5G遠(yuǎn)程遙控智能車的路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

高海軍 王東成 鐘奇 梁瑞

摘要：為了方便人們遠(yuǎn)程購物，設(shè)計(jì)5G遠(yuǎn)程遙控智能車，著重于其路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)。自動(dòng)識(shí)別設(shè)置路線，然后根據(jù)路線走向，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。智能車以AT89C51?單片機(jī)作為系統(tǒng)控制處理器;采用紅外傳感器獲取路線的信息，再進(jìn)行對(duì)車的速度和方向的控制。此外，對(duì)整個(gè)控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序的編寫以及程序的調(diào)試，并最終完成軟件和硬件的測(cè)試融合，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：智能車;遠(yuǎn)程遙控;路徑規(guī)劃

1.引言

為了方便人們遠(yuǎn)程購物，設(shè)計(jì)5G遠(yuǎn)程遙控智能車。利用紅外發(fā)射管和接收管模塊對(duì)路面軌跡進(jìn)行檢測(cè)，將接收到的軌跡信息傳送到單片機(jī)中，然后調(diào)用PWM調(diào)用函數(shù)，改變左右PWM占空比，控制電機(jī)速度，然后去控制方向，最終實(shí)現(xiàn)智能小車按照路面上的預(yù)定軌跡進(jìn)行行駛。

2.主要內(nèi)容

路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)主要包括初始化階段和按預(yù)定軌跡自動(dòng)行走兩個(gè)階段。智能車能夠根據(jù)路徑設(shè)計(jì)自動(dòng)識(shí)別設(shè)置路線，然后根據(jù)路線走向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定的行駛。智能車以AT89C51?單片機(jī)作為系統(tǒng)控制中心，采用紅外傳感器獲取賽道的信息，通過調(diào)用PWM調(diào)用函數(shù)，改變左右PWM占空比，控制電機(jī)速度，來對(duì)小車的方向進(jìn)行控制。此外，經(jīng)過對(duì)整個(gè)控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序的編寫以及程序的調(diào)試，完成軟件和硬件的測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)車的自動(dòng)尋跡行駛功能。安裝WIFI視頻傳輸模塊，采用Openwrt視頻攝像頭WiFi模組套件，在WiFi板上運(yùn)行mjpg-streamer程序可以把USB攝像頭的視頻進(jìn)行編碼，然后通過WiFi返回給上位機(jī)，可以清晰看到智能車行走路徑。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3.遙控模塊設(shè)計(jì)

遙控模塊采用HS10-PWM遙控接收器。

（1）遙控器工作電壓：DC?2.8V-3.3V（安裝使用2節(jié)?1.5V?5號(hào)電池）

（2）接收主板工作輸入電壓范圍：DC?6.0V-12V?（請(qǐng)使用動(dòng)力型鋰電池，根據(jù)馬達(dá)的電壓和功率選擇適配的電源設(shè)備）

（3）接收主板工作輸出電壓電流：5路輸出/每單路輸出電壓和電源輸入電壓相同，其中2個(gè)搖桿為電位器油門比例調(diào)速控制原理，控制接收板對(duì)應(yīng)的4路輸出的電壓由低拉高來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速;每單路輸出最大峰值電流7A，最大持續(xù)負(fù)載電流4A;

（4）遙控頻率：2.4GHZ

（5）實(shí)測(cè)遙控距離：30-50米（接收板裸露，天線堅(jiān)起離地高度10厘米，寬敞地面實(shí)測(cè)遙控距離，加裝信號(hào)增強(qiáng)器后遙控距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到500米）;

裝上電池打開開關(guān)，遙控器的紅色指示燈開始閃爍，表示信號(hào)等待連接中;把接收板的電源線連接好并通電，打開開關(guān)，接收板的電源指示燈亮，遙控器紅燈急閃2下后熄滅，表示對(duì)頻連接成功，然后就可以開始使用了，按下遙控器的操作桿和按鈕，就能控制接收主板相對(duì)應(yīng)電路輸出電壓。

4.WIFI視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)

4.1WIFI視頻傳輸模塊采用了Openwrt視頻攝像頭WiFi模組套件。

OpenWRT是一個(gè)高度模塊化、高度自動(dòng)化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性。OpenWRT不同于其他許多用于路由器的發(fā)行版，它是一個(gè)從零開始編寫的、功能齊全的、容易修改的路由器操作系統(tǒng)，可以加快開發(fā)速度，這給開發(fā)者帶來了極大便利。OpenWrt對(duì)ARM、X86、MIPS或PowerPC等處理器，都有很好的支持作用。同時(shí)附帶3000多種軟件包，囊括從工具鏈（toolchain），到內(nèi)核（Linux?kernel），到軟件包（packages），再到根文件系統(tǒng)（rootfs）整個(gè)體系，用戶可以根據(jù)自身需要，很方便的自定義其功能來制作固件，可以移植各類功能到OpenWrt下也很方便。簡而言之，就是從思科的路由源碼改造過來的，一個(gè)適用于某些特定芯片的路由器的小型Linux系統(tǒng)。有了這個(gè)系統(tǒng)，路由器就不再具有單一上網(wǎng)功能那么簡單，還可以在上面安裝各種驅(qū)動(dòng)以及程序。把路由器作為平臺(tái)，用戶可以自由地加載USB攝像頭、網(wǎng)卡、聲卡等設(shè)備。

WiFi板上運(yùn)行著一款叫做mjpg-streamer的視頻解析軟件程序，是一個(gè)優(yōu)秀的開源project，它可以通過HTTP的方式訪問linux上面的兼容攝像頭，它可對(duì)USB攝像頭的視頻進(jìn)行編碼，然后通過WiFi傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，這樣就可以看到來自智能小車的視頻圖像。同時(shí)一般路由器都預(yù)留有TTL串口，它可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試或者刷機(jī)功能。當(dāng)把這個(gè)TTL串口引出來，然后通過安裝在路由器里面的Ser2net轉(zhuǎn)發(fā)軟件，就能把來自WiFi信號(hào)的指令傳到串口，進(jìn)行輸出。接上5V電源，及TTL（單片機(jī)串口電平信號(hào)TX、RX、GND）信號(hào)線就可使用，編寫單片機(jī)控制程序，下載到單片機(jī)芯片上，經(jīng)安卓手機(jī)WIFI就可以控制小車運(yùn)動(dòng)，外加高清攝像頭，便可以實(shí)時(shí)在手機(jī)上看到視頻。

4.2?傳輸模塊參數(shù)

攝像頭和WIFI數(shù)傳模塊都采用DC5V電壓供電，攝像頭輸出格式為mjpeg，輸出幀速為30FPS，可以手動(dòng)調(diào)焦，30W高清像素。WIFI數(shù)傳模塊采用TTL串口進(jìn)行通信，含有64M超大內(nèi)存處理芯片內(nèi)置天線，安裝不會(huì)阻擋，信號(hào)穩(wěn)定且功耗低。

5.避障模塊設(shè)計(jì)

采用紅外線避障方法，利用單片機(jī)產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到障礙物時(shí)反射回來。利用一個(gè)管發(fā)射另一個(gè)管接收，接收管根據(jù)外界紅外線的接收強(qiáng)弱來判斷距離障礙物的遠(yuǎn)近。為減小外界可見光對(duì)紅外線接收的影響和干擾，使用250Hz的信號(hào)對(duì)38KHz的載波進(jìn)行調(diào)制，有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。紅外線接收管對(duì)反射回來的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出TTL電平。發(fā)射距離遠(yuǎn)近由RW進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)為10cm左右。利用單片機(jī)特有的中斷系統(tǒng)，當(dāng)智能小車遇到障礙物時(shí)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速使小車轉(zhuǎn)彎，改變方向。由于只采用了一組紅外線收發(fā)對(duì)管，在避障轉(zhuǎn)彎方向上，程序采用遇到障礙物向左轉(zhuǎn)。調(diào)試時(shí)主要調(diào)制發(fā)射頻率為接收頭能接收的頻率，可以用單片機(jī)程序解決。發(fā)射信號(hào)強(qiáng)弱可改變可調(diào)精密電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)。智能車如果多加另外一組紅外收發(fā)對(duì)管，即可實(shí)現(xiàn)判斷左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)功能。

6.路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

初始化階段：人工根據(jù)目標(biāo)軌跡穿過遙控車一次，控制器根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算車到各基站的距離，并計(jì)算車的坐標(biāo)位置?？刂破鬟€記憶車在初始化階段的坐標(biāo)位置，并將其存儲(chǔ)為預(yù)設(shè)軌道自動(dòng)行走階段：處于自動(dòng)行走階段的車按照預(yù)定的行走路徑行走，控制器判斷車的行走路徑是否偏離預(yù)設(shè)軌跡，如果偏離預(yù)設(shè)軌跡，則對(duì)車的行走路徑偏離進(jìn)行處理，在行走過程中，控制器判斷車是否遇到障礙物。如果遇到障礙物，通過調(diào)用PWM調(diào)用函數(shù)，改變左右PWM占空比控，制汽車?yán)@過障礙物。通過多個(gè)基站，在車上放置一個(gè)接收機(jī)，計(jì)算出到各基站的距離，得到車的當(dāng)前位置。這樣，車軌道可以根據(jù)使用需要任意確定，通過在初始階段駕駛車軌道一次，車可以通過自學(xué)習(xí)使軌道行走，精度可以達(dá)到5cm?左右，當(dāng)位置達(dá)到時(shí)，再通過紅外線精確定位，可改變預(yù)定路線，遇到障礙物時(shí)將繞過。

7.結(jié)論

設(shè)計(jì)5G遠(yuǎn)程遙控智能車，著重于其路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)。主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能。其一，通過單片機(jī)控制，采用紅外線避障方法，利用單片機(jī)產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到障礙物時(shí)反射回來。利用一個(gè)管發(fā)射另一個(gè)管接收，接收管根據(jù)外界紅外線的接收強(qiáng)弱來判斷障礙物的遠(yuǎn)近，實(shí)現(xiàn)了避障功能。其二，在WiFi板上運(yùn)行mjpg-streamer程序可以把USB攝像頭的視頻進(jìn)行編碼，然后通過WiFi返回給上位機(jī)，我們就可以看到來自智能車的視頻圖像，實(shí)現(xiàn)了視頻傳輸功能。其三，通過調(diào)用PWM調(diào)用函數(shù)，改變左右PWM占空比，控制電機(jī)速度，加上路徑記憶設(shè)計(jì)，便可精準(zhǔn)按預(yù)定路線行駛。系統(tǒng)運(yùn)行正常，下一步將在無線通信距離及效率方面做進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]基于PWM調(diào)速的智能小車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]王海波，馮蓉珍，司俊，黃金彪.科技廣場(chǎng)?.2011?（11）

[2]基于Android平臺(tái)的WIFI遙控智能小車的設(shè)計(jì)[J].張萍，陳國壯，候云雷，李東.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2018（06）

[3]基于機(jī)器視覺的智能小車自動(dòng)循跡及避障系統(tǒng)[J].岳俊峰，李秀梅.杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2020（02）

[4]多傳感器融合的視覺導(dǎo)航智能車避障仿真研究[J].王檀彬，陳無畏，李進(jìn)，焦俊.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2009（04）

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“5G遙控多功能購物智能車”（202110066026）。

作者簡介：高海軍（1997-），男，本科生，自動(dòng)化專業(yè)。

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“5G遙控多功能購物智能車”（202110066026）。