盧雪紅，邵亞軍

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，多學(xué)科融合已成為未來(lái)各學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能機(jī)器人在人類的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事戰(zhàn)爭(zhēng)等領(lǐng)域內(nèi)起著非常重要的作用，諸如采摘機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人、高空無(wú)人偵查機(jī)、智能輪椅、護(hù)理康復(fù)機(jī)器人、噴漆機(jī)器人等的出現(xiàn)，給人類的生活方式產(chǎn)生了重大影響。智能小車（又稱自主移動(dòng)機(jī)器人）是一個(gè)集中運(yùn)用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息融合、圖像處理、視覺(jué)導(dǎo)航、機(jī)械控制、自動(dòng)控制以及AI技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，也是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的智能化機(jī)械設(shè)備，其實(shí)質(zhì)是集各類傳感器、控制器于一體，各類傳感器包括紅外避障傳感器、超聲波檢測(cè)傳感器和圖像傳感器（CCD）[1]。自主移動(dòng)機(jī)器人在感知-思維-效應(yīng)方面能夠全面模擬人的機(jī)器系統(tǒng)，即通過(guò)感知周圍的復(fù)雜環(huán)境能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位和自主運(yùn)動(dòng)，此功能正是無(wú)人駕駛汽車的重點(diǎn)研究方向之一。

STM32系列微控制器是意法半導(dǎo)體ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器，其主頻工作在72MHz，具有高速的運(yùn)算能力、先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、豐富的函數(shù)庫(kù)、低功耗控制等優(yōu)點(diǎn)。因此，智能小車的開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇由德國(guó)Keil公司開(kāi)發(fā)的Keil軟件平臺(tái)上進(jìn)行。

1 智能小車的研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件、AI、機(jī)器視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)人駕駛技術(shù)日趨成熟，無(wú)人駕駛汽車已經(jīng)嶄露在大眾的視野中，智能化將成為未來(lái)汽車駕駛技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)20年代中期，全球首個(gè)自動(dòng)導(dǎo)車系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS）由美國(guó)的巴雷特電子公司研制成功[2]。20世紀(jì)50年代初，國(guó)外已經(jīng)展開(kāi)了對(duì)AI技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)、自動(dòng)導(dǎo)航等移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究。1966年～1972年期間，美國(guó)斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen和Charles Rosen等人研制出了一款名為Shakey的自主移動(dòng)式機(jī)器人，其研究的目標(biāo)是把AI技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際的場(chǎng)景中，并能自主地完成感知、控制、決策等復(fù)雜任務(wù)[3]。

2004年1月，美國(guó)宇航局研發(fā)的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)火星探測(cè)車成功登陸火星，依靠太陽(yáng)能電池板獲取能量。兩輛探測(cè)車均為六輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，搭載了全景相機(jī)、阿爾法粒子探測(cè)器、X射線光譜儀等，拍攝下了火星表面的立體和彩色全景照片，并分析了火星上的土壤及巖石成分。截至2017年1月25日，“機(jī)遇”號(hào)火星探測(cè)車行駛總里程數(shù)達(dá)到43.87公里，打破了NASA在地球外的無(wú)人探測(cè)車移動(dòng)的記錄，整個(gè)探測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了隕石、防熱護(hù)盾巖、地下水層等重大成果[4]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

與國(guó)外相比較，國(guó)內(nèi)研究移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)起步較晚。2013年，我國(guó)自主研制的“中華牌”月球車搭載嫦娥三號(hào)火箭成功登上月球，完成了自主導(dǎo)航、自主爬坡、自主選擇路線、探測(cè)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的任務(wù)，并將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到了地球。

近幾年，諸如阿里的倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人“曹操”，在接收到訂單信息后，可以快速找到倉(cāng)庫(kù)中的貨物，優(yōu)化最佳的提貨路線，將貨物或包裹自動(dòng)運(yùn)送到指定的位置[5]。因此，大幅度地提高了分揀和包裝的效率。此外，魯能公司開(kāi)發(fā)了一款裝有圖像和紅外測(cè)溫傳感器的變電站設(shè)備巡視機(jī)器人，相關(guān)人員通過(guò)手動(dòng)操控，順利完成了檢測(cè)火焰和巡視的相關(guān)工作。2018年，基于高精度地圖和大數(shù)據(jù)中心，百度研制出了特定場(chǎng)景下的無(wú)人駕駛電車，可實(shí)現(xiàn)在特定場(chǎng)景下自動(dòng)避障、準(zhǔn)確識(shí)別行人等功能。

總之，機(jī)器人在面對(duì)復(fù)雜多變的場(chǎng)合時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)精確定位和合理地規(guī)劃路徑仍是當(dāng)前需要攻克的難題之一。

Based on Eqs.(1)and(2),the mean and standard deviation of U1and U2can be obtained as:

2 硬件系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人主要由主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超聲波模塊、循跡模塊、紅外避障模塊等硬件組成，如表1所示。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行機(jī)構(gòu)的方式主要有：車輪式、履帶式和腿式，但輪式移動(dòng)機(jī)器人（Wheeled mobile Robot，WMR）最為常見(jiàn)。本次設(shè)計(jì)中，因移動(dòng)小車的行走路況較好。所以，選用輪式的運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

表1 部分電路元器件介紹

3 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)作為智能小車總體設(shè)計(jì)中最重要的部分，其方案的設(shè)計(jì)理念決定了智能小車的功能特點(diǎn)和可擴(kuò)展性，其組成如圖1所示。本次設(shè)計(jì)的智能小車具備障礙自動(dòng)檢測(cè)、自主避障、自主定位、總線通信、無(wú)線通信等功能。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

3.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能小車的電能主要消耗在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，其電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 電路原理圖

智能小車的電路原理圖如圖3所示。

圖3 電路原理圖

舵機(jī)是一種位置或角度伺服驅(qū)動(dòng)器，適用于角度不斷變化且可以保持的控制系統(tǒng)，其作用是產(chǎn)生的周期性基準(zhǔn)信號(hào)。被檢測(cè)到的直流偏置電壓與電位器電壓進(jìn)行比較且計(jì)算差值，并把它發(fā)送到L298N調(diào)節(jié)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過(guò)STM32芯片發(fā)生占空比在0.5ms～2.5ms之間得PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)舵機(jī)在0°～180°范圍內(nèi)作出相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)。SG90舵機(jī)與STM32的接線如圖4所示。

圖4 舵機(jī)與STM32的接線圖

由表2可知，若要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，首先，設(shè)置IN1和IN2控制端的高低電平值，確定電機(jī)的工作狀態(tài)；其次，對(duì)使能端輸出PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速功能。當(dāng)使能信號(hào)ENA=0時(shí)，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使能信號(hào)ENA=1時(shí)，且IN1和IN2為00或11時(shí)，電機(jī)處于剎車狀態(tài)。

表2 L298N工作控制端真值表

3.3 主控制器的最小系統(tǒng)電路

主控制電路是智能小車工作的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵[6]?；赟TM32F103RCT6的最小系統(tǒng)硬件電路包括電源控制電路、復(fù)位電路、紅外遙控電路、超聲波電路、循跡、避障電路、藍(lán)牙串口電路等。

（1）電源控制電路設(shè)計(jì)

STM32處理器的工作電壓為3.3V。具體電路如圖5所示。

圖5 主控制器最小系統(tǒng)電路

（2）復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位是單片機(jī)CPU_RESET引腳加上2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化。除正常開(kāi)啟系統(tǒng)之外，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤或系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)復(fù)位操作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化。復(fù)位一般分為上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。本次設(shè)計(jì)采用按鈕復(fù)位方式，如圖6所示。

圖6 復(fù)位電路

（3）紅外遙控電路設(shè)計(jì)

紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段，具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，且能有效地隔離電氣干擾。紅外控制系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成，如圖7所示。

圖7 紅外接收電路

（4）超聲波模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距的方法有幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、渡越時(shí)間法（又稱發(fā)射反射測(cè)時(shí)法）三種，而渡越時(shí)間法在實(shí)際應(yīng)用中最為常見(jiàn)。其測(cè)距原理是超聲波存在反射效應(yīng)，當(dāng)主控制器通過(guò)一個(gè)I/O端口輸出10us的觸發(fā)信號(hào)并傳送至測(cè)距模塊的TRIG端，測(cè)距模塊內(nèi)部發(fā)出8個(gè)40KHz周期電平，接收器收到超聲波信號(hào)后，諧振片產(chǎn)生諧振效應(yīng)并將其轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大后再利用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式（1）中，取c=331.4m/s；Δt為脈沖信號(hào)發(fā)送和接收存在的時(shí)間差；d為障礙物距離。

本次選取的超聲波模塊型號(hào)是HC-SR04，其包括超聲波發(fā)生器、接收器和調(diào)控電路。HC-SR04的非接觸測(cè)距為2cm～450cm，測(cè)量精度優(yōu)于2mm。HC-SR04的相關(guān)參數(shù)、接線圖分別如表3和圖8所示。

圖8 超聲波電路

表3 HC-SR04的相關(guān)參數(shù)

（5）循跡和避障模塊

本次設(shè)計(jì)中采用紅外線實(shí)現(xiàn)智能小車的避障功能，外界環(huán)境對(duì)紅外信號(hào)的干擾較小且易于實(shí)現(xiàn)。其工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到障礙物時(shí)及時(shí)反射回來(lái)，紅外線接收管對(duì)反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并輸出TTL電平?？刂浦悄苄≤囇刂孛娴暮谏壍佬旭?。其工作原理：因黑、白線對(duì)光的反射系數(shù)不同，當(dāng)光線照射到地面并反射時(shí)，根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判定是否是黑線，進(jìn)而控制智能小車的運(yùn)動(dòng)路徑。循跡、避障控制電路如圖9、圖10所示。

圖9 循跡控制電路

圖10 避障控制電路

（6）藍(lán)牙串口電路

藍(lán)牙串口電路與主控板進(jìn)行串口通信，利用PC機(jī)或Android手機(jī)控制端實(shí)現(xiàn)智能小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等運(yùn)動(dòng)功能。藍(lán)牙串口電路如圖11所示。

圖11 避障功能檢測(cè)

圖11 藍(lán)牙串口電路

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

圖12 循跡功能檢測(cè)

在智能小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試了智能小車智能小車對(duì)障礙物的感知能力、環(huán)境探測(cè)能力、運(yùn)動(dòng)能力等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用紅外線實(shí)現(xiàn)了智能小車的自主避障功能，且依據(jù)黑、白線對(duì)光的反射系數(shù)不同來(lái)控制智能小車的運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)了智能小車的循跡功能。通過(guò)對(duì)智能小車的避障、循跡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，大大提高了小車的實(shí)用價(jià)值，可以應(yīng)于現(xiàn)代物流、無(wú)人駕駛汽車、無(wú)人工廠、服務(wù)型機(jī)器人等諸多領(lǐng)域。