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一种嵌入式的智能小车无线控制系统及其控制方法

2021-02-14 10:06:47

一种嵌入式的智能小车无线控制系统及其控制方法

  技术领域

  本发明涉及智能小车控制领域,尤其是涉及一种嵌入式的智能小车无线控制系统及其控制方法。

  背景技术

  智能小车与人类工作相比具有安全可控,成本低廉等优点,无线控制的轮式机器人还可以于各种各样的领域,如国防,航空航天,工业以及一些服务型的产业当中。

  智能小车控制系统包括软件与硬件,硬件是指智能小车的组件(如电机、电池、传感器等),软件指的是通过编程对智能小车进行控制以实现某些功能(如行走、摄影,测距、避障等),并且,通过在硬件上加入一些器件和在软件上加入可以执行相应的功能的编程,可以使智能小车具有更多的功能。

  目前的智能小车系统技术主要有以下几种:

  1、基于ROS系统智能小车控制技术

  ROS是机器人操作系统(Robot Operating System)的英文缩写,包含了大量的工具软件、库代码和约定协议,旨在简化跨机器人平台创建复杂、鲁棒的机器人行为这一过程的难度以及复杂度。ROS的原型源自斯坦福大学的STanford Artificial IntelligenceRobot(STAIR)和Personal Robotics(PR)项目。ROS提供一些标准操作系统服务,例如硬件抽象,底层设备控制,常用功能实现,进程间消息以及数据包管理。ROS是基于一种图状架构,从而不同节点的进程能接受,发布,聚合各种信息(例如传感,控制,状态,规划等等)。

  目前ROS已经应用于:KEBA的控制器已经支持ROS;美国NASA基于ROS开发的Robonaut 2已在国际空间站里工作;百度apollo无人车的底层是基于ROS开发的。

  基于ROS系统的智能小车拥有强大而灵活的机器人编程框架,从软件构架的角度说,它是一种基于消息传递通信的分布式多进程框架。基于ROS本身是消息机制,开发者可以根据功能把软件拆分成各个模块,每个模块负责读取和分发消息,模块间通过消息关联。

  2、基于蓝牙控制的智能小车控制技术

  蓝牙,是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。

  蓝牙作为一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备间的短距离数据交换。当今汽车车载蓝牙应用范围越来越广,移动智能手机也给人类的生活带来了便利。当前蓝牙使用范围极其广泛。在汽车领域的应用有:蓝牙免提通讯,利用手机作为网关,打开手机蓝牙功能。只要手机在距离车载免提系统的10米之内,都可以自动连接,控制车内的麦克风与音响系统,从而实现全双工免提通话;车载蓝牙娱乐系统,利用汽车内部麦克风、音响等,播放储存在u盘中的各种音频以及电话簿等,还增添了流行音乐等播放功能;汽车蓝牙防盗技术,若汽车启动设防状态,蓝牙感应将会自动连接车主,一旦车辆状态发生改变,将会自动报警。在工业生产的应用:技术人员对数控机床的无线监控;零部件磨损程度的检测。在医药领域的应用:诊断结果输送,以蓝牙传输设备为依托,将医院诊断结果及时输送到存储器中。利用电子装置及时传输诊断结果,提高医院诊断效率,确保诊断结果数据准确;病房监护,一旦病人有什么突发状况,利用病床终端设备发出信号,蓝牙技术以无线传送的方式将其传输到病房控制器中。

  现有技术存在如下缺点:

  1、基于Ros系统的智能小车系统实时性较低

  2、蓝牙技术传输距离有限;数据传送速率较低;不同设备间协议不兼容;需要本地数据记录,以确保数据不间断可用。

  发明内容

  本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实时性好、传输距离长的嵌入式的智能小车无线控制系统及其控制方法。

  本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:

  一种嵌入式的智能小车无线控制系统,用于对智能小车进行无线控制,所述智能小车无线控制系统包括处理器、红外传感器、摄像头和WiFi信号发射器,所述处理器、红外传感器、摄像头和WiFi信号发射器均连接所述智能小车,所述处理器分别连接所述红外传感器、摄像头、WiFi信号发射器和所述智能小车的电机;

  所述处理器基于所述红外传感器和摄像头传输的数据,并通过所述智能小车的电机,进行自动避障;所述处理器通过所述WiFi信号发射器进行无线数据传输。

  进一步地,所述处理器采用脉冲宽度调制法对所述智能小车的电机进行驱动控制。

  进一步地,所述处理器为STM32F103RCT6单片机。

  进一步地,所述红外传感器包括发射管、接收管和比较器,所述发射管用于发射红外线,所述接收管用于接收所述红外线的反射信号,所述比较器对所述红外线及其反射信号进行比较处理,生成一个低电平信号传输至所述处理器。

  进一步地,所述处理器对所述摄像头传输的信号进行处理后,通过TCP协议,利用所述WiFi信号发射器进行信号传输。

  进一步的,所述处理器通过所述WiFi信号发射器连接有移动终端。

  进一步地,所述处理器通过所述WiFi信号发射器连接有手机App。

  进一步地,所述智能小车的左右两侧均设有所述红外传感器。

  进一步地,所述智能小车的四周均设有所述红外传感器。

  本实施例还提供一种如上所述的一种嵌入式的智能小车无线控制系统的控制方法,包括以下步骤:初始化整个所述智能小车无线控制系统,通过所述摄像头和所述WiFi信号发射器进行视频数据的采集与传输,根据所述红外线传感器传输的数据,驱动所述智能小车的电机进行循环避障。

  进一步地,所述智能小车的左右两侧均设有所述红外传感器,所述根据所述红外线传感器传输的数据,驱动所述智能小车的电机进行循环避障具体为,若所述智能小车左侧的红外线传感器检测到信号,驱动所述智能小车的电机,带动所述智能小车右转;若所述智能小车右侧的红外线传感器检测到信号,驱动所述智能小车的电机,带动所述智能小车左转。

  与现有技术相比,本发明具有以下优点:

  (1)本发明采用双传感器来代替单传感器的自动避障功能,可以更好地确认小车前方障碍的方位,从而更好的完成小车的避障功能,而单传感器无法准确的确认小车前方是否含有障碍,且应对方案相对单一;

  蓝牙作用范围有限,在距离过长的时候,会出现手机App无法控制小车以及手机无法接收视频信号。在结合WiFi后,可使该智能小车的控制距离大大增强,也可以通过增强WiFi连接的信号强度来达到更高的视频传输速度,从而达到更好的实时性。

  (2)智能小车通过WIFI传到手机App上的视频实时性较好:目前WIFI已非常成熟,家用WIFI一般分为54M、150M、300M以及450M的无线路由器等等,小车通过WIFI向手机传输画面的传输率非常快,满足高清视频乃至4k视频,因此小车配备的高清摄像头传输视频的实时性很好。

  (3)智能小车可以达到自动避障,且灵敏度较高:小车采用红外避障的成熟方案,利用红外传感系统快速检测前方障碍物,并且通过stm32单片机控制舵机从而转向达到避障的效果;并且本小车采用动态稳定技术而搭载两轮驱动,灵活性好。

  (4)小车配件都为市面上常见标准配件,会大大提高产率,装配方便。

  (5)小车配套手机端APP安装快捷,操作方便:手机端app控制系统安装后只需要与小车wifi连接即可使用,并且配套的app有虚拟键位,能够完成一系列操作。

  附图说明

  图1为本发明智能小车无线控制系统的控制方法主程序流程图;

  图2为电机驱动程序流程图;

  图3为红外线循环避障程序流程图。

  具体实施方式

  下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

  实施例1

  本实施例提供一种嵌入式的智能小车无线控制系统,用于对智能小车进行无线控制,智能小车无线控制系统包括处理器、红外传感器、摄像头和WiFi信号发射器,处理器、红外传感器、摄像头和WiFi信号发射器均连接智能小车,处理器分别连接红外传感器、摄像头、WiFi信号发射器和智能小车的电机;

  处理器基于红外传感器和摄像头传输的数据,并通过智能小车的电机,进行自动避障;处理器通过WiFi信号发射器进行无线数据传输。处理器为STM32F103RCT6单片机。

  处理器采用脉冲宽度调制法对智能小车的电机进行驱动控制。

  处理器对摄像头传输的信号进行处理后,通过TCP协议,利用WiFi信号发射器进行信号传输。处理器通过WiFi信号发射器连接有手机App。

  红外传感器包括发射管、接收管和比较器,发射管用于发射红外线,接收管用于接收红外线的反射信号,比较器对红外线及其反射信号进行比较处理,生成一个低电平信号传输至处理器。智能小车的左右两侧均设有红外传感器,也可以在智能小车的四周均设置红外传感器。

  下面对红外传感器、WiFi信号发射器和处理器分别进行详细描述。

  1、红外传感器

  红外线传感器是利用红外线进行数据处理,红外线具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外线传感器包括光学系统,检测元件和转换电路。红外线传感器常用于无接触温度测量,气体成分分析和无损探伤,在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图,可以发现温度异常的部位,及时对疾病进行诊断治疗;具有红外传感器的望远镜可用于军事行动,林地战探测密林中的敌人。

  红外传感器的优点主要有结构简明,实现方便,成本低廉,反应灵敏,便于近距离路面情况的检测,抗干扰能力强,不会因为周围环境的差别而产生不同的结果。

  智能小车采用红外传感器来检测前方障碍物情况,避障功能是通过发光二极管通电后发射出红外光,碰到障碍物后,红外光被遮住或有部分红外光被反射回来,红外接收二极管接收反射回的红外光线,得到相应的电信号,再与发送出去的信号进行对比,来确认是否有障碍,进而做出相应的反应。

  2、WiFi信号发射器

  Wi-Fi,在中文里又称作“行动热点”,是Wi-Fi联盟制造商的商标做为产品的品牌认证,是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。Wi-F技术与蓝牙技术一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。与蓝牙技术不同的是,WiFi比蓝牙范围大,一般来说蓝牙耳机连接手机的使用有效距离可以达到10米,且WiFi比蓝牙传输数度更快,由于手机的应用,当前WiFi已经与人们的生活密切相关,现如今生活中几乎处处都有WiFi信号,结合5G与物联网的发展,WiFi在人们的生活中的应用也将越来越广泛。

  小车上带有小型WiFi信号发射器,手机App可以通过WiFi进行控制小车移动,同时,也可以实时地用手机看到小车上所带有的摄像头拍摄到的图像。

  3、处理器

  处理器为STM32F103RCT6单片机,主要由电源模块、循迹模块、避障模块、显示模块等组成的。STM32核心控制器通过对各个模块的控制来完成各项功能。

  使用STM32F103RCT6单片机作为控制核心,智能小车能够实现避障行走,防摔,巡航,跟随行走等功能。通过无线通信连接,智能小车所拍摄的信息可以通过无线模块发送到App上显示,App端可以实现对智能小车的控制。

  该系统设计核心采用的是STM32F103RCT6单片机,STM32F103RCT6是意法半导体公司推出的一款32位单片机,其采用的内核为ARMCortex-M3。使用64K或128K字节的闪存程序存储器;高达20K字节的SRAM时钟、复位和电源管理,最高可以达到72MHz工作频率。存储器的等待周期访问时速可以达到1.25DMips/MHz,具有单周期乘法和硬件除法。芯片集成定时器,ADC模数采样,CAN总线通信,SPI串行外设接口,USB通用串行总线,UART异步收发传输器等多种功能模块。功耗低,且具有3种模式,分别是睡眠、停机和待机。

  本实施例还提供一种如上的一种嵌入式的智能小车无线控制系统的控制方法,包括以下步骤:初始化整个智能小车无线控制系统,通过摄像头和WiFi信号发射器进行视频数据的采集与传输,根据红外线传感器传输的数据,驱动智能小车的电机进行循环避障。

  智能小车的左右两侧均设有红外传感器,根据红外线传感器传输的数据,驱动智能小车的电机进行循环避障具体为,若智能小车左侧的红外线传感器检测到信号,驱动智能小车的电机,带动智能小车右转;若智能小车右侧的红外线传感器检测到信号,驱动智能小车的电机,带动智能小车左转。

  基于上述控制方法的执行步骤,本实施例智能小车无线控制系统的控制方法的软件设计包括主程序的设计、电机驱动程序设计、红外线循环避障程序设计、无线视频采集程序设计。

  下面对各程序分别进行详细描述。

  a、主程序的设计

  系统主程序主要完成相关子程序调用和相关初始化操作,在开启电源后,启动初始化系统程序,判断是否需要中断避障,若是需要发生避障中断时,执行避障子程序。在执行完子程序后,发送电机控制信号。主程序流程图如图1。

  b、电机驱动程序设计

  智能小车的电机驱动主要是对驱动芯片的相关操作,运用PWM调速方法完成对电机进行驱动控制。脉冲宽度调制(PWM)能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。电机驱动程序流程图如图2。

  c、红外线循环避障程序设计

  本次设计中的红外线避障模块选用的红外线避障传感器由发射管与接收管组成的,发射管发射红外线,当红外线检测到障碍物时,接收管接受到红外线的反射信号,经过比较器与发射管相比较后,输出一个低电平信号送给单片机。红外线循环避障程序如图3。

  d、无线视频采集程序设计

  无线视频采集主要作用于摄像头,在主程序发出开启摄像头进行采集数据后,启动摄像头。摄像头的工作原理是景物通过镜头生成的光学图像,然后将图像投射到图像传感器表面上,将其转为电信号,经过A/D数字图像信号,再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理,再通过TCP协议利用WIFI无线路由器连接的信号发送到手机App显示界面上显示出来。

  本实施例所提供的系统具有一定的先进性、可靠性、可行性。传统的智能小车一般是利用红外传感器进行避障,但是这样的避障可能会存在避障死角。这款嵌入式小车采用的是双传感器进行避障,减少了避障的死角,智能摄像头可以进行自动360°无死角检测小车周边的环境,选择一条最佳无障碍路线,配合红外传感器进行自动避障。

  现有的小车主要是由蓝牙或者红外等通过专用的遥控器遥控,而本小车具备自动避障功能,同时小车在原有的基础上创造性的增加WiFi控制系统和搭载高清摄像头,并编程出与之配套的手机端操作app,能够在手机端通过app内置的虚拟键控制小车直行、后退、转向、拍照等一系列的操作,方便快捷。

  本小车程序为C语言编程的ATM32单片机小车,C语言技术和ATM32单片机都为非常成熟的技术,可实现性好。

  以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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