智能避障小車系統設計研究

周濤

（電子科技大學成都學院工學院，四川成都,611731）

0 引言

在大數據時代背景下，每個人的生活方式和習慣都受到了巨大影響，智能設備逐漸豐富我們的生活，在餐廳、酒店、醫院、辦公樓、快遞站等地方，智能避障小車的使用也更加普及。智能避障小車系統在傳統避障小車設計基礎上，增加各種不同類型的傳感器，采用物聯網方式設計，增加OTA功能，以滿足不同場所、不同使用環境的需求，提高避障能力。

根據產品功能設計理論，智能避障小車的功能方法主要包括：自動避障設計、聯網在線升級設計以及多傳感器聯合避障設計等。從上述三個方面的設計綜合結果來看，采用多角度設計的智能避障小車，能夠實現自動避障、語音報警、圖像處理以及在線升級等信息交互功能，智能避障小車的外形通常需要根據應用場合設計，例如具備防水功能的水下探測避障小車；兼顧貨物運輸的運輸避障小車；輔助盲人的輔助避障小車等。綜上所述，就常用的避障小車來說，以特定的受眾對象為基礎，功能單一，早已無法滿足市場需要。采用三種設計方法綜合得出的設計方法，通過多角度進行設計，可以明顯提高避障小車的避障能力，還可以非常直觀地表達設計師的理念，而且具有良好的市場前景和經濟價值。

1 智能避障小車系統方案設計

系統主控芯片基于STM32F4平臺，智能避障小車系統完成的主要功能是能夠自動駕駛或按照指定路線駕駛，實現循跡、自動避障、自動復位駕駛、語音提示播報、聯網升級等功能。能夠在道路中穩定行駛，且在檢測到岔路、障礙物時能按程序設計進行正確操作。

傳感器采用紅外傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、雷達傳感器、攝像頭模塊等傳感器獲取周圍環境、障礙物的信息，經過相關算法計算，對小車的運動方向和運行速度進行精確控制。對整個智能避障小車系統的硬件進行設計制作、軟件進行設計和程序的編寫以及程序的調試，軟硬件聯合調試最終完成軟件和硬件的融合，實現智能避障小車系統的目標功能。智能避障小車系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.1 硬件選型方案

系統設計中，硬件選型方案的關鍵部分為主控芯片、攝像頭模塊、WIFI通信模塊。

主控芯片采用STM32F429IGT6嵌入式單片機。擁有1024K FLASH，256K SRAM，176個引腳，容量大。芯片內嵌資源豐富：8個串口，3個ADC共24通道，16個定時器，2個DAC通道，2個CAN總線，全速USB OTG1個，DCMI攝像接口等，能夠滿足設計需求。

WIFI模塊采用ATK—ESP8266。模塊與主控芯片使用串口建立通信，內部設置有TCP/IP協議棧，能夠建立WIFI與串口之間的通信。模塊擁有串口轉WIFI STA功能、串口轉AP功能、WIFI STA+WIFI AP功能，實現快速建立串口轉換WIFI的數據傳輸通道的功能。模塊還以接入云服務器，實現遠端遠程管理，在線下載固件程序、聯網升級等功能。WIFI模塊實物圖如圖2所示。

圖2 WIFI模塊正反視圖

攝像頭模塊采用OpenMV4 H7攝像頭模塊。該模塊采用Cortex-M7處理器，擁有480MHz主頻，1M RAM，2M Flash，其中的單個SPI總線速度就可以達到54Mbs，能夠把圖像流采集數據傳輸給LCD擴展板或WIFI擴展板或其他主控制器。

2 功能設計方案

智能避障小車系統程序分為三層，分別為：用戶層、中間層、硬件層。在硬件層固定的情況下，編寫程序改變中間層算法、程序、設計思路，充分發揮中間層的作用，對多種復雜環境，不同的應用場景、使用需求建立數學模型，建立數據庫文件，充分發揮中間層的作用，實現對不同用戶層的程序支撐，達到應對多種應用場景、使用環境、使用需求的要求。智能避障小車系統程序運行結構圖如圖3所示。

圖3 智能避障小車系統程序運行結構圖

2.1 自動避障設計

采用避障小車系統搭載的硬件傳感器與軟件相互配合，設計實現當遭遇障礙物時能夠有效躲避障礙物的預期功能。

2.2 聯網在線升級設計

利用系統搭載的硬件ATK—ESP8266 WIFI模塊與云端服務器結合，配合不同的應用場景下建立的數學模型、數據庫，篩選對應的使用環境，下載匹配的固件版本，升級最新版本的固件，實現OTA在線升級功能，實現有效應對不同的使用環境，滿足不同工作的使用需求。同時，當程序算法更新/進一步提升后，能夠及時上傳安裝到硬件端，大大節約了時間。

智能避障小車系統實現OTA（空中下載技術）的功能，需要云端服務器與客戶端兩種設備相互配合。可以有一個或多個云端服務器，可以有一個或多個客戶端。云端服務器通過串口建立通信通道與PC機連接，將需要下載的升級文件儲存在PC機內，相應的機制給服務器發送相關命令及鏡像文件。

工作過程簡述：相應的機制操縱云端服務器，發送最新可用的鏡像文件，客戶端在接收到文件后會進行分析、判別、甄別，如果存在與客戶端相匹配的鏡像文件，客戶端就向云端服務器請求數據。云端服務器收到請求指令后向相應的機制索取固定大小的文件，再點對點、線對線、面對面的傳送鏡像文件給客戶端。鏡像文件發送完成后，客戶端需要進行校驗，校驗完成后會返回一個結束信號到云端服務器，云端服務器關閉鏡像文件傳輸通道。

在智能避障小車系統設計中，主要采用OTA中的基于瀏覽的方式和推出的方式兩種方式進行數據交互。

（1）基于瀏覽的方式。客戶端訪問云端服務器，查找服務器內應用菜單，根據客戶端需要利用網絡從后臺訪問云端服務器，并下載其中相應的數據到客戶端。用戶可以根據需要，下載需要的功能的數據包，下載采用WIFI的方式傳輸，傳輸速率更高，順應大數據時代的發展趨勢。隨著5G技術的普及，移動終端設備需要與云端服務器交互速度將更加快速。

（2）推出的方式。智能避障小車系統可以根據功能類別、市場需求，通過信息或郵件方式向客戶端用戶發送新功能數據下載的鏈接通知推送服務，客戶端通過該消息的信息提示進行相應操作，就可以實現遠程數據更新、程序更新。這種方式比傳統PC端有線下載方式更加操作簡便、升級流程簡單，與其他交互方式相比，減少網絡資源消耗，降低了客戶端與網絡數據的頻繁往來。

綜上所述，采用OTA能夠完成修改節點上運行的系統程序的任務。云端服務器能夠向客戶端發送程序鏡像文件，然后由客戶端內部簡單短暫的響應之后，鏡像程序將覆蓋更新原來的程序。新的鏡像升級文件通過無線下載存儲到空閑空間，要求客戶端的存儲空間可同時容納新的鏡像文件程序和當前運行程序。云端服務器、客戶端運行流程圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 云端服務器運行流程圖

圖5 客戶端運行流程圖

2.3 多傳感器聯合避障設計

利用系統搭載的不同類型傳感器完成檢測：

（1）紅外傳感器感應周圍環境中障礙物輻射的紅外線，進而返回相應的數據，為智能避障小車系統的軟件運行提供相關的數據支撐。

（2）超聲波傳感器在運行時會發射出超聲波，分界面或雜質會讓超聲波出現反射現象，形成反射回波，超聲波傳感器的返回值經過一定計算能精準反應障礙物到檢測點的距離，進一步提升智能避障小車系統的避障精度、靈敏度。

（3）毫米波雷達傳感器在運行時，可以進行連續的全方位掃描，掃描頻率快，范圍以圓形呈放射狀。它的體積更小、集成度更高、空間分辨率更高。它比攝像頭傳感器、激光傳感器、紅外傳感器等光學傳感器，穿透煙、霧、灰塵的能力更強，抵抗干擾的能力更強，具有全天候(雷暴天氣等極端惡劣天氣除外)全天時的特點。

（4）攝像頭傳感器能夠對障礙物進行圖像識別，通過OTA升級存在云端的識別算法和模型，同時云端數據可以不斷更新更先進的算法和模型，故能不斷提高障礙物的判斷效率和準確率，有效減少誤判/錯判的幾率，提高智能避障小車系統的避障能力。數據交互測試數據如表1所示。

表1 OTA數據交互測試數據

3 結論

在智能避障小車系統的設計中，通過自動避障設計、聯網在線升級設計以及多傳感器聯合避障設計等設計角度綜合分析得出的設計方案，研發、設計、制造出的智能避障小車系統在傳統避障小車的基礎上，解決了功能單一、避障靈敏度等問題，利用多種類似的傳感器進行信息采集測量，配合大量的數據分析，有效提高了避障小車的精度、靈敏度以及避障能力，擴寬了智能避障小車的應用場景，滿足了目前的市場需求。