Android 手機路徑規劃系統的研究與實現

馬志鵬，沈顯慶，孫啟智，陳男

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

近年來隨著傳感器技術、自動化技術等相關學科的高速發展，移動機器人技術不斷提升。智能小車作為移動機器人的一種，其研究與開發具有重要的意義[1]。目前對智能小車的研究大多停留在基本功能層面，對路徑規劃等涉及較少，在路徑規劃研究中，全局路徑規劃是移動機器人需要具備的基本能力之一，其要求根據給定地圖等先驗知識，在某些約束條件下，規劃出一條從起點到終點的無碰撞路徑[2]。基于以上研究現狀，筆者基于Android 客戶端開發平臺，設計了一款路徑規劃的智能小車控制系統，重點對環境感知及建模、路徑決策、WiFi 無線傳輸等方面進行研究。通過測試，實現了智能小車的路徑規劃功能。

1 系統硬件結構設計

智能小車控制系統硬件整體結構分為三個部分，分別為視覺傳感器、上位機及下位機。視覺傳感器選用小蟻智能攝像機來采集周圍環境信息；上位機即Android 終端，主要包括環境感知模塊、建模模塊及行為決策模塊，用來運行圖像處理、路徑規劃等程序，是整個控制系統的核心部分；下位機即智能小車，主要包括微處理器模塊、電機驅動模塊、電源模塊及智能WiFi 模塊。系統硬件結構圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構圖

2 Android 客戶端應用程序設計

2.1 環境感知與建模

環境感知是智能小車控制系統中的重要組成部分，該模塊主要接收視覺傳感器的信息。環境感知功能主要依靠視覺系統來實現，其主要由鏡頭、CCD、圖像卡、處理器等構成。本次基于Android 客戶端的智能小車控制系統采用已知環境的全局路徑規劃方法因，此將視覺系統布置于屋頂。首先，通過攝像機獲取小車所處的環境信息，將信號送入視覺系統的圖像卡并進行RGB 表色處理。然后，通過色彩空間轉換將圖像由RGB 色彩空間轉換至HIS 色彩空間，并與傳統的指定閾值分割法結合實現圖像的二值化。最后，對二值圖像進行閉操作，去除鄰近邊緣線間的空白，對重合圖像進行合并。為實現智能小車在障礙物環境下的自主運動，還需對環境感知所得到的信息建模，本文選用格柵法進行環境建模，其具有簡單、直觀等優點[3]。

2.2 基于天牛群算法的行為決策

行為決策模塊是智能小車控制系統的核心，其將環境感知和環境建模模塊所得到的全局地圖信息進行分析，為智能小車找到一條符合某種規則的最優路徑，從而實現智能小車的全局路徑規劃。本文使用天牛群算法(BSO)對智能小車控制系統的全局路徑規劃進行研究，BSO 算法參考粒子群算法的基本原理，將天牛覓食和鳥群覓食的行為特征相結合，在粒子群算法中引入天牛須搜索的概念提出[4]。該算法具有建模簡單、計算量小、收斂速度快等優點。

3 Android 客戶端與小車通信實現

本文選用基于TCP 協議的WiFi 通信作為Android 客戶端與智能小車的通信方式，WiFi 網絡中的數據傳輸借助于Socket 套接字來實現，應用程序利用套接字發送網絡請求或者對網絡請求做出應答[5]。本次設計中，端口號為2001，IP地址為192.168.1.1。智能小車系統工作時，Android 客戶端通過WiFi 與攝像頭和小車之間進行數據通信[6]，其具體通信協議如表1 所示。

表1 Android 客戶端與智能小車通信協議

4 路徑規劃模式程序設計

Android 客戶端路徑規劃程序設計流程如下：

（1）初始化STM32，設置其串口波特率與WiFi 模塊默認的一致，均為9600bps，同時設置數據位、校驗位和停止位等，監聽串口是否有數據，若沒有，則繼續等待。

（2）建立客戶端套接字Socket，使用WiFi 模塊的IP地址和2001 端口與Android 客戶端建立WiFi 連接，若Android 手機未打開WiFi，則提醒用戶開啟WiFi。

（3）Android 客戶端接收小蟻攝像機采集的環境信息，將圖像發送至環境感知模塊對其進行分析及處理，將處理好的二值圖像發送至環境建模模塊進行格柵法建模，并在此基礎上使用天牛群算法進行智能小車的路徑規劃。

（4）控制指令通過無線通信傳輸到智能WiFi 模塊，再經過串口轉發至STM32 最小系統板。其接收到控制指令后，使用switch 語句對控制指令進行解析，并按照收到的控制指令對智能小車進行控制，從而實現智能小車的全局路徑規劃。

5 實際路徑規劃測試

以天牛群算法得出的規劃路徑為對象進行測試，截取路徑圖和智能小車實際運行圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 路徑規劃測試圖

圖3 小車實際運行圖

通過對智能小車實際路徑規劃進行測試，可以看出Android 客戶端應用程序對于智能小車路徑規劃的正確性及合理性，達到了預期的控制要求。

6 結束語

本文基于Android 客戶端開發平臺，設計了一款智能小車路徑規劃系統。重點對環境感知、環境建模、路徑決策、WiFi 無線通信等方面進行研究，利用Matlab 軟件進行仿真并通過實驗驗證了本作品的準確性和可行性，后期可以與目前流行的智能家居、物聯網技術相結合，應用領域廣闊，具有重要的現實意義。