智能小车

摘要本文基于Arduino、51duino设计了一种能够智能移动避障及智能抓取分拣货物的机械装置，由电源模块、超声波传感器模块、电机驱动模块、调试模块、MCU模块、压力传感器模块、温度传感器模块、湿度传感器模块，WIFI模块、51duino机器人驱动板模块、Robot-Eyes高清摄像头等模块组成。本文主要从硬件与人机交互方面来解释如何利用红外传感器检测障碍物，并实现自动避障的功能；如何利用无线传输与相应的传感器使得抓取装置更好的抓取货物，从而突出该机械装置的优越性。关键词：智能小车单片机避障摄像人机交互目录第1章绪论1.1引言智能，在科技高速发展的今天，已成为一个引领时尚前沿的代名词，智能手机，智能机器人等等已经在工业，军事中得到广泛的作用，在不为人们所熟知的领域，如深海探测，航空航天，地质勘探，智能也发挥着举足轻重的作用[1]。智能车是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。整个系统设计集中运用了自动化控制、传感技术、导航、电子、电气、PC机、机械、人工智能等多个学科的知识[2]，是典型的高新技术综合体。以后智能机器人的应用领域会愈发广泛，如在航天航空技术、海洋能源开发技术、微电子技术、制造与维修技术、农业自动化、生物医学等领域会有很大的突破和进展。1.2课题研究目的及意义自第一台工业机器人诞生[3]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。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想，其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并做出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPU。现代智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障功能等基本功能。日本目前投入市场的不再是高性能的工业机器人，微型机器人汽车也正在逐步的进入市场。日前由日本科研人员研发的两款微型机器人汽车与大众见面，汽车内安装有最尖端的视觉识别系统，通过内部的摄像头与传感器能够使小车自动识别障碍物，从而避免碰撞，并判断小车与障碍物之间的距离。目前研究人员已经将小车的这种自动识别系统应用到汽车工业领域去，这将为陷入低靡的汽车行业注入新的活力[4]。随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、仿生学、材料等相关学科领域的发展，避障循迹小车可以通过自动感知引导线以及躲避障碍物在工作中取代人力运输，节省人力以及成本。智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。此类机器人以后对我们的研究和生活定会发挥至关重要的作用，在以后对车辆的自动驾驶，飞船的自动航行模式及深海自动探测有很大的研究价值。1.3课题研究现状及发展趋势智能小车，也就是轮式机器人，主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能[4-7]。现在智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几年的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展，比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。随着人工智能的不断发展，尤其是那场AlphaGo与李世石的世纪之战给人们留下了深刻的印象，智能机器人的研究取得了新进展。美国的Alphabet公司研制出的机器马可用于救灾物资上的运输，英国设计出吃苍蝇老鼠的机器人家具，法国研发出“儿童机器人”，欧洲研发出超级机器人，能预知人类意图等。这些都与我们的生活息息相关，给我们的生活带来了极大地方便。我国一直比较重视智能机器人的研究，国家“863”智能机器人专家组将智能机器人的研究作为今后发展的重点。许多大专院校和科研机构都在着手智能机器人的研究和开发工作，相继几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果，如沈阳自动化所的AGV小车，上海大学的导购机器人和哈工大研究所的导游机器人，清华大学智能技术与系统国家重点实验室研制的THMR系列微型移动车，整个系统包括摄像机，磁罗盘，差分GPS，电子地图等车载设备，保证了移动车控制系统能够实现自主驾驶与辅助驾驶。除此之外，以哈尔滨工业大学为首的众多高校也先后在“机器人足球赛”“机器人起重大赛”这些具有国际水平的人工智能竞赛中取得优异的成绩[8]。此次设计的智能车可以作为机器人的典型代表，主要实现以摄像头实现无线数据传输，通过温度湿度传感器感应外界环境选择最佳路线和避障等多个功能。智能车可以分为四大组成部分：传感器检测部分、小车执行部分、抓取部分、CPU。机器人要实现选择最佳路线和避障功能，感知外界路面的路面情况和障碍物，可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线并平稳的行驶。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般需要要准确到到指定地点，要求精密感知与直流电机相互配合完成，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第一种方案。CPU使用Arduino单片机，配合软件编程实现。抓取部分功能的实现需要更多的传感器与51duino控制器的配合，如压力传感器对货物的压力的检测将数据传到移动终端，通过移动终端来控制抓取装置舵机的移动角度来改变抓取货物时所受的力。1.4人机交互结合运用人机交互是一种人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定的任务的人与计算机之间信息交换过程。这次我们所做的小车就是通过移动终端设备对小车进行监控，从而实现一种准确分拣并运输的功能。监控小车的实现以摄像头对路面情况的勘测通过无线传输到我们的移动终端设备上，再通过温度湿度传感器感应外界环境或我们自设定而选择最佳路线和避障。待小车到达指定的物流分拣区域时，利用抓取装置的摄像头对物品进行一个二维码的扫取再通过操作系统对货物进行一个分拣，这一系列动作人们只需要通过移动设备进行监控或操作即可，使人的劳动力得到极大地解放。随着计算机领域的不断发展，人机交互技术亦日趋成熟，操作命令也越来越多，功能也越来越强。随着模式识别，如语音识别、汉字识别等输入设备的发展，操作员和计算机在类似自然语言或受限制的自然语言这一级别进行交互成为可能。此外通过图形进行人工交互也吸引着人们去研究。这些人机交互可称为智能化人工交互。根据未来社会的发展趋势，我们选择一种人工交互式的方法结合分拣装置运用于日常生活的运用。第2章小车的总体硬件设计2.1小车车体设计与移动避障的原理本文所述小车采用RP5大功率坦克车体，它采用带电机的大扭力280马达，组合斜齿+金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。负载能力至少3KG以上。可以越障碍物，比一般的轮式小车更具有稳定性和灵活性，从而适合比较高要求的场合如模拟物流分拣。小车原理结构框图如图2-1所示，系统以Arduino单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、路线检测、障碍检测、按键输入、信号显示和小车姿态控制等功能。系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、处理速度快、通用性强，保证小车移动避障的稳定性及可靠性，而且成本低。小车移动避障部分是能够采集周围环境障碍物的信息，并返回至单片机进行处理，其组成部分包括：环境信息采集电路、放大电路、单片机控制电路。路线采集电路一般有脉冲调制的反射式红外发射接收器和信号放大器组成，脉冲调制的反射式红外发射接收器根据不同颜色对光的反射程度不同，将路线信息送至放大器，放大器可作为比较器可作简单的滤波，放大器将从脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号转化为单片机可识别的电平信号后送入单片机。Arduino单片机可根据接收的信息判断路线的信息，实现对左右两侧直流电机工作状态的控制，以实现左右转向，最终实现选择最佳路线的功能。避障部分则有超声波模块和两路脉冲调制的反射式红外发射接收器。超声波可实现测距，利用超声波返回的信号变化使单片机产生中断，实现障碍的判断，当距离大与某个值时可继续前进，当距离小于某个值时则单片机进行处理，实现避障。2.2小车微处理器硬件设计微处理器是小车的核心部分，主要完成对外围各个模块的管理，实现对外围模块的信号发送，以及对传感器模块的信号采集，并根据软件算法对所采集的信号进行处理，发送信号给执行模块进行任务执行，还对各种突发事件进行监控和处理，保证整个系统的正常运作。这里采用Arduino单片机，其工作条件与端口的介绍：1.微控制器核心：AVRmega168-20PU/mega328P-PU（处理速度可达20MIPS）2.工作电压：+5V3.外部输入电压：＋7V～＋12V（建议）4.外部输入电压（极值）：+6V≤Vin≤＋20V5.数字信号I/O接口0～13：共14个，其中6个PWM输出接口（Pin11、Pin10、Pin9、Pin6、Pin5、Pin3）6.模拟信号输入接口0～5：共6个7.DCI/O接口电流：40mA8.Flash容量：16KB/32KB(其他2K用于bootloader)9.SRAM静态存储容量：1KB10.EEPROM存储容量：512bytes11.时钟频率：16MHz、支持USB接口协议12.支持USB供电与外部供电13.支持ISP下载功能14.支持插针2.3小车电机驱动部分设计思路小车车体为RP5-CH02玩具坦克车底盘，为差动式履带车,由于其为大功率，采用带电感的大扭力260型马达，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有动力性能强，因此也需要大电流大功率驱动模块。左右两侧的电机分别由电机驱动芯片L298N来驱动。L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，可分别独立驱动两个直流电机。L298N的信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速(PWM方式)。如图所示，小车采用直流电机提供动力，L1、L2两个大电感对电机其保护作用。由有L298驱动模块驱动电机，L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器[13],接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，可分别独立驱动两个直流电机，本设计即用了这样的连接方式驱动左右两个电机，E1、E2接控制使能端，控制电机的停转；In1~In4接单片机的输出端，用于控制电动机转向。GND1SenseA2N.C.3Out14Out25Vs6Input17EnableA8Input29GND10GND11VSS12Input313EnableB14Input415Out316Out417N.C.18SenseB19GND20U2L298GNDGNDGNDOUT1OUT2OUT3OUT4VsVCCIn1In2In4In3OUT1OUT2OUT3OUT4D1D2D3D4D5D6D7D8VsV+GND123456P1Header6E1E1In1In2E2In3In4E2MB1MotorMB2MotorL1L22.4避障模块电路避障模块有两部分组成，包括探测左前右前的红外摄像头（如图2.4A）和超声波（如图2.4B）。R2110010KR23R22100VCC10KR24U21U22VCCGNDGND1OUT11IN-21IN+3GND42IN+52IN-62OUT7VCC8U4LM35810K15KVCCGNDPD2Left_FVCCVCCPD3Right_FVCCGNDVCCGNDLeft_FRight_F图2.1.4