□代雪會 梅志敏 陳 威

一、引言

智能小車可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動運(yùn)作，不需要人為的管理，除了應(yīng)用于科學(xué)勘探類用途之外，隨著智能小車類比賽的發(fā)展，在高等院校和高職高專院校的《智能機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)》《單片機(jī)與機(jī)器人控制》等課程中也常以智能小車設(shè)計(jì)與控制作為課程實(shí)驗(yàn)的載體。目前在教學(xué)過程中，講解智能小車功能時(shí)通常是采用播放網(wǎng)絡(luò)視頻或者自制視頻的方式進(jìn)行演示。這種教學(xué)方式存在的主要問題就是沒有實(shí)物演示直觀，因此也會限制學(xué)生對智能小車功能的理解、編程思維的激發(fā)。

本文設(shè)計(jì)了一款用于教學(xué)示教的智能小車，可以通過遙控的方式直觀演示智能小車常見的功能，同時(shí)也涵蓋了課程教學(xué)主要的知識點(diǎn)，包括循跡傳感器模塊、避障傳感器模塊、電機(jī)及驅(qū)動模塊、紅外遙控模塊燈主要知識模塊的內(nèi)容。在提高教學(xué)效果的同時(shí)，也可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)智能小車設(shè)計(jì)與編程控制的興趣，提升學(xué)生創(chuàng)新思維與能力。

二、智能小車總體方案設(shè)計(jì)

智能小車一般包括三部分：傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。傳感器用來檢測外部環(huán)境和小車本身運(yùn)動參數(shù)等；控制器接收傳感器部分傳遞過來的信號，并根據(jù)事先寫入的程序，來決定智能小車對外部信號的反應(yīng)，并將生成的控制信號發(fā)給執(zhí)行器部分；執(zhí)行器部分用來驅(qū)動智能小車做出相應(yīng)的行為，并且可以根據(jù)控制器部分的信號調(diào)整自身狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的教學(xué)示教用智能小車的組成主要有：傳感器包括循跡傳感器、超聲波避障傳感器，其功能是完成小車自動循跡和自動避障功能；執(zhí)行器即小車電機(jī)和車輪部分，電機(jī)采用直流減速電機(jī)，車輪采用普通麥克納姆輪；控制器采用Arduino Mega2560板。另外，本文設(shè)計(jì)的智能小車具備紅外遙控功能，可以按照教學(xué)需要選擇對應(yīng)的功能模塊，比如小車行走功能演示、循跡功能演示和自動避障功能演示等。

智能小車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能小車結(jié)構(gòu)框圖

三、智能小車硬件設(shè)計(jì)

(一)智能小車車體結(jié)構(gòu)及電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)。本教學(xué)用智能小車車體包括小車底盤、四個(gè)麥克納姆輪。小車的動力部分由電源、電機(jī)驅(qū)動模塊(L298N)、直流馬達(dá)組成。Arduino mega2560板的輸出電流只有40mA，無法直接驅(qū)動直流馬達(dá)，必須使用馬達(dá)驅(qū)動芯片，本教學(xué)用智能小車采用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊。由于本教學(xué)用智能小車使用4個(gè)直流馬達(dá)，而一個(gè)L298N驅(qū)動模塊只能驅(qū)動兩個(gè)馬達(dá)，因此要使四個(gè)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，則需要兩個(gè)驅(qū)動模塊。

(二)智能小車傳感器模塊設(shè)計(jì)。為支持自動循跡和自動避障功能，本教學(xué)用智能小車使用的傳感器有超聲波傳感器、紅外循跡傳感器。超聲波傳感器的型號為HC-SR04，該超聲波測距模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)3mm，本教學(xué)用智能小車使用3個(gè)超聲波傳感器分別檢測前方、左側(cè)和右側(cè)的距離。另外，本教學(xué)用智能小車在小車前方安裝有3個(gè)四線式TCRT5000紅外循跡傳感器，用于黑白線檢測，檢測距離為1mm～8mm。

表1 智能小車行走方向控制策略與循跡傳感器的對應(yīng)關(guān)系

(三)智能小車遙控模塊設(shè)計(jì)。本教學(xué)用智能小車遙控模塊包括紅外線遙控器(發(fā)送模塊)和紅外線接收模塊。我們采用尺寸為40mm×80mm、20鍵的紅外線遙控器，在使用時(shí)將相應(yīng)的按鍵編碼成指令，紅外接收器接收到編碼信號后加以解碼，再按照不同的按鍵指令執(zhí)行不同的功能。

表2 紅外遙控按鍵編碼及控制策略

(四)智能小車控制板?；谝陨显O(shè)計(jì)，本教學(xué)用智能小車控制板采用Arduino Mega 2560，Arduino Mega 2560可通過3種方式供電，而且能自動選擇供電方式。有54路數(shù)字輸入/輸出口(適合需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)，其中15路可作為PWM輸出)，15路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino Mega2560也能兼容為Arduino UNO設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板。

四、智能小車控制流程及示例程序

(一)智能小車控制流程。為更好進(jìn)行智能小車教學(xué)示教，本小車在接通電源后處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)按下紅外遙控器上某一按鍵后，控制板首先進(jìn)行紅外遙控信號判斷，根據(jù)對應(yīng)的紅外遙控信號數(shù)值，進(jìn)入相對應(yīng)的模塊展示即啟動對應(yīng)的子程序。流程圖如圖2所示。

圖2

(二)示例程序。

五、結(jié)語

本次教學(xué)用小車采用Arduino控制板進(jìn)行開發(fā)，技術(shù)上的穩(wěn)定性、可行性更好，Arduino控制板配合超聲波傳感器、電機(jī)驅(qū)動模塊和紅外遙控模塊組成，適合教學(xué)過程中進(jìn)行功能性開發(fā)設(shè)計(jì)，能較好地滿足教學(xué)需求。同時(shí)對要求學(xué)生掌握的程序進(jìn)行編寫并傳輸至硬件并進(jìn)行實(shí)際測試，均測試成功，在給學(xué)生演示的同時(shí)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，掌握智能小車編程與調(diào)試的基礎(chǔ)知識與技能。