智能小车的运行实现

智能小车的运行实现（精选4篇）

智能小车的运行实现 篇1

一、引言

传统小车的控制几乎都是用遥控器来实现的, 通过对遥控控制系统的研究, 以及对现代语音识别技术的学习, 在单片机的基础上通过语音识别专用芯片对小车进行非特定人语音控制, 使传统的遥控玩具车变得智能化, 这也是一种新的尝试, 不仅对于人们的现实生活还是对于相关方面的研究都极有意义。

二、语音控制系统的总体设计

该遥控车的语音控制系统的核心部分为STC10L08XE单片机和LD3320语音识别专用芯片, 通过与现有的遥控车遥控器部分并联, 利用遥控器本身已有的无线发送与接收模块实现语音信号的无线发送与接收, 整个控制系统都是由原有的遥控器电源供电。

三、硬件系统

硬件系统就是整个研究的外观, 智能化小车功能的实现都需要硬件才能展现出来, 它主要可以分为遥控器和车体两部分。

遥控器的主要功能是对按键进行分析并对语音信号进行识别;车体的功能是对遥控器的命令进行接收, 然后依据信号控制车体电机, 使其做出相应反应。[1]硬件系统总体组成框图如图1所示。

(一) 遥控器。遥控器端的重要组成部分是:单片机、语音识别模块、无线发送模块、按键以及指示灯。遥控系统如图2所示。

1.单片机。单片机采用的是由宏品科技生产的STC10L08XE芯片, 此芯片为单时钟/机器周期, 高速、超强抗干扰、低功耗[1]。

在本研究方案中将单片机的端口P1.0与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器前进方向的按键输出端进行连接, 将端口P1.7与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器后退方向的按键输出端进行连接, 将端口P2.4与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器左转方向的按键输出端进行连接, 将端口P2.7与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器右转方向的按键输出端进行连接。通过控制P1.0, P1.7, P2.4, P2.7端口的高、低电平输出来控制小车的运动。

2.语音识别模块。语音识别模块使用的是LD3320语音专用识别模块, 实现语音命令的采集处理, 并与语音库中的模型匹配, 进而输出电机控制信号, 实现智能小车行驶状态的语音控制[2]。LD3320是一个基于非特定人语音识别技术的芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路, 包括ADC、DAC、麦克风接口、声音输出接口等[3]。

(二) 车体。车体与遥控器的主要不同之处在于电机的驱动部分。

本研究在驱动模块上直接采用39700型号宝马Z4遥控车中的驱动, 即不对遥控车车体部分进行改造。车载系统如图3所示。

四、软件系统

本研究方案主要是针对遥控器部分进行的改造, 遥控器部分整个语音控制系统的软件流程[4]主要分成三个部分:初始化、语音识别以及命令控制部分。

为了避免误控制小车的运动状态, 在每次对小车进行控制的时候都需要喊出口令“大红”, 才能进行下一步对小车的控制。

因为控制小车运动方向的上、下、左、右四个按键在未控制小车时输出的均为高电平, 在进行控制时, 相应的按键输出端输出低电平。因此在进行程序编程时应当在LD3320语音芯片接收到“前进”语音命令时让P1.0端口输出低电平;在接收到“后退”语音命令时让P1.7端口输出低电平。因为小车在按键控制左前转的时候需要通知按在“左”、“前”两个按键, 因此在接收到“左前转”语音命令时应让P2.4、P1.0端口均输出低电平;同理, 在接收到“右前转”语音命令时应让P2.7、P1.0端口均输出低电平;在接收到“左后转”语音命令时应让P2.4、P1.7端口均输出低电平;在接收到“右后转”语音命令时应让P2.7、P1.7端口均输出低电平;而在接收到“停下”语音命令时P1.0, P1.7, P2.4, P2.7都应该归为高电平。

五、性能测试与应用

为了保证设计好的语音识别模块能正确进行语音识别, 并有较高的识别率, 本文对其进行了相应的测试。将已经编好的软件程序下载到语音识别模块中, 将语音模块通过USB与电脑连接, 在电脑端通过串口调试助手, 就能观察到语音模块是否能进行语音识别。为了进一步检测语音识别效果, 达到非特定人语音识别, 非特定人语音控制的目的。在实验室环境下, 选择了多个不同音色的人分别进行测试, 每个词测20遍, 表1为进行实验的非特定人语音识别记录情况。通过表1可知, 在实验室所处环境下, 语音识别模块对语音命令的识别率接近达到90%, 能进行较好的非特定人语音识别。

六、结语

在智能小车语音控制系统的研究中, 主要通过STC10L08XE单片机和语音专用识别模块LD3320来实现。使其既可以通过按键也可以通过语音命令控制车的行驶状态。从而让车与控制者之间具有一定的交互功能, 能够进行更为自然的交流以及控制。

摘要：该小车在语音和按键两种控制方式下均能实现前进、后退、左前转、右前转、左后转、右后转以及停下的功能。

关键词：遥控发射装置,语音识别,单片机

参考文献

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[4]方敏, 浦剑涛, 李成荣等.嵌入式语音识别系统的研究和实现[J].中文信息学报, 2004, 18 (6) :75~78

嵌入式智能小车的设计与实现 篇2

智能机器人已经广泛用于工业、军事、交通运输、航天航空等领域。智能小车是机器人研究领域的一项重要内容和基础,在移动方式上以轮式移动最为常见;在控制技术方面,嵌入式技术依靠其功能强、成本低、可裁减等优点,适应了工业自动化的发展要求,能很好地胜任系统的控制要求和工作任务。

1 总体方案设计

如图1所示为智能小车系统设计框图,以嵌入式为主要控制技术,由S3C2440A主控制器、红外线寻迹模块、传感器探测模块、驱动电路、直流电机、行走机构和电源等部分组成。

系统主处理器为S3C2440A,控制软件基于ARM9嵌入式环境设计,在移植Linux操作系统的基础上,基于C语言进行程序开发。

红外线寻迹模块使用反射式红外线采集路面信息,寻迹信号传送给S3C2440A主控制器,实现对黑线或白线的寻迹。CMOS摄像头用于图像的采集,S3C2440A收到图像信息后,进行图像分析、处理,通过无线网卡完成图像的远程传送、标志物形状和颜色的识别。传感器检测模块主要完成温度、距离、温度、光照、光频率的测量功能。

驱动电路实现对电机的驱动和控制,主要由AVR单片机ATmega16L处理器、电机驱动芯片L298N及相关电路构成;电机上安装的编码器,用于检测小车的速度;行走机构采用四轮结构,包括车架和四个车轮。小车车架上固定有三层电路板,从上到下依次为S3C2440A核心板、主控制器主板和驱动板。

2 系统的硬件设计

2.1 主控制器

主控制器以S3C2440A为处理器,S3C2440A采用了ARM920t的内核,0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。其低功耗、简约、全静态的设计适合于对成本和功率敏感型的应用。主控制器由核心电路板和主板两部分,核心板上设计有S3C2440A、SDRAM存储电路、Nor Flash、Nand Flash、1.25V电源电路和处理器复位电路等。

2.2 红外线寻迹模块

使用8对红外收发对管RPR-220作为路径探测传感器,8对管子呈“一”字排开作为智能小车的导航模块,安装在小车的前下端。传感器检测出路径信号后,先经电压比较器进行电压比较和整形后,再转换为数字量信号送给控制器。

2.3 CMOS摄像头

智能小车的图像采集器件选用CMOS图像传感器OV9650,直接与S3C2440A芯片内集成的Camera接口连接。OV9650为Omni Vision公司产品,像素130万,具有标准的SCCB接口,通过该接口可以设置输出图像像素的大小,输出Ycb Cr顺序、色度等参数。

2.4 传感器探测模块

传感器探测模块包括测距、测温、测光等电路。智能小车的测距采用了超声波测距法和PSD测距法。利用PSD的最大特性——位置传感特性和三角测量法,构成测距传感器。采用GP2Y0A21YK传感器,其内置LED(红外发光二极管)和PSD检测器(Position Sensitive Detector)的模块,通过改变输出直流电压输出传感器前面放置物体的距离。环境温度的测量是通过红外温度传感器TS118-3内部的热敏电阻来实现,通过外加电压将与环境温度相关的电阻信号转换为的电压信号经S3C2440A内部的A/D转换器转换为数字信号,然后通过测温程序可得到环境温度值。

2.5 驱动电路

驱动电路主要包括AVR单片机系统和电机驱动电路。

AVR单片机主要电路如图2所示,选用高性能、低功耗的8位AVR微处理器Atmega16L。

Atmega16L的第9、10引脚用于实现与S3C2440A的串行通信,实时接收S3C2440A的指令,进行一定的分析和算法处理后,从13、14引脚发出PWM信号,输出给后面的L298N为主要器件构成的电机驱动电路。第15、16引脚为Atmega16L外部中断输入口,接收来自编码器的电压脉冲信号,实现小车的速度检测。第34、35、36、37脚为AD转换输入口,电路中输入的是4个直流电机的电流反馈值。S3、R32、C22、D22等元件构成单片机复位电路。

图3为左轮电机驱动电路,主要由总线驱动电路和电机PWM驱动保护电路两部分组成,总线驱动芯片采用74HC245N,电机驱动芯片采用L298N,其最大驱动流为单组2A,电机型号为Namiki 22CL-3501PG,Atmega16L单片机通过调节PWM信号的占空比实现对电机的调速与转向。

L298的第1和15脚单独引出,接电流采样电阻器,形成电流传感信号I1、I2,通过LM358运算放大器放大后产生ADM1、ADM2模拟电压信号,送到Atmega16L中进行电流的测量和分析,便于更好控制电机的电流及速度。为保证L298N驱动芯片正常工作,在其与每个直流电机之间加入四支续流二极管(采用一体化的桥堆,即BR1、BR2),用以将电机中反向电动势产生的电流分流到地或电源正极,以免反向电动势对L298N产生损害。

2.6 电源电路

采用2组锂充电电池供电,小车运行时不需交流电源,每组锂电池的电压约12V。+5V、+12V电源都有2路,主控制器和电机驱动电路所需的电源是相互独立的。

3 系统的软件设计

系统的软件平台设计分三个层次:物理层、操作系统层和驱动任务层。物理层包括存储器分配、启动代码Bootloader编写、硬件驱动等底层软件设计;操作系统层包括Bootloader移植、操作系统Arm-Linux内核的移植和文件系统移植。驱动任务层主要包括图像识别处理策略、寻迹控制程序、温度检测策略和基于AVR单片机的电机控制程序等。

3.1 操作系统的移植及主控程序的开发

操作系统的移植包括系统启动代码、内核和文件系统的烧写。首先要搭建基于linux的嵌入式系统的开发环境。内核包含了声卡、GPIO、网卡、USB等关键的底层驱动。第二步进行Boot Loader引导程序的配置和移植。由于小车的主控制器采用ARM9嵌入式系统,通过Bootl Loader完成对主控制器电路板上的S3C2440A、SDRAM、串行口等进行初始化。小车启动时,先运行Boot Loader,再运行操作系统内核,分配内存空间的映射,正确完成硬件系统的初始化和linux的引导。

主控程序通过调用其他功能模块完成智能小车所有预设的功能。首先连接驱动函数将各功能块开启:调用驱动函数Open_camera()和Malloc_image_memory()开启摄像头并为摄像头分配内存;调用函数init_tty S()对串口进行初始化,调用函数init_motor()对电机进行,建立线程互斥pthread_mutex_init();发送并等待“启动智能小车请求”,调用子函数Startmooncar();等上位机软件发出启动月球车命令后,小车将同时完成寻迹任务、电机控制任务、图像处理任务、温度测量任务以及无线通信处理任务。

3.2 无线通信协议的开发

智能小车通过无线网卡与PC机上位机采用无线网络传输。无线网络采用标准的802.11g标准,无线接入点IP和网关由确定,如确定智能小车的IP地址为192.168.1.10,并配置好网关。通信底层协议采用标准的TCP/IP协议完成PC机上位机和智能小车通信,其中PC机作为TCP的服务器端,小车作为TCP的客户端。

在应用层通信协议上,增加ACK确认机制的通信模式来增加通信的可靠性。首先小车向上位机发送数据报文,PC收到数据报文后根据数据的内容向智能小车发送一个确认数据供小车处理。除传输图片数据外,应用层数据采用固定长度为40个字节的数据进行每次传输数据,数据不够的用0x00补满。图像采用两次通信过程来完成,第一次智能小车发出上传图像请求报文,上位机接受请求后返回接收请求数据报,智能小车收到评分系统的接收请求数据报文后发送图像数据,图像大小为宽160像素、高128像素。

3.3 电机控制程序编写

S3C2440A主控制器不直接驱动电机,S3C2440A通过串行通信方式发送命令经AVR单片机,由AVR单片机ATmega16L控制电机和处理编码器信息。AVR单片机在对直流电机的控制中,在采集电流反馈值和电机转速的基础上,采用了PID的控制算法,如式(1)所示:

其中,Kp,Ki,Kd分别为调节器的比例、积分和微分系数,e(t)是PID算法的输入,u(t)是输出。

对电机速度的控制采用增量式PID控制,AVR单片机程序根据测速系统反馈回来的左、右轮电机当前速度值和设定速度值进行比较,针对不同情况适当地改变Kp,Ki,Kd参数,进而控制输出2组PWM信号的占空比,实现调速和改变转向的作用。

4 结论

通过对智能小车的测试和实际运行,小车能通过寻迹方式行驶,运行稳定,在到达各地形标志物时,能对不同标志物进行温度、距离、光频率的测量,并通过无线网络向PC机发送数据或图像,PC机上位机上显示的温度、距离数据准确,标志物图片清晰。嵌入式智能小车各项功能的实现验证了系统软、硬件设计的可行性。使用S3C2440A嵌入式处理器和Linux操作系统增强了小车的智能化水平,确保了对智能小车运行速度和转向控制的精确性,非常适用于工业厂矿的相关物理量的数据采集和智能探测。

摘要：本文设计一种基于ARM和AVR单片机嵌入式控制技术的智能小车。介绍了智能小车的系统方案、硬件设计和软件设计。主控器以ARM9系列S3C2440A为处理器,电机驱动器以AVR单片机ATmega16L为处理器,实现小车的速度和转向控制;ARM9采用Linux操作系统,AVR单片机采用基于PID算法的C语言编程。整机调试和运行表明,智能小车实现了自动寻迹、智能避障、温度探测、图像采集、无线通信等功能,非常适用于工业厂矿相关数据采集和自动探测。

关键词：智能小车,自动探测,嵌入式,S3C2440A,PID

参考文献

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[4]Misel B.Robust and accurate global vision system forrealtime tracking of multiple mobile robots[J].Robotics andAutonomous Systems,2008,56(3):213-230.

智能小车的运行实现 篇3

智能小车可以适应不同环境, 不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响, 在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务, 适用于国防及民用等多个领域。随着科技的发展, 安卓智能手机进入大众, 如何通过安卓智能手机控制智能小车成为众多学者的研究方向。笔者以安卓智能手机为控制器, 通过蓝牙模块和逻辑电路实现小车的智能控制[1,2], 从而实现对人们所不能到达区域未知环境的探测。

2 系统总体架构设计 (Overall system architecturedesign)

以Android系统中的智能小车控制软件为基础, 以STC89C51单片机为核心。通过安装在智能手机中的APP软件来设置小车前进、后退、左转、右转、停止动作, 通过蓝牙模块把指令发送给HC-06蓝牙接收模块, 然后再传递给单片机, 单片机通过分析传递过来的指令不同, 而跳转到不同的子程序来控制电机驱动, 从而实现小车的前进、后退、左转、右转、停止等不同的动作, 进而实现对人们所不能到达区域未知环境的探测, 具体的系统结构如图1所示。

3 系统硬件电路设计 (Hardware circuit design)

3.1 电机驱动电路

智能小车电机采用L293D芯片, 它内置了与门、非门、三极管组成的两组电路, 通过控制三极管的通断就可以是电机旋转起来, 而通过控制不同三极管的导通, 电流的流向就会发生改变, 电机的转向也就会发生变化[3], 从而驱动感小车的前进、后退、左转、右转、停止。具体电路如图2所示。

3.2 蓝牙模块设计

蓝牙模块主要是为了实现手机端与智能小车端的数据传输, 通过蓝牙转串口模块实现上位机与下位机的无线通讯功能, 所以本质上使用的是单片机串口通信。本设计中采用HC-06蓝牙模块, 设置为主机, 通过接收AT指令来控制智能小车的。

3.3 电源电路设计

图3中J6为电池接口, U1为ASM1117稳压芯片, C1、C2、C3为滤波电容, D1为续流二极管, 当小车断电时, 电路板中会产生感应电流通过D1流向地端, 这样减小了感应电流对元器件的损坏。S1, S2是电池供电和USB供电的切换开关, 当S1拨到2, 4位、S2拨到3, 6位时小车由电池供电, 当S1拨到3, 6位、S2拨到2, 4位时, 小车由USB供电。VCC_Motor为电机驱动芯片电源, BLU_VCC为蓝牙通讯模块电源。

4 软件设计 (Software design)

4.1 系统主程序

智能小车主要是在单片机的控制下, 对蓝牙模块输入的信息进行分析, 进而控制电机驱动, 以达到控制小车的前进、后退、左转、右转[4]。智能小车主程序软流程图如图4所示。

4.2 手机端程序设计

在Eclipse集成开发环境下, 建立android项目工程, 工程名命名为Bluetooth-car, 选择Create Activity, 用Textview文本控件和Butten按钮控件, 布局好手机端画面, 同时为每一个控件设置一个ID, (如android:id="@+id/button1") 。然后在主程序里面编写监听程序, 当按键按下的时候, 通过监听按键的ID地址的不同, 采用switch结构, 跳转到不同的case里, 向小车蓝牙模块发送不同的数据。在程序里直接写进小车蓝牙模块的蓝牙地址, 当程序开始运行时, 将会自动搜索该地址的蓝牙芯片, 当进行过一次配对连接以后, 将会记忆该地址, 以后每次只要打开手机界面, 开始运行时就会自动进行搜索配对连接好[5]。

5 结论 (Conclusion)

该作品采用了安卓智能手机控制方式和逻辑电路设计, 整体成本极低 (约70元) , 便于实际应用。配合无线视频、音频传感器可以对危险环境监测, 例如反恐现场环境探测、有害毒气泄露场所、野外监测等。也可用于教育、娱乐等, 由于采用模块化便于升级, 可以以此为基础开发成教育机器人和娱乐机器人。整体成本极低, 便于推广, 可以获得良好的经济效益。

参考文献

[1]王林生, 等.林木温室育苗机械自动化作业平台设计研究[J].农机化研究, 2014 (12) :107-110.

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[3]秦斌.电子线路[M].北京:科学出版社, 2009.

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智能小车的运行实现 篇4

智能的出现, 为生活和生产带来了巨大便利, 是未来的发展方向。智能是指可以按照预先设定的模式在一定的环境里自行运作, 而不需要人的干预, 可广泛应用于科学勘探、工业控制、家用电器等领域。智能小车就是智能的一个简单应用, 通常具备自动避障、寻迹功能、趋光功能、检测路面状况和计算并显示行使的路程与时间等功能。智能小车大多数使用直流电机驱动, 因为直流电机可方便地使用PWM (Pulse Width Modulation, 脉宽调制) 技术进行速度控制。产生驱动智能小车的PWM信号的电路和方法有很多, 如:专用集成芯片电路、通用数字组合电路、分立元器件组成电路、单片机系统控制电路、CPLD系统等。本文提供一种国内应用相当广泛的51单片机软件实现PWM调速的方法。

2. PWM基本原理及实现方法

PWM信号可以这样来解释:将直流电压通过一个可频繁通断的开关, 输出端将产生脉冲信号, 改变开关通断的频率, 则可改变脉冲信号的占空比。在PWM直流电机调速系统中, 通过改变直流电机电枢两端电压的占空比来改变输出电压的有效值, 从而达到控制电机转速的目的。51单片机产生PWM信号则是使用定时器T0控制PWM信号的频率, 定时器T1控制PWM信号的占空比。程序中, T0工作于方式1, 因为方式1能够通过修改定时器初值得到较宽频率范围的信号, T0定时器初值的计算公式如下:

上式中fosc为单片机晶振频率, fk0为PWM信号的频率。假设单片机系统采用12M晶振, 要产生5KHz的驱动信号, 通过 (1) 式可得Xf0=65336, 转换成十六进制得Xf0=0FF38H。

使用定时器T1控制PWM信号的占空比, 采用查询方式嵌套在T0定时中断服务子程序中, 在T1定时器时段使输出端口为高电平, 其它时段输出低电平。T1定时器初值的计算公式如下:

(2) 式中Dw为占空比。假设要得到占空比为80%的5KHz的PWM信号, 由 (2) 式可得:

Xf1=65376, 转换成十六进制得Xf1=0FF60H。

单片机采用上述定时法产生驱动智能小车的PWM控制信号, 会占用整个CPU资源, 无法再使用此单片机完成智能小车诸如避障、寻迹、趋光、金属探测等功能。解决的办法是采用双CPU工作模式, 完成避障、寻迹、趋光、金属探测等功能的单片机称为主机, 专门产生PWM驱动信号的单片机称为从机 (实际使用时, 可使用相对便宜的AT89C2051) , 它们之间通过自带的串行口进行通讯。主机与从机之间的通讯是单工形式的, 主机主动发送数据、从机采用中断方式接收数据。从机程序中将串行中断的优先级设置为高, 将定时器T0的中断优先级设置为低, 增强数据接收的及时性和可靠性, 防止因执行T0中断服务子程序, 而串行中断无法响应, 导致数据丢失的情形。

3. 硬件设计

通过P1口的四位端口, 分别为P1.0、P1.1、P1.2、P1.3输出四路PWM信号, 其中P1.0、P1.1分别控制智能小车的左轮 (左边前后轮电机并联在一起, 统称为左轮, 右轮亦是如此。) 正转和反转, P1.2、P1.3分别控制右轮的正转和反转。输出的PWM信号经过光电耦合器隔离送至电机功率驱动模块。硬件设计并不难, 在此只画出系统框图, 如下图。

4. 软件设计

先将从机程序列出, 仍假设使用12M晶振, 产生5KHz的PWM信号, 其它部分程序中都有详细的注释。软件的设计要根据电机的特性, 选择最佳的驱动信号频率, 尽可能地减少噪声, 延长电机的使用寿命, 该参数可从相关手册中查询获得。

使用串行通信特别需要注意的是:主机和从机的通讯模式和波特率应一致, 如此才能确保数据传输的正确性和可靠性。

5. 结语

上述程序中, 占空比是有误差的, 并非精确的0%~100%, 因为在T1定时器置初值前有判断指令和置位指令, 但并不会影响对于占空比精度要求不高的电机正常运转。利用定时中断法可方便得到各种频率和占空比的PWM信号, 以适应各种不同的直流电机;可以根据具体情况, 将对应的接口, 如:SPI、I2C、1-WIRE的驱动程序打包嵌入程序中, 制作成模块化产品。实践证明, 51单片机产生PWM信号驱动智能小车是可行的, 小车运转稳定、可靠。

摘要：本文介绍了使用51单片机的输出端口产生四路占空比可调的PWM信号, 驱动四轮两路智能小车的软件实现方法。程序中T0定时器采用中断的方式控制PWM信号的频率, T1定时器采用查询的方式控制PWM信号的占空比;并通过单片机自带的串行口接收主机传输过来的控制智能小车运动方向和速度 (即占空比) 的信号, 方便、及时、可靠、简洁地控制智能小车的运动状态。

关键词：PWM信号,占空比,中断,查询,串行口

参考文献

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