智能探險車控制系統的設計與實現

李 罡，劉 庶，張慧杰，趙夢冉

（白城師范學院 機械與控制工程學院，吉林 白城 137000）

0 引言

智能探險車的研究、開發和應用涉及傳感技術、電子技術、機械技術和智能控制技術等.智能探險車可以按照預先設定的程序，在某一環境中自主運行，可應用于科學勘探等領域，無需人為操控便可達到預期目標，將會是今后社會發展需求的一個新方向.智能機器人能夠做很多事情，凡不適合由人直接完成的任務，均可由機器人來代替，并且不受溫度、濕度等條件影響.尤其是在一些危險或惡劣的環境條件下工作，人類無法介入特殊情況下的任務，智能探險車就可以發揮它的作用.但目前這些方面的開發利用還不夠完善，仍有許多地方等待著去開發研究.智能探險車作為一種應用型人工智能產品，它的開發前景非常巨大，相當于一個平臺，可以在它的基礎上搭載任何想要實現的功能.因此，設計一款多功能的、適應各種地形、各種場合的智能探險車，無論對于軍事領域、科研領域還是生活領域都具有非比尋常的意義［1］.

1 系統硬件開發

1.1 總體設計

智能探險車的主要功能是輔助進行掃雷、探測、偵察，并具有GPS導航功能，能夠根據設定的路線進行勘測，同時能夠自動規避障礙物.智能探險車采用了多種類型傳感器，通過STM32 單片機進行控制，硬件系統主要包括主控模塊、驅動模塊和傳感器檢測部分等.本設計的研究內容是在目前智能小車基礎上進行改進和完善，讓它能夠應用在多個領域，使探險車的工作效率更高，安全性更加有保障，完成掃雷、探測、偵察等一系列危險的工作任務［2］.本設計的智能探險車系統結構框圖如圖1所示.

圖1 智能探險車系統結構框圖

1.2 主控模塊

采用STM32F407單片機作為主控系統，STM32是32位微控制器，內部時鐘系統強大，外部中斷和定時器豐富便于控制，相比51 系列單片機，其運行速度更快，外設更加強大.能夠實現對各個元器件的精準控制和接收處理器件反饋的外界信息，這對智能探險車的正常運行起著關鍵作用，因為智能探險車要實時精準監測外界環境，從而進行相應的動作應答［3］.

1.3 驅動模塊

系統驅動部分采用TB6612FNG電機驅動模塊來驅動電機.該電機驅動模塊可以同時對兩個直流電機進行雙向控制，有較強的輸出能力，在運行性能和能耗方面也有一定優勢，具有集成度高、體積小、高效率和高性能的特點.本探險車采用四輪驅動，保證了足夠的動力，通過調節輸入TB6612FNG 的PWM信號進行直流電機的調速，從而實現探險車基本的直行、轉彎、后退運動功能［4］.

1.4 避障模塊

避障模塊采用US-100 超聲波測距模塊進行測距避障.該避障模塊可自行設置探險車的避障距離，探險車與障礙物之間距離小于避障距離時進行避障，并具有GPIO、串口等多種通訊方式，集成看門狗功能，性能穩定、工作可靠.給輸入/輸出口TRIG至少一個10 μs的高電平信號，模塊會自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，然后輸入/輸出口ECHO 會輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間.從而利用如下公式計算出與障礙物的距離：

其中：d 表示探險車與障礙物的距離；t 表示高電平時間；v 表示聲速（v 的取值為340 m/s）.根據測出與障礙物的距離，實現單片機對探險車運動的控制及避障.

1.5 GPS導航模塊

智能探險車需要具有自主導航功能，能夠根據設定的路線進行勘測，通過GPS 導航，可以實現在地圖中放置坐標點建立小車行駛路徑，小車啟動GPS智能導航后，根據地圖中建立的行駛路線自動導航行駛.因此，選用ATK1218-BD GPS 北斗雙模定位模塊定位更快、更精準，該模塊自帶備用電池，可保存星歷數據，掉電后重新上電，可在幾秒內恢復定位［5］.

1.6 攝像模塊

探險車可實時觀測周圍環境，向監控終端回傳圖像信息.因此，采用市面所售的無線迷你型攝像機，體積小，安裝簡單，通過手機可實時觀察未知的環境進行安全探測.同時，不需要網絡也可實時拍攝，解決了戶外探險無網絡的難題.其帶有夜視功能，當探險車進入未知洞穴也能夠清晰觀測內部環境.將攝像頭安裝在自由度為2 的舵機臂上，彌補了攝像頭只能180°攝像的不足，通過遙控進行舵機的轉動，實現360°無死角觀察.

1.7 顯示模塊

顯示模塊采用IIC通訊OLED液晶屏模塊，功能強大，能夠顯示探險車的行車信息，引腳少，便于布線.

1.8 機械裝置

現有的一些智能車作業工作范圍有限，往往只能在一些坡度較小、地勢平緩的地帶進行作業，遇到山高坡陡、險峻的地勢就只能由人來完成.為了能更好地適應多種地形，在車身上安裝了機械裝置，能夠翻越陡坡，越過窄溝，彌補以往智能小車只能在比較平坦地勢作業的不足.機械裝置由機械臂構成，能夠模擬人手臂攀爬的動作在一些復雜地形上進行工作［6］.

2 系統軟件設計

2.1 主程序模塊

本系統通過撥碼開關來選擇運行程序.當撥到開關1運行GPS自主導航行駛功能，按照規劃好的路線行駛，在地圖中放置坐標點建立小車行駛路徑，小車啟動GPS 智能導航后，根據地圖中建立的行駛路線自動導航行駛，若沿途遇到障礙物，小車會自動規避障礙物，然后繼續按建立的路徑行駛.當撥到開關2可手動遙控行駛［7］.系統主程序流程圖如圖2所示.

圖2 主程序流程圖

2.2 避障程序模塊

US-100 超聲波測距模塊價格低廉，并且能夠較準確測量與障礙物之間的距離，避障程序模塊采用的US-100超聲波測距模塊，可根據聲波測距原理來實現避障，其工作流程圖如圖3所示.

圖3 超聲波避障子程序流程圖

3 制作安裝與調試

基于STM32設計的智能探險車采用了多種模塊，在制作智能探險車初期是對每個模塊進行單獨調試.只有在確保每個模塊都能正常工作并完成指定任務的前提下，才能進行總體設計與聯調.每個模塊都需要軟件和硬件的互連，以確保模塊的正常運行并執行分配給它的功能.主要包括硬件部分調試、軟件部分調試和整機調試等幾個方面［8］.

3.1 硬件部分調試

3.1.1 硬件焊接

單片機的硬件焊接相對來說比較簡單，但在焊接過程中的一點小失誤就可能造成系統無法正常工作，給后面的調試檢測環節帶來不便，而且還要注意焊點之間不能相連，否則可能導致硬件被燒壞.

3.1.2 硬件調試

首先實現的是要讓小車能夠正常行駛，然后逐個調試其他器件，確保功能都可以實現.讓探險車通過GPS 自動導航規劃路線是一個難點，往往不能按照指定的路線行駛，坐標易偏移，可以通過數據源轉換，更換精度更高的GPS模塊來解決問題.

3.2 軟件部分調試

軟件部分調試主要完成了對超聲波模塊輸入/輸出信號的處理計算進行避障，對小車進行調速，GPS的路徑規劃，經過不斷的程序測試達到良好的調試效果.

3.3 整機調試

智能探險車聯調是一個繁雜的過程，為更接近于室外探險環境，需要在室內鋪設復雜地形.由于地面環境復雜，探險車在行駛過程中時常會出現上不去陡坡、GPS信號丟失等問題.因此，需要不斷進行程序優化，不斷改變相應的硬件及軟件，使硬件和軟件可以很好地配合，經過多次實驗測試才使得探險車在場地內正常行駛，最終實現相應的功能.設計并組裝完成后的智能探險車實物如圖4所示.

圖4 智能探險車實物圖

4 結語

經過設計與調試，本智能探險車最終實現四個功能：（1）可以遙控探險車行駛，人為遙控想要到達的指定地點進行工作；（2）當探險車遇到障礙物后可以自動轉向，然后按照規劃好的路徑行駛；（3）探險車遇到陡坡時可通過機械臂越過；（4）通過GPS導航，可以實現在地圖中放置坐標點建立小車行駛路徑，小車啟動GPS智能導航后，根據地圖中建立的行駛路線自動導航行駛.

智能探險車采用光、電、無線通信等技術進行綜合設計，采用多種類型的傳感器，通過STM32 單片機進行控制，實現了智能探險功能.智能探險車工作效率高、安全性能好，能夠應用于多個領域，可以完成掃雷、探測和偵察等一系列危險的工作任務.