【正文】 基于安卓手機的遙控超聲波避障智能車設計方案引言本設計主要體現(xiàn)多功能小車的智能避障模式，設計中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點等可以為自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自動機器人的設計與普及有一定的參考意義。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進行一定的彌補，實現(xiàn)經(jīng)濟收益，形成商業(yè)價值。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實現(xiàn)方便，計算簡單，易于做到實時控制，測量精度也能達到實用的要求，在未來汽車智能化進程中必將得到廣泛應用。我國作為一個世界大國，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，未來汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應用具有深遠意義，這將對我國未來智能汽車的研究在世界高科技領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。本智能小車系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來的智能汽車上了，當駕駛員因疏忽或打瞌睡時這樣的智能汽車的設計就能體現(xiàn)出它的作用。如果汽車偏離車道或距障礙物小于安全距離時，汽車就會發(fā)出警報，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒有及時作出反應，汽車就會自動減速或?？坑诼愤?。隨著計算機、微電子、信總處理及智能控制的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也在逐步深入和細化。隨著機器人性能不斷地完善，移動機器人的應用范圍大為擴展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務等行業(yè)中得到廣泛的應用，而且在城市安全、國防和空間探測領(lǐng)域等有害與危險場合得到很好的應用。因此，移動機器人技術(shù)已經(jīng)得到世界各國的普遍關(guān)注。 移動機器人的研究不僅可以推動科學技術(shù)的向前發(fā)展，同時其應用必將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。54基于安卓手機的遙控超聲波避障智能小車1. 緒論 智能小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 課題背景智能移動機器人，是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多學科的研究成果，代表機電一體化的最高成就，是目前科學技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動和交互能力的機器人，自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等多個領(lǐng)域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式，隨著它在人類生活領(lǐng)域中的應用不斷擴大，將會給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。在國外機器人的發(fā)展有如下趨勢。一方面機器人在制造業(yè)應用的范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)絡化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強，并向著技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機器人向著非制造業(yè)應用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機器人，服務機型器人，機器人玩具等。國外研究機構(gòu)正試圖將機器人應用于人類活動的各個領(lǐng)域。在我國機器人主要應用于工業(yè)制造領(lǐng)域，我國工業(yè)機器人現(xiàn)在的總裝機量約為120000臺，其中國產(chǎn)機器人占有量約為 1/3，即40000多臺。與世界機器人總裝機臺數(shù)7500萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。對中國這樣一個擁有13億人口的大國來說，僅在機器人數(shù)量上就和發(fā)達國家有著很明顯的差距。因此大力發(fā)展我國的機器人事業(yè)刻不容緩。智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便，具有很強的趣味性，為此其深受廣大機器人愛好者以及高校學生的喜愛。全國大學生電子設計競賽每年都設有智能小車類的題目，由此可見國家對高校機器人研究工作的重視程度。本題目設計的是具有自動避障功能的智能小車，其設計思想與一些日常生活迫切需要的機器人（如測距機器人，搜索機器人，管道探傷機器人）類似。由于采用了超聲波傳感器，它不受光照強弱和能見度的影響，能耗低，靈敏度高，即使在較復雜的環(huán)境內(nèi)也可以工作。智能小車系統(tǒng)的設計采用了模塊化的設計方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，有很大的擴展空間，稍加改動便可應用于實際生產(chǎn)生活中，也可作為高校學生以及廣大機器人愛好者學習研究使用。 該課題當前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀機器人技術(shù)是一個國家高技術(shù)實力的一個重要標準，它涉及到多個學科，機械、電工、自動控制、計算機測量、人工智能、傳感技術(shù)等等，是眾多領(lǐng)域的高科技。而移動機器人比賽就是機器人技術(shù)的一個重要研究方向，目前許多國家己經(jīng)把移動機器人比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。移動機器人比賽是一種高科技對抗活動，各國專家學者通過移動機器人競賽，不斷推進了在競賽型移動機器人方面的研究，不斷改進機器人尋址速度和算法研究，試圖讓機器人更接近智能化，它集高科技、娛樂和比賽于一體，引起了各國的廣泛關(guān)注和極大興趣，從而推動了移動機器人研究的熱潮。 課題的任務及意義本作品主要能實現(xiàn)兩個主要功能，一個是能實現(xiàn)android手機移動終端來遙控智能車。通過安卓客戶端可以對小車進行前后左右遙控以及對手動自動模式切換，還可以切換小車速度。另一個是利用超聲波技術(shù)實現(xiàn)自動壁障功能和智能實時測距。障礙物檢測是智能機器人、智能車輛對周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要組成部分，以單片機為核心的結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、測距較長、可靠性較高的障礙物檢測報警系統(tǒng)對智能移動機器人的研究有很重要的社會意義。2. 系統(tǒng)設計方案 系統(tǒng)功能本作品主要能實現(xiàn)兩個主要功能，一個是能實現(xiàn)android手機移動終端來遙控智能車。通過安卓客戶端可以對小車進行前后左右遙控以及對手動自動模式切換，還可以切換小車速度。另一個是利用超聲波技術(shù)實現(xiàn)自動壁障功能和智能實時測距。以下是基本功能：1. 小車整體基于智能手機無線控制，實現(xiàn)自動運行，手動運行，切換速度模式；2. 自動模式和手動模式，小車可以左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，前進倒退，避障，車速可時時變化；3. 切換速度模式，小車可實現(xiàn)變速；4. 步進電機控制US100超聲波左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)90度，以避障；5. 小車上有顯示功能，顯示小車的控制狀態(tài)以及與障礙物間的距離；以下是小車整體功能圖，如圖211所示：圖211 小車整體功能圖 硬件系統(tǒng)功能設計及工作流程 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2111所示：圖2111 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖智能小車整體利用藍牙耳機接收智能手機控制信號，該控制信號經(jīng)過LM324信號放大器放大后，交由51控制器處理。實現(xiàn)小車遠程無線遙控功能，可以遠程無線對小車左右轉(zhuǎn)彎，以及前進后退，并利用超聲波傳感器進行避障，利用1602液晶顯示小車行駛狀態(tài)。 電源供電結(jié)構(gòu)電源供電結(jié)構(gòu)如圖2112所示：圖2112 電源供電結(jié)構(gòu)圖電源供電模塊采用2節(jié)18620電池供電，一方面對其降壓到5v，供單片機，步進電機，超聲波模塊，1602液晶，直流電機用電，另一方面將5v電壓生壓至7v，利用電磁繼電器，實現(xiàn)電機變速功能。 智能小車控制程序設計及工作流程 主程序流程圖主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化之后，控制器每間隔10ms利用T1進行脈沖計數(shù)，在10ms內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，以脈沖個數(shù)來判定進行相關(guān)的工作模式，脈沖個數(shù)的不同則會進入相關(guān)的工作模式。如圖2121所示：圖2121 主程序流程圖當freqSign為1，則小車進入自動模式，實現(xiàn)自動模式功能；當freqSig為2，則小車倒退；當freqSig為3，則小車左轉(zhuǎn)；當freqSig為4，則小車右轉(zhuǎn)；當freqSig為5，則小車進入切換速度模式，實現(xiàn)切換速度模式功能；當freqSig為6，則小車前行； 超聲波模式框圖超聲波自動壁障模塊我們選用市場上現(xiàn)有的超聲波測距模塊檢測小車與障礙物的距離。然后用步進電機轉(zhuǎn)動載動超聲波，檢測左右方向的距離，再通過比較左右距離智能選擇轉(zhuǎn)彎方向。同時，超聲波模塊所測距離還可以用于自動模式下實現(xiàn)自動變速。如圖2122所示：圖2122 超聲波模式框圖在自動模式，小車默認前行，此時小車遇到障礙物，控制器將驅(qū)動步進電機控制超聲波傳感器，得到小車距離障礙物的距離，當距離大于20cm，小車前行，反之小車停止，然后得到小車左方距離L與右方距離R，如果L大于R，則小車左轉(zhuǎn)90度前行，反之右轉(zhuǎn)90度前行，如果L與R均小于20，則小車旋轉(zhuǎn)180度，離開障礙區(qū)，從而完成避障。當小車距離障礙物的距離大于40cm，那么小車進入高速前進模式，反之進入低速前進模式，直至選擇其他模式功能，小車狀態(tài)才會從自動模式切換。 安卓軟件功能設計及工作流程主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化之后，智能手機通過操控界面，發(fā)送給控制器相應的手動，變速，自動模式信號，該信號通過位于小車上的藍牙耳機端接收，通過LM324放大器將信號放大至51控制器可以處理的范圍?？刂平缑嬖O計如圖2122所示。圖2122 控制界面設計圖選擇手動控制模式，則小車狀態(tài)進入手動切換模式，可以實現(xiàn)前行，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)功能，以驅(qū)動直流電機實現(xiàn)。選擇自動模式功能，則小車狀態(tài)進入自動切換模式，小車默認前行，如果遇到障礙物，控制器將驅(qū)動步進電機控制超聲波傳感器，得到小車距離障礙物的距離，從而避障，如果小車距離障礙物的距離大于40cm。那么小車進入高速前進模式。選擇變速功能，則小車進入變速模式，小車的速度實現(xiàn)高速到低速或者低速到高速功能。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及資源分配 處理器本設計使用了STR89c52rc單片機作為處理器，之所以選用該處理器，是因為其擁有很高的性價比，高可靠，而且擁有很小的體積，使得設計工作便于開展。STR89C52RC內(nèi)部資源：最高時鐘頻率：0Mhz 80MHzFlash程序存儲器：8KB定時器：3個中斷源：4個 直流調(diào)速設計L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片，采用了15腳封裝。該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。L298N主要參數(shù)：尺寸：65mm X 41mm X 28mm主要芯片：L298N、光電耦合器控制信號電壓： 驅(qū)動電機電壓：5V 30V最大輸出電流：2A瞬間峰值電流：3A最大輸出功率：25W圖222 L298N內(nèi)部原理圖 步進電機驅(qū)動設計步進電機能夠?qū)㈦娒}沖轉(zhuǎn)化為角位移的部件。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。因此使得用戶可以控制脈沖個數(shù)來控制轉(zhuǎn)動的角度，控制脈沖頻率來控制速度或加速度。本設計使用BYJ系列永遠磁減速28BYJ48型步進電機。28BYJ48主要參數(shù)：驅(qū)動電壓：5V 12V驅(qū)動方式：四相八拍減速比：1/64步距角：176。/64直流電阻：200Ω177。7%（25℃）圖223 28BYJ48步進電機圖 超聲波避障設計超聲波測距模塊使用US100，US100測度距離精確，擁有超近盲區(qū)，能和國外的SRF05，SRF02等超聲波測距模塊相媲美。US100主要參數(shù)：工作電壓：DC 感應角度：15度探測距離：2cm 450cmUART模式下串口配置：波特率9600，起始位1位，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗，無流控制。圖224 US100超聲波測距模塊圖 1602液晶顯示設計考慮到實際要求，設計最多需要顯示32左右個字符，因此選用能夠顯示16列2行的字符型液晶1602，此外1