多功能智能小車的設計與應用分析

馬志德 杜世龍 周永帥 郭繼成

（湖北大學知行學院，湖北 武漢430014）

近些年來機器人的智能水平不斷提高，隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透，而智能小車這種輪式移動機器人集合了傳感器技術和自動控制技術則可作為智能領域的代表。智能小車是一個集環境感知、動態決策、智能 控制與執行等多功能于一體的移動式機器人,由傳感器、控制器和執行器3 部分組成,可應用于自動控制、計算機技術、模式識別、工業生產等多個領域[1-3]。多樣化的功能，簡潔化的設計，便捷的操作和更高價值的應用就成了智能小車發展的必然趨勢。

1 模塊化設計

多功能智能小車的模塊化電路連接簡潔，易拆卸，同時又符合功能的多樣性。

圖1

如圖1 為整車模塊分布簡圖，該模塊化設計有別于硬件設計和程序設計，不同模塊對應不同功能。模塊之間一般由杜邦線連接，如圖2：

圖2

路段識別主要依靠攝像頭模塊，同時路段需要路和路邊的色差鮮明。攝像頭模塊中由碳纖維管支架，攝像頭及其電路板和主機板上的OLED 顯示屏組成，這類光電式傳感器具有非接觸、響應快、體積小，性能可靠等突出特點，因此在工業自動化裝置和機器人中獲得普遍應用。新的光電器件持續涌現，尤其是CCD 圖像傳感器的出現，為光電類傳感器的進一步應用開創了新的歷史紀元[4]。其實際使用時攝像頭采集到的路況會經過二值化處理后反饋在主機板（圖3）的顯示屏上，供使用者觀察調試。

圖3

在智能小車過有一定頻率電流導線通過的特殊路段時需要用上新的模塊，以實現其新的功能。紅外線模塊[4]是發送器對目標投射光線獲取光信號再轉化成電信號的一種感應方式，投射的光線普遍來源于半導體光源、吸光二極管還有紅外投射二極管。光線持續地投射，或更替脈沖寬度。同時紅外線傳感器接收到的信息反饋過后，調試模塊的核心板會根據程序設定發送電信號至伺服電機模塊，伺服電機會打指定的角度改變車輪的朝向以規避前方感應到的障礙物。

作為多功能智能小車上的兩個電機，伺服電機直接由導線連在主機板上，作用于智能小車的轉向問題。而主驅動模塊則是由步進電機、編碼器和驅動電路板（驅動電路板原理圖：圖4）組成，調試模塊錄入程序，給驅動板信號來使編碼器控制步進電機的轉速。電源模塊作為最簡單的模塊之一，同時也是多功能智能小車最主要的動力來源。圖5 為系統電源管理示圖，寫出了電源模塊中電源對各個模塊的供電關系，簡潔但又緊密相連。

模塊化的設計在程序中也有體現，[4]主程序：主要負責落實初始化任務，設定智能小車的啟動運轉形式以及調用顯示子程序等。初始化程序：主要完成各個單元清零以及設置定時器T1、外中斷0、外中斷1 等。外中斷0：主要落實按照光電測量器測量到的小汽車的位置驅動小汽車的運行。其他各個模塊都有其獨立的程序，更改數值即可調試。（以舵機程序為例：圖6）

圖4

圖5

圖6

2 應用前景

目前在國內，互聯網中小學生編程行業正處于市場啟動階段，有著較高的不確定性。標準混亂、模式粗放也是智能編程面臨的困境。智能產品建立多功能的編程、組裝、調節安裝的教學，是擺在眼前迫在眉睫的問題?；诖?，多功能智能小車可作為教學用具供師生使用，模塊化的設計，簡易的編程理念，不同程序的調試可適應不同的年齡段。

同時近些年國務院出臺的《新一代人工智能發展規劃》指出，“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣?！比斯ぶ悄苓M學校上升為國家戰略，給市場帶來切實的政策利好。

多功能智能小車作為教具幫助中小學相關師生完成智能教學產品的認知和學習使用，實現學與教一體化，促使學生從傳統的使用者身份轉向使用者加設計者地位。通過編程和模塊組建讓學生掌握的不再只是課本的理論知識，拓寬其眼界，并使邏輯創新、想象思考能力得到一定程度的提高。打破傳統教學的枷鎖，激發學生的探索、創新熱情。

作為教學用具，可同時編制一份產品說明書，讓學生在產品說明書或是老師的指導下完成對產品模塊化的拼裝，可加入更多的外圍模塊來提升智能小車的功能性，同時提升學生的創造性，又可實現自我組裝小車、更改程序、添加各種不同的感應模塊。

3 結論

多功能智能小車由使用簡潔方便的模塊組裝設計，并可以應用于教學用具行業，其政策扶持，市場需求量大，同行業同類型競爭對手極少，目標客戶多，產品內容不死板，作為科技學習類智能教具等發展前景廣闊。