信息采集智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：在現(xiàn)代社會生活中，信息采集智能車在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)研究、地質(zhì)勘探等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。該文基于ESP32微處理器設(shè)計(jì)和開發(fā)具有自動避障和語音控制功能的信息采集智能車系統(tǒng)，通過在智能車系統(tǒng)搭載多傳感器信息采集模塊，實(shí)現(xiàn)不同位置環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸與顯示。經(jīng)過實(shí)際測試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能完善，易于使用與擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：智能車；信息采集；自動避障；語音控制；數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0042-04

Abstract： In modern social life， information collection smart vehicles play an important role in many fields such as environmental monitoring， ecological research and geological exploration. This paper designs and develops an information collection smart vehicle system with automatic obstacle avoidance and voice control functions based on the ESP32 microprocessor. By equipping the smart vehicle system with a multi-sensor information collection module， real-time collection， transmission and display of environmental information from different locations are realized. Through actual testing， it has been verified that the system has complete functions and is easy to use and expand.

Keywords： smart vehicle; information collection; automatic obstacle avoidance; voice control; data transmission

在現(xiàn)代社會，科技進(jìn)步與創(chuàng)新正迅速改變著人們的生活方式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。人工智能技術(shù)的普及和應(yīng)用為各行各業(yè)帶來了前所未有的機(jī)遇[1]。在這樣的社會背景下，信息采集智能車作為一種典型的智能硬件設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用潛力和社會價(jià)值。

在智能車研究方面，國外起步較早，典型的研究代表如美國卡耐基梅隆大學(xué)的NavLab-5智能車、谷歌公司的Google Driverless Car[2]等。2016年，特斯拉推出 Autopilot 輔助駕駛功能，駕車者能夠脫離方向盤對車輛進(jìn)行控制。特斯拉遵循“仿生”原則，利用多攝像頭模擬人類視覺，擯除了多顆毫米波雷達(dá)等非必要的冗余措施提高成本效益[3-4]。我國智能車的研究雖然起步較晚，但目前也具有較好的成果。一方面，傳統(tǒng)車廠陸續(xù)制定了各自的智能駕駛發(fā)展規(guī)劃，另一方面，互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)如百度、阿里、華為等，深度布局智能駕駛解決方案、高精度地圖、激光雷達(dá)和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域[5]。

本文基于智能車的信息感知和控制需求，采用多傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境基礎(chǔ)信息的采集，如溫度、光強(qiáng)、煙霧及圖像信息[6]，通過ESP32內(nèi)置的藍(lán)牙和WIFI完成信息的無線傳輸。利用超聲模塊實(shí)現(xiàn)智能車的測距與自動避障功能，采用SU-03T語音識別模塊實(shí)現(xiàn)了智能車的人車交互與控制功能。通過實(shí)際測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能與可行性。

1 設(shè)計(jì)方案

信息采集智能車系統(tǒng)要兼具環(huán)境信息采集與數(shù)據(jù)傳輸功能以及行駛中的自動避障和控制功能?；谠撔枨螅疚牟捎肊SP32-C3微處理器作為主控單元，在智能車控制模塊基礎(chǔ)上搭載信息采集模塊與信息傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了信息采集智能車系統(tǒng)，系統(tǒng)總體組成框架如圖1所示。

在信息采集模塊中，使用多傳感器采集環(huán)境光強(qiáng)、溫濕度、煙霧及圖像信息，通過ESP32無線傳輸功能，將環(huán)境信息發(fā)送至遠(yuǎn)程端。在信息采集智能車控制模塊中，利用超聲波傳感器使智能車具備自動避障功能，同時(shí)通過語音識別模塊實(shí)現(xiàn)了智能車運(yùn)行的語音控制。

本系統(tǒng)采用的具體開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境見表1。

2 功能實(shí)現(xiàn)

信息采集智能車系統(tǒng)主要包括環(huán)境信息采集與傳輸以及智能車驅(qū)動與控制兩大模塊。

2.1 環(huán)境信息采集與傳輸功能的實(shí)現(xiàn)

本文采用多傳感器實(shí)現(xiàn)了溫濕度信息、光強(qiáng)信息、煙霧信息及圖像信息的采集，其中溫濕度、光強(qiáng)及煙霧信息通過藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)端，圖像信息通過ESP32的WIFI功能發(fā)送至PC端，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

在圖像采集方面，本文采用了ESP32-CAM模塊，通過其內(nèi)置攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像信息的實(shí)時(shí)采集。ESP32具有內(nèi)置WIFI功能，可將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電腦端。用戶可以在電腦端的Web頁面查看實(shí)時(shí)圖像，從而實(shí)現(xiàn)圖像信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息采集與傳輸，本文選用了DHT11溫濕度傳感器、GY-30光強(qiáng)傳感器和MQ-2煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度信息、光強(qiáng)信息及煙霧信息的采集。將各傳感器數(shù)據(jù)端連接到ESP32-C3開發(fā)板數(shù)據(jù)接口，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，具體引腳連接見表2。

通過ESP32內(nèi)置的藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)的無線傳輸，以方便在移動設(shè)備端進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。在數(shù)據(jù)的傳輸和接收過程中，ESP32的藍(lán)牙模塊和移動設(shè)備的藍(lán)牙接口協(xié)同工作，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[7]。本文基于Blinker移動應(yīng)用平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)據(jù)顯示應(yīng)用界面。Blinker是一個(gè)專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供數(shù)據(jù)展示和控制功能的平臺，用戶可以通過其圖形化界面方便地查看和管理各種設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。本文利用了Blinker平臺實(shí)現(xiàn)了將傳感器采集的信息實(shí)時(shí)顯示在移動設(shè)備終端，如圖4所示。

2.2 智能車控制功能的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)智能車的可靠運(yùn)行，本文首先設(shè)計(jì)了智能車驅(qū)動系統(tǒng)。智能車的驅(qū)動系統(tǒng)主要由3個(gè)核心部件組成，即電機(jī)、電源模塊和馬達(dá)驅(qū)動器。由于步進(jìn)電機(jī)可以提供精確的位置控制和速度控制，具有將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為特定數(shù)量的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的功能[8]，因此本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)，結(jié)合高性能的隔離式DC-DC 電源模塊B1205S-2W以及DRV8833馬達(dá)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了智能車驅(qū)動系統(tǒng)，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

為實(shí)現(xiàn)對智能車運(yùn)行安全有效的控制，本文采用語音控制技術(shù)和自動避障技術(shù)，完成了對信息采集車行駛方向與自動運(yùn)行的智能化控制。

在智能車啟動后，用戶可通過語音控制智能車運(yùn)動，如遇到障礙則會在碰撞前自動停止，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

在智能車的語音控制和自動避障2種控制方案中，自動避障的優(yōu)先級高于語音控制。

本系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波測距模塊實(shí)現(xiàn)智能車的自動避障功能。當(dāng)HC-SR04檢測到智能車與障礙物的距離小于12 cm時(shí)，該信息將被傳輸至ESP32主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)在接收到這一信息后，會立即對智能車的運(yùn)行進(jìn)行分析和處理，通過DRV8833馬達(dá)驅(qū)動器操縱步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，以防止智能車與障礙物發(fā)生碰撞。同時(shí)，ESP32主控系統(tǒng)還可能根據(jù)周圍環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整智能車的運(yùn)行方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)自動避障功能。

圖5 智能車驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在語音指令識別模塊中，本文采用SU-03T語音識別模塊將語音指令解析為可執(zhí)行命令，傳輸?shù)紼SP32主控芯片進(jìn)行處理。主控芯片計(jì)算出相應(yīng)的PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)多樣化驅(qū)動行為。

每個(gè)功能模塊通過特定的引腳連接到ESP32-C3，使微控制器能夠與各模塊進(jìn)行通信和控制，具體引腳連接見表3。

通過正確連接功能模塊到ESP32-C3引腳，該系統(tǒng)可以高效地管理和控制各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能控制的功能。

3 結(jié)論

本文基于ESP32設(shè)計(jì)和開發(fā)了具有信息采集功能的智能車系統(tǒng)。在信息采集模塊中，采用DHT11溫濕度傳感器、GY-30光強(qiáng)傳感器、MQ-2煙霧傳感器及ESP32-CAM實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度信息、光強(qiáng)信息、煙霧信息和實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的采集?；贐linker移動應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。通過ESP32的WIFI功能完成了視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸與電腦端的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在智能車控制模塊，結(jié)合HC-SR04超聲波測距模塊、SU-03T語音識別模塊及DRV8833馬達(dá)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了智能車的語音控制與自動避障功能，確保智能車能夠按指令安全運(yùn)行。通過系統(tǒng)測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。本系統(tǒng)易于使用和擴(kuò)展，輔助以其他傳感器，可以實(shí)現(xiàn)更多環(huán)境信息的采集。本文的研究對于惡劣條件下的環(huán)境勘探具有使用價(jià)值和意義。

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