智能引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方志陽+儲太

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院 天津 300300）

摘 要：智能引導(dǎo)小車在生活中所能扮演的角色越來越多，所起到的作用也越來越大，當(dāng)人們在一個(gè)陌生環(huán)境如圖書館，博物館或旅游景點(diǎn)，想到達(dá)自己想去的目的地往往需要話費(fèi)一番力氣，而自主規(guī)劃路徑的小車正好能為這些人提供方便。本文論述的智能引導(dǎo)小車以STC89C52單片機(jī)為核心，通過柵格法進(jìn)行自主路徑規(guī)劃，并由紅外傳感器輔助行進(jìn)，以及通過射頻卡來識別目的地，綜合運(yùn)用了藍(lán)牙通信、自主路徑規(guī)劃、語音合成、射頻卡識別等技術(shù)，使小車能實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃，并提供引導(dǎo)的目的。

關(guān)鍵詞：自主路徑規(guī)劃；避障；射頻卡識別

基金項(xiàng)目：中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃優(yōu)秀培育項(xiàng)目

項(xiàng)目號：IEKCAUC2015018

1 引言

現(xiàn)如今，智能小車的相關(guān)研究不斷深入，使得小車在加相應(yīng)傳感器后完成某一特定功能成為可能，可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、跟隨等功能。因此智能小車開始逐步走向?qū)嶋H生活，并且各個(gè)方面為人們提供服務(wù)。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能小車以STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主要控制核心，首先敘述單片機(jī)最小系統(tǒng)、目的地輸入模塊等智能小車的硬件，然后介紹引導(dǎo)小車時(shí)的自主路徑規(guī)劃、避障以及目的地輸入與檢測等軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 智能引導(dǎo)小車的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能小車的硬件是整個(gè)小車控制系統(tǒng)能否順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。其硬件主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制器，用藍(lán)牙傳輸輸入目的地，用直流電機(jī)、光柵以及光電傳感器來實(shí)現(xiàn)順利行進(jìn)，主要硬件模塊包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、目的地輸入模塊、小車驅(qū)動模塊、避障模塊、射頻卡模塊、語音模塊。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程存儲器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。

2.2 目的地輸入模塊

采用藍(lán)牙輸入作為輸入的方式，所使用的為CSR-BC417藍(lán)牙芯片，工作電壓為3.3V，電流配對時(shí)為20-30mA，配對后為8mA?？芍С諹ART和PIO接口的數(shù)據(jù)傳輸藍(lán)牙模塊，最高傳輸速率為3Mbps。

2.3 小車驅(qū)動模塊

小車采用四個(gè)直流電機(jī)，工作電壓為6V，電流為80-100mA。采用兩路PWM控制芯片為小車的電機(jī)供電，兩路PWM控制可以十分方便地控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.4 避障模塊

避障采用紅外光電傳感器HJ-IR2和比較器來實(shí)現(xiàn)，檢測到障礙物時(shí)輸出低電平，平時(shí)高電平。

2.5 射頻卡模塊

該模塊由MF-S50射頻卡和MF-RC522讀寫卡模塊構(gòu)成。為非接觸式IC卡，具有8KB的EEPROM，每張卡都有唯一的序列號。

2.6 語音模塊

采用了SX6288A為主要核心的語音合成模塊，其使用異步串口方式進(jìn)行通信，通過接收待合成的文本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換。

智能小車?yán)媚康牡亟邮漳K接收手機(jī)發(fā)送的目的地，用單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行分析、規(guī)劃路徑，驅(qū)動模塊為小車提供動力，避障模塊為行進(jìn)提供輔助作用，射頻卡模塊則為小車進(jìn)行位置判斷提供作用，語音模塊實(shí)現(xiàn)的是講解或語音提示作用。

2.7 光柵模塊

采用了HJ-IR6光柵芯片、兩個(gè)光感器以及兩個(gè)柵輪構(gòu)成，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時(shí)，通過光柵對小車車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行測定，從而實(shí)現(xiàn)對小車速度的監(jiān)控，方便控制智能小車的速度。

3 智能引導(dǎo)小車的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

首先執(zhí)行目的地輸入程序，待目的地輸入成功后，小車先對自身所在位置進(jìn)行判斷，然后執(zhí)行路徑規(guī)劃程序，規(guī)劃好路徑后調(diào)用驅(qū)動程序，小車在行進(jìn)過程中由自動調(diào)速程序?qū)ζ溥M(jìn)行自動調(diào)速，同時(shí)避障程序進(jìn)行輔助，在遇到行人時(shí)停止，等待行人離開后繼續(xù)前進(jìn)，經(jīng)射頻卡程序檢測為目的地時(shí)小車停止，并進(jìn)行語音提示或講解，最后返回出發(fā)點(diǎn)。

3.2 路徑規(guī)劃程序

小車?yán)脰鸥穹▽Νh(huán)境劃分成網(wǎng)格單元，柵格的一致性和規(guī)范性使得柵格空間中鄰接關(guān)系簡單化，在給每個(gè)柵格賦予通行因子之后，將路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為尋求兩個(gè)柵格節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)路徑。

3.2.1 柵格發(fā)路徑規(guī)劃算法流程

①對地圖進(jìn)行柵格化，給予給每個(gè)柵格賦予一個(gè)二維坐標(biāo)（x，y）；

②將所有柵格劃分為可通行和禁止兩個(gè)類別，并建立兩個(gè)二維數(shù)組Ai，Bi，分別存放兩類坐標(biāo)；

③小車進(jìn)行初始化，初始坐標(biāo)為（0，0）；

④將周邊8個(gè)柵格的坐標(biāo)與可通行數(shù)組內(nèi)坐標(biāo)進(jìn)行比較，如果為可通行，則存入另一個(gè)數(shù)組Ci；

⑤將可通行坐標(biāo)與目的地坐標(biāo)間距離進(jìn)行計(jì)算，然后將距離最短的坐標(biāo)存入Di；

⑥再對Di中的坐標(biāo)依次進(jìn)行④⑤操作，依次可得出一系列坐標(biāo)；

⑦將這些坐標(biāo)輸出到數(shù)組Ei，作為路徑。

3.3 避障程序

光電傳感器安裝于小車前部，探測距離為20-25cm，在探測到前方有行人時(shí)小車停止，待行人走后再繼續(xù)前進(jìn)，避免撞上行人。當(dāng)光電傳感器輸出低電平，對程序進(jìn)行外中斷，當(dāng)光電傳感器輸出為高電平后繼續(xù)執(zhí)行小車的程序。

3.4 目的地輸入程序

當(dāng)小車與電腦或手機(jī)鏈接成功后，通過串口將目的地發(fā)送給小車，接受失敗時(shí)返回“重新輸入”語句，接收成功時(shí)返回“輸入成功”語句，然后單片機(jī)將字符對應(yīng)的坐標(biāo)找出并賦值給目的地變量。

3.5 目的地識別程序

在不同的目的地各自安放射頻卡，每張射頻卡對應(yīng)一個(gè)地點(diǎn)，首先調(diào)用子函數(shù)，將尋卡命令發(fā)給射頻卡讀寫器，若有卡則將返回的卡的類型存入數(shù)組中。接著調(diào)用子函數(shù)防沖突指令，并將返回的卡序列號（4個(gè)字節(jié)）存入 數(shù)組中。調(diào)用選卡指令，選擇已知序列號的卡進(jìn)行通信，調(diào)用子函數(shù)發(fā)送塊1所在扇區(qū)的密碼A給射頻卡，驗(yàn)證其是否正確。讀取塊1中的數(shù)據(jù)，將其存入數(shù)組中。

最后判斷房間號是否匹配，具體說明如下：輸入的3位房間號存放在數(shù)組中，讀取的3位房間號存放在另一個(gè)數(shù)組中。首先定義一個(gè)匹配標(biāo)記初始值設(shè)為0。然后將兩個(gè)數(shù)組一一比較，若對應(yīng)位數(shù)值相同，初始值加1，不相同則不加，如果循環(huán)比較完后值等于3，則說明匹配，即找到房間，否則不匹配，繼續(xù)循環(huán)尋找房間。

4 結(jié)論

自主路徑規(guī)劃是智能小車應(yīng)用中的一項(xiàng)重要技術(shù)，采用良好的自主路徑規(guī)劃技術(shù)可以使小車擺脫死硬的預(yù)設(shè)路徑，從而更方便地為人們提供更好的智能引導(dǎo)，本文中所提到的自主路徑規(guī)劃方式并不是唯一的一種方式，在不同條件不同需求下可能會有其他更適合的路徑規(guī)劃方式，這是需要進(jìn)一步實(shí)際檢驗(yàn)的。