4 A电流,可同时驱动两台直流电机,很适合用于机器人及智能小车的设计。

  智能小车的电机使用直流减速电机,这是设计智能小车最常用的电机。这种电机是在普通电机的基础上加上减速齿轮组,降低电机转速的同时提升扭力,使其可以带动大质量物体运动,舍弃部分速度换取良好的克服复杂地形的能力。

  3.4 LCD1602液晶显示模块

  本设计采用1602液晶显示模块来显示操作参数,方便用户的人机交互。1602液晶显示模块每一屏可以显示两路16位字符,不能显示中文,可以作为简单观测窗口观测小车状态。本次采用十六脚的LCD1602,其数据\命令接口连接单片机P0口,V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,15脚背光正极,16脚背光负极,使用中可以根据实际效果调整。

  3.5 自动避障模块

  设计自动避障模块采用了ST188红外光电传感器,其一般电路如图4,本设计中R1=510 Ω,R2=20kΩ,E为输出端。

  为方便控制小车,设计中使用了4组ST188光电传感器l1、l2、r1、r2,其输出端分别对应单片机P3^2、P3^3、P3^6、P3^7口,共有16种不同的状态,可以划分为前行(0000)、左转90°(0010、0011)、右转90°(0100、1100)、左转45°(0001、1001)、右转45°(1000)、掉头(1011、1101、1111)、后退左转90°(0101、0110、0111)、后退右转90°(1010、1110)共8种转向方案,更贴近实际情况。

4 软件设计

  软件系统流程图如图5所示。接上电源后, 程序开始初始化设置, 蓝牙一直在检测是否收到指令, 如果接收到了指令,则会根据接收的指令执行,否则会一直在循环检测。当进入了自动探索模式后, 蓝牙模块停止工作,小车根据红外传感器的返回数据行动。

5 实验成果分析

  小车在实际检测过程中基本实现了设计功能,在自动避障模式下,智能小车能灵活地实现避障效果。在蓝牙模式下,小车也能正常的按照指令前进、后退和转向,基本实现了预期功能,小车实物图如图6。在系统运行过程中,由于L298N同时控制两个存在一定差异的电机,造成小车连续直行时会有微小的偏角,加装光电测速器可以解决此问题,但由于小车本身行进速度不快,对于前进方向的要求也并不高,所以并不影响小车性能。另外由于电路设计存在缺陷,在蓝牙模块工作时,1602液晶显示模块会出现轻微的闪屏现象,这是由于电压不稳定引起的。

6 总结

  本文介绍了一种利用移动端直接控制智能小车的思路。本项目是中国各种电子竞赛的热门项目,网络上有很多资料,我们选题时就考虑过这个问题。本项目属于那种研究的人很多,但怎么研究都不会过时的项目,同时,由于有较多的网上资料及学院研究相关项目的人的帮助,智能小车项目也不至于难到我们无处下手的地步,这是一个很适合我们的项目。在这次的项目实战中,涉及到很多平时为人们忽视的东西,例如将自动避障的红外探头朝向地面,再修改部分程序,就能实现寻迹功能,很多东西都是互通的。此次设计中,单片机的P3口并没有被充分利用,这说明本设计的小车仍具有较大的改进空间。另外小车原本的设计是有视频录像模块的,但考虑到成本及电路优化的问题,并没有将其加入最终成品中,但这也是一个不错的设计思路,希望未来有更好的设计思路和方案。

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  本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第36页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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