無(wú)線遙控智能小車的運(yùn)動(dòng)模擬及軌跡繪制*

馬丹萍， 李 勇， 梁勤歐

(1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004;2.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541000)

無(wú)線遙控智能小車的運(yùn)動(dòng)模擬及軌跡繪制*

馬丹萍1， 李 勇2， 梁勤歐1

(1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004;2.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541000)

為實(shí)現(xiàn)智能小車的全方位控制，以Atmega16A單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心、安卓智能手機(jī)為遙控平臺(tái)、HC－06為車載藍(lán)牙模塊，設(shè)計(jì)了一款智能小車.利用LabVIEW制作人機(jī)交互界面，通過(guò)無(wú)線方式采集小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)判斷小車的速度和方向.根據(jù)小車的狀態(tài)數(shù)據(jù)，在人機(jī)交互界面中模擬小車的運(yùn)動(dòng).結(jié)果表明:該系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬及軌跡繪制，可為后期地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用的研究奠定基礎(chǔ).

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè);Atmega16;Android;藍(lán)牙;LabVIEW;運(yùn)動(dòng)模擬;智能小車

0 前言

無(wú)線遙控將是未來(lái)遙控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì).市場(chǎng)上智能車的遙控器看似多種多樣，實(shí)際多為紅外遙控和無(wú)線電遙控.其中紅外遙控不能穿透障礙物，必須是直視距離;而無(wú)線電遙控容易干擾周圍電氣設(shè)備或被周圍所干擾.鑒于藍(lán)牙具有設(shè)備體積小、功耗低、通過(guò)調(diào)頻技術(shù)可消除其他無(wú)線設(shè)備的干擾建立臨時(shí)性的對(duì)等連接速度快等優(yōu)點(diǎn)［1］，開(kāi)發(fā)用于智能車遙控的APK(Android Package)，可以使遙控器的使用更加方便可靠.

對(duì)物體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬及運(yùn)動(dòng)軌跡的繪制在地理信息系統(tǒng)(Geographical Information Systerm，GIS)中有重要應(yīng)用.盡管現(xiàn)今的遙感技術(shù)能做到對(duì)泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是得到的遙感圖像會(huì)伴隨海量數(shù)據(jù)的分析.并且遙感技術(shù)的軟硬件設(shè)施要求相對(duì)較高［2］，不利于廣大民眾實(shí)時(shí)了解地質(zhì)災(zāi)害的狀況.通過(guò)傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，憑借藍(lán)牙無(wú)線傳遞給PC機(jī)終端，模擬出運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)共享監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).對(duì)于泥石流、山體滑坡、洪水淹沒(méi)等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，減少人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失等方面都有積極的作用.此外，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳遞的數(shù)據(jù)，可加快GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的建立.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能小車系統(tǒng)以Atmega16A單片機(jī)為處理核心［3］，通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行了無(wú)線遙控小車的前進(jìn)、加速、減速等運(yùn)動(dòng).通過(guò)LabVIEW無(wú)線采集小車的速度，建立數(shù)學(xué)模型，在人機(jī)交互界面中模擬小車的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1)藍(lán)牙通信模塊采用HC－06，其有4個(gè)引腳，即:VCC，GND，TXD和RXD，輸出端為T(mén)TL電平，將外界的藍(lán)牙通信轉(zhuǎn)換為單片機(jī)的串口通信;顯示模塊采用LCD1602，第1行顯示小車速度，第2行顯示前方障礙物距離.超聲波測(cè)距模塊采用HC－SR04，其有4個(gè)引腳，即:VCC，TRIG，ECHO和GND，單片機(jī)PB7口接HC－SR04的控制使能端TRIG，PD6口連接ECHO端.由于ECHO高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)送到返回的時(shí)間，則測(cè)量距離公式表示為

式(1)中:S表示測(cè)量距離;聲速為340 m/s.

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N，產(chǎn)生PWM的PD7口同時(shí)接入L298N的ENA和ENB口;PD2，PD3， PD4和 PD5分別接 L298N的 IN1，IN2，IN3和IN4，控制小車加速、減速、前進(jìn)、左拐等動(dòng)作.

2)測(cè)速電路.當(dāng)碼盤(pán)透光孔通過(guò)時(shí)，電壓比較器 LM393A的1引腳會(huì)輸出高電平;否則LM393A的1引腳輸出低電平.電路圖如圖2所示.通過(guò)檢測(cè)LM393A的1引腳高電平出現(xiàn)的次數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的測(cè)量，系統(tǒng)使用的測(cè)速碼盤(pán)一圈共包括20條透光孔.

圖2 測(cè)速電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括ICCAVR編程，Android編程和LabVIEW編程.

總體程序結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 總體程序結(jié)構(gòu)

3.1 ICCAVR編程

Atmega16A單片機(jī)的程序流程圖如圖4所示.

圖4 Atmega16A單片機(jī)程序流程

3.2 Android編程

遙控器界面設(shè)計(jì).在Android編程中，Activity表示一個(gè)應(yīng)用程序的組件，代表用來(lái)和用戶交互的界面［4］.在布局文件中添加所需的前進(jìn)、倒車、加速、減速等按鈕，整體布局如圖5所示.然后通過(guò)5個(gè)編程步驟實(shí)現(xiàn)Android藍(lán)牙的通信:1)開(kāi)啟藍(lán)牙;2)搜索可用設(shè)備;3)創(chuàng)建藍(lán)牙socket，獲取輸入輸出流;4)讀取和寫(xiě)入設(shè)備;5)斷開(kāi)連接關(guān)閉藍(lán)牙［5］.最后將布局文件中的控件通過(guò)調(diào)用findViewById()方法實(shí)現(xiàn)實(shí)例化.對(duì)按鈕添加監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)發(fā)生按鍵事件時(shí)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的控制.

圖5 遙控器界面布局

圖6 運(yùn)動(dòng)模擬及軌跡繪制程序結(jié)構(gòu)

3.3 LabVIEW編程

3.3.1 LabVIEW程序中的線程

LabVIEW是自動(dòng)多線程語(yǔ)言，只要VI的代碼可以并行執(zhí)行，LabVIEW就會(huì)將它們分配到多個(gè)執(zhí)行線程內(nèi)同時(shí)執(zhí)行［6］.所以，在編程時(shí)那些可以并行運(yùn)行的模塊就并排擺放.運(yùn)動(dòng)模擬及軌跡繪制程序結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示.

3.3.2 運(yùn)動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型

采用二維圖標(biāo)的運(yùn)動(dòng)表示實(shí)物的運(yùn)動(dòng)，用二維圖中繪制的直線表示軌跡，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型.設(shè)置750×1 000的二維圖片，圖片原點(diǎn)坐標(biāo)在左上頂角.小車的圖標(biāo)為50×30的圓角矩形.設(shè)小車圖標(biāo)在圖片中的中心點(diǎn)坐標(biāo)為(X0，Y0)，則小車圖標(biāo)垂直放置時(shí)，在圖片中的任一位置可以表示成(L，R，T，B)，其中L表示水平坐標(biāo)左邊界，R表示水平坐標(biāo)右邊界，T表示垂直坐標(biāo)頂邊界，B表示垂直坐標(biāo)底部邊界.在圖片中小車圖標(biāo)有4種運(yùn)動(dòng)方向:垂直向上、垂直向下、水平向左和水平向右，如圖7所示.

圖7 運(yùn)動(dòng)模擬數(shù)學(xué)模型

3.3.3 運(yùn)動(dòng)模擬相關(guān)算法

設(shè)(500，750)為模擬運(yùn)動(dòng)起始坐標(biāo).垂直方向上的圖標(biāo)運(yùn)動(dòng)可以表示為

同理，水平方向上圖標(biāo)的運(yùn)動(dòng)可以表示為

式(2)～式(3)中:v表示與實(shí)際小車運(yùn)動(dòng)速度成比例的模擬運(yùn)動(dòng)速度;t為時(shí)間;vt的單位是像素.

在二維圖片中繪制直線，模擬小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，直線起點(diǎn)坐標(biāo)為小車圖標(biāo)在某一位置時(shí)的中心點(diǎn)坐標(biāo)，即(X0，Y0)，設(shè)終點(diǎn)坐標(biāo)為(Xt，Yt).當(dāng)在垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)終點(diǎn)坐標(biāo)可以用下式表示

當(dāng)沿水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)終點(diǎn)坐標(biāo)可以用下式表示:

將模擬運(yùn)動(dòng)的4個(gè)狀態(tài)連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際小車的運(yùn)動(dòng)模擬，連接的節(jié)點(diǎn)為小車在改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)小車圖標(biāo)中心點(diǎn)的坐標(biāo)值(X0，Y0).綜上，連續(xù)運(yùn)動(dòng)的小車在LabVIEW人機(jī)交互界面中能夠?qū)崿F(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)模擬和路徑的繪制，效果如圖8所示.

圖8 小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬

3.3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft Access系統(tǒng)，由于Lab－VIEW本身并不具備數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能，因此用到LabSQL工具包.LabSQL利用Microsoft ADO對(duì)象和SQL語(yǔ)言來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)［6］，將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs.圖8所對(duì)應(yīng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)信息見(jiàn)表1.

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

4 結(jié)論與展望

本文介紹了無(wú)線遙控智能小車的運(yùn)動(dòng)模擬及軌跡繪制的軟、硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能小車全方位立體控制.在PC機(jī)模擬階段，小車各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)間任意轉(zhuǎn)換的同時(shí)，伴隨著相關(guān)數(shù)據(jù)的傳遞.在軟件編程階段，通過(guò)數(shù)學(xué)模型確立模擬運(yùn)動(dòng)的算法，保證模擬運(yùn)動(dòng)的連貫性.

位移監(jiān)測(cè)是山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)之一［7］.本系統(tǒng)PC機(jī)端模擬的是運(yùn)動(dòng)小車的軌跡，然而，在未來(lái)研究中可以將智能小車轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)傳感器，以實(shí)現(xiàn)山體滑坡和泥石流災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).其實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)在:將運(yùn)動(dòng)傳感器固定在易發(fā)生泥石流或山體滑坡的危險(xiǎn)地帶，以無(wú)線方式傳遞運(yùn)動(dòng)傳感器滾動(dòng)速度和方向的相關(guān)數(shù)據(jù)，在終端，系統(tǒng)模擬泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)態(tài)，結(jié)合GIS系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)災(zāi)害狀況［8］.同時(shí)，憑借藍(lán)牙技術(shù)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享，方便周邊民眾對(duì)災(zāi)害狀況的了解.GIS技術(shù)和無(wú)線藍(lán)牙通訊的結(jié)合，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)有深遠(yuǎn)積極的影響.

［1］嚴(yán)紫建，劉元安.藍(lán)牙技術(shù)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2001:1－5.

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［7］仝興華，薛世峰，單新建.山體滑坡和泥石流災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(10):7－10.

［8］Longley P A，Goodchild M F，Maguire D J，et al.地理信息系統(tǒng):下卷管理與應(yīng)用［M］.唐中實(shí)，賈海峰，辛宇，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2004:383－390.

(責(zé)任編輯 杜利民)

Motion simulation and trajectory drawing of the intelligent vehicle with wireless remote control

MA Danping1， LI Yong2， LIANG Qin'ou1

(1.College of Geography and Environment Sciences，Zhejiang Normal University，Jinhua Zhejiang 321004，China;2.College of Electronic Engineering and Automation，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi541000，China)

An intelligent vehicle was designed with Atmega16A single chip as the control core，with Android smart mobile phone as the remote control platform，using HC－06 as the Bluetooth module.A human－computer interaction interface was made by LabVIEW，collected the intelligent vehicle's movement state data to judge the speed and direction of its motion by wireless way.According to the state data of the vehicle，it was simulated the motion of the vehicle in the human－computer interaction interface.The experimental results showed that the system could monitor the motion state of the vehicle，realized the motion simulation and trajectory mapping，and laid a foundation for the later research of geological disastermonitoring application.

geological disaster monitoring;Atmega16;Android;Bluetooth;LabVIEW;motion simulation; intelligent vehicle

TP29

A

1001－5051(2015)01－0116－05

?:2014－06－20;

2014－09－17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(70773089)

馬丹萍(1990－)，女，河南義馬人，碩士研究生.研究方向:地理信息系統(tǒng)與遙感應(yīng)用.

梁勤歐.E－mail:qoliang@sina.com

10.16218/j.issn.1001－5051.2015.01.019