基于安卓手机的遥控超声波避障智能车设计方案

I 基于安卓手机的遥控超声波避障智能车设计方案 引言 本设计主要体现多功能小车的智能避障模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。 超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国 ，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。 本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。 随着计算机、微电子、信总处理及智能控制的快速发展，机器人 技术也在逐步深入和细化。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。 移动机器人的研究不仅可以推动科学技术的向前发展，同时其应用必将带来巨大的经济效益和社会效益。 1. 绪论 智能小车发展现状与趋势 课题背景 智能移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了 传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。 随着电子技术的不断发展人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人，自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等多个领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式，随着它在人类生活领域中的应用不断扩大，将会给人们的生产生活带来了巨大的影响。 在国外机器人的发展有如下趋势。一方面机器人 在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，并向着技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展，如表演型机器人，服务机型器人，机器人玩具等。国外研究机构正试图将机器人应用于人类活动的各个领域。 在我国机器人主要应用于工业制造领域，我国工业机器人现在的总装机量约为 120000 台，其中国产机器人占有量约为 1/3，即 40000 多台。与世界机器人总装机台数 7500 万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。对中国这样一个拥有 13 亿人口的 大国来说，仅在机器人数量上就和发达国家有着很明显的差距。因此大力发展我国的机器人事业刻不容缓。 智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。与普遍意义上的机器人相比智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。 本题目设计的是具有自动避障功能的智能小车，其设计思想与一些日常生活迫切需要的机器人（如测距机器 人，搜索机器人，管道探伤机器人）类似。由于采用了超声波传感器，它不受光照强弱和能见度的影响，能耗低，灵敏度高，即使在较复杂的环境内也可以工作。 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 2 智能小车系统的设计采用了模块化的设计方法，电路结构简单，调试方便，有很大的扩展空间，稍加改动便可应用于实际生产生活中，也可作为高校学生以及广大机器人爱好者学习研究使用。 该课题当前国内外的研究现状 机器人技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。而移动机器人 比赛就是机器人技术的一个重要研究方向，目前许多国家己经把移动机器人比赛作为创新教育的战略性手段。 移动机器人比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过移动机器人竞赛，不断推进了在竞赛型移动机器人方面的研究，不断改进机器人寻址速度和算法研究，试图让机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和比赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了移动机器人研究的热潮。 课题的任务及意义 本作品主要能实现两个主要功能，一个是能实现 机移动终端来遥控智能车。通过安卓客户端可以对小车进行前后左右遥 控以及对手动自动模式切换，还可以切换小车速度。另一个是利用超声波技术实现自动壁障功能和智能实时测距。 障碍物检测是智能机器人、智能车辆对周边环境感知技术研究领域中的重要组成部分，以单片机为核心的结构简单、精度较高、测距较长、可靠性较高的障碍物检测报警系统对智能移动机器人的研究有很重要的社会意义。 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 3 2. 系统设计方案 系统功能 本作品主要能实现两个主要功能，一个是能实现 过安卓客户端可以对小车进行前后左右遥控以及对手动自动模式切换，还可以切换小车速度。另 一个是利用超声波技术实现自动壁障功能和智能实时测距。以下是基本功能： 1. 小车整体基于智能手机无线控制，实现自动运行，手动运行，切换速度模式； 2. 自动模式和手动模式，小车可以左转右转，前进倒退，避障，车速可时时变化； 3. 切换速度模式，小车可实现变速； 4. 步进电机控制 0度，以避障； 5. 小车上有显示功能，显示小车的控制状态以及与障碍物间的距离； 以下是小车整体功能图，如图 2 蓝 牙 耳 机 接 收L M 3 2 4 放 大 信 号5 1 控 制 器电 机 驱 动 模 块超 声 波 测 距 模 块继 电 器 切 换 速 度液 晶 显 示步 进 电 机反 馈图 2车整体功能图 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 4 硬件系统功能设计及工作流程 统结构 系统结构框图如图 2 图 2系统结构图 智能小车整体利用蓝牙耳机接收智能手机控制信号，该控制信号经过 由 51控制器处理。 实现小车远程无线遥控功能，可以远程无线对小车左右转弯，以及前进后退，并利用超声波传感器进行避障，利用1602液晶 显示小车行驶状态。 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 5 源供电结构 电源供电结构如图 2 降 压 模 块 稳压 5 4 v 电 源升 压 模 块 稳压 7 3 2 4 放 大 电路单 片 机步 进 电 机超 声 波 模 块1 6 0 2 液 晶L 2 9 8 N 电 机 驱动图 2电源供电结构图 电源供电模块采用 2节 18620电池供电，正常情况下输出 方面对其降 压到 5v，供单片机，步进电机，超声波模块， 1602液晶，直流电机用电，另一方面将 5v，利用电磁继电器，实现电机变速功能。 智能小车控制程序设计及工作流程 程序流程图 主程序对系统进行初始化之后 ，控制器每间隔 101进行脉冲计数，在 10脉冲个数来判定进行相关的工作模式，脉冲个数的不同则会进入相关的工作模式。如图 2 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 6 开 始定 义 变 量初 始 变 量定 时 器 ， 1 6 0 2液 晶 ， 电 机 初始 化t = 1 ?否t = 0 ， f r e q S i g n + +f r e q S i g n % 2 = 0f r e q S i g n 2= T L 1f r e q S i g n 1= T L 1是否f r e q S i g n 1 = = f r e qS i g n 2否c a r G o c a r B a c kt u r n R i g h tt u r n L e f tc h a n g e - v s u p e r W a v 程序流程图 当 ，则小车进入自动模式，实现自动模式功能； 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 7 当 ，则小车倒退； 当 ，则小车左转； 当 ，则小车右转； 当 ，则小车进入切换速度模式，实现切换速度模式功能； 当 ，则小车前行； 超声波模式框图 超声波自动壁障模块我们选用市场上现有的超声波测距模块检测小车与障碍物的距离。然后用步进电机转动载动超声波，检测左右方向的距离，再通过比较左右距离智能选择转弯方向。同时，超声波模块所测距离还可以用于自动模式下实现自动变速。如图 2 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 8 开 始T H 0 = 0 , T L 0 = 0T H 1 = 0d i s t a n 2 0 ?否步 进 电 机 左右 转L R ?小 车 右 转小 车 左 转否是T H 1 4 0 ?进 入 高 速模 式进 入 低 速模 式是否超 声 波 初 始化是结 束否图 2超声波模式框图 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 9 在自动模式，小车默认前行，此时小车遇到障碍物，控制器将驱动步进电机控制超声波传感器，得到小车距离障碍物的距离，当距离大于 20车前行，反之小车停止，然后得到小车左方距离 L 与右方距离 R，如果 L 大于 R，则小车左转 90 度前行，反之右转 90 度前行，如果 L 与 R 均小于 20，则小车旋转 180度，离开障碍区，从而完成避障。当小车距离障碍物的距离大于 40么小车进入高速前进模式，反之进入低速前进模式，直至选择其他模式功能，小车状态才会从自动模式切换。 安卓软件功能设计及 工作流程 主程序对系统进行初始化之后， 智能手机通过操控界面，发送给控制器相应的手动，变速，自动模式信号，该信号通过位于小车上的蓝牙耳机端接收，通过大器将信号放大至 51 控制器可以处理的范围。控制界面设计如图2 图 2控制界面设计图 选择手动控制模式，则小车状态进入手动切换模式，可以实现前行，后退，左转，右转功能，以驱动直流电机实现。 选择自动模式功能，则小车状态进入自动切换模式，小车默认前行，如果遇到障碍物，控制器将驱动步进电机控制超声波传感器，得到小车距离障碍 物的距离，从而避障，如果小车距离障碍物的距离大于 40么小车进入高速前进模式。 选择变速功能，则小车进入变速模式，小车的速度实现高速到低速或者低速到高速功能。 统结构及资源分配 处理器 本设计使用了 片机作为处理器，之所以选用该处理器，是因基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 10 为其拥有很高的性价比，高可靠，而且拥有很小的体积，使得设计工作便于开展。 最高时钟频率： 0 808时器： 3个 中断源： 4个 直流调速设计 电流电机驱动芯片，采用了 15脚封装。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。 尺寸： 65 41 28要芯片： 电耦合器 控制信号电压： 动电机电压： 5V - 30V 最大输出电流： 2A 瞬间峰值电流： 3A 最大输出功率： 25W 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 11 图 2298步进电机驱动设计 步进电机能够将电脉冲转化为角位移的部件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。因此使得用户可以控制脉冲个数来控制转动的角度，控制脉冲频率来控制速度或加速度。 本设计使用 列永远磁减速 28 步进电机 。 28 驱动电压： 5V - 12V 驱动方式：四相八拍 减速比： 1/64 步距角： 64 直流电阻： 2007% （ 25 ） 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 12 图 28超声波避障设计 超声波测距模块使用 有超近盲区，能和国外的 超 声波测距模块相媲美。 工作电压： 应角度： # /定时器中断标志 /为了是更精确的读取信号，读取两个 10的高电平个数进行比较，相同则执行不同则继续采集信息 ; /记录超声波测量的左右距离，以便进行比较 ; ; /决定步进电机转动速度 ; ; /超声波模块接口 ; 20; /令接口 21; #0 34; /继电器接口，即变速 22; /*电机接口 */ 23; 24; 25; 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 32 26; /*能端 */ 27; /*示接口 */ 16=， ; =0123456789; =0000 /*左转表 */ =0000 /*右转表 */ /记录两次采集声音信号的参数 *功能延时 1*/ i， j; 10; i=i0;j=112;j0; ; 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 33 /*功能延时 1*/ i， j; i=i0;j=112;j0; ; /*电机驱动模块 */ /* 避障小车初始化，默认前行 */ ; ; ; ; ; ; 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 34 /* 避障小车前进 */ ; ; ; ; /*避障小车停 */ ; ; ; ; /* 避障小车左转 */ ; ; ; ; 0); /; 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 35 /*避障小车右转 */ ; ; ; ; 0); /; ; /* 避障小车后退 */ ; ; ; ; /*定时器模块 */ /*定时器初始化程序 */ ; ; /时 数 65536256; /时 1065536256; 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 36 ; ; ; ; /*定时器中断 */ 65536256; /定时器重新赋值 65536256; ; /中断标 志 /*液晶显示模块 */ /*指令 */ ; ); ; ); ; /*数据 */ 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 37 ; ); ; ); ; /*示 */ k; /第一行显示 k=0;k=4) j=0; /步进电机右转 i， j; j=0; i=0;i=4) j=0; 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 40 /*启动模块 */ /启动模块 i; ; i=0; /当前方距离大于 40继电器闭合，小车高速模式 ; ; /小于 40速模式 0) /距离大于 20续前行 ; /小车在距离障碍物小于 20 ; ; /步进电机左转 90 度 ; ; ; /右转 90 ; 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 42 ; /回到原位置 if( ; ; ; ; / /实时显示前方障碍 物的距离 ); /当外部输入大于 7k 频率信号跳出循环，进入遥控模式 基于安卓手机的遥控超声波避障智能小车 43 /*主程序