引 言

現(xiàn)代的無線遙控小車技術(shù)起源于美國(guó)。由于戰(zhàn)事的需求、人工智能的面世及芯片半導(dǎo)體技術(shù)的量化級(jí)進(jìn)步，軍事領(lǐng)域尤其需要各種不同于人類直接操作的機(jī)器人，用于排雷、布雷、收集情報(bào)等。隨著技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)已成為人人必備的工具，很多家居用品可通過手機(jī)互聯(lián)。如果能將當(dāng)下成熟的智能手機(jī)技術(shù)及人工智能領(lǐng)域方面的技術(shù)結(jié)合用于智能小車的開發(fā)，就可避免傳統(tǒng)專用智能車在開發(fā)時(shí)對(duì)無線收發(fā)遙控面板的過度依賴。本文在當(dāng)下人工智能機(jī)器人研究背景下， 提出并設(shè)計(jì)了一款可遠(yuǎn)程監(jiān)控的由智能手機(jī)控制的無線監(jiān)控小車機(jī)器人 [1]。

1 原 理

本文設(shè)計(jì)的智能小車借鑒了人工智能等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)， 智能機(jī)可通過無線藍(lán)牙通信方式控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過無線方式監(jiān)控智能車運(yùn)動(dòng)范圍附近的圖像信息 [2]。

2 設(shè)計(jì)流程

2.1 智能小車設(shè)計(jì)流程圖

智能手機(jī)端 APP 發(fā)送小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令，通過無線藍(lán)牙方式發(fā)送到小車藍(lán)牙接收端，智能車控制芯片解碼，通過小車上藍(lán)牙服務(wù)端接收到的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令調(diào)用相關(guān)控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的子程序，結(jié)合 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)小車與用戶的簡(jiǎn)易人機(jī)互動(dòng) [3-4]。智能小車設(shè)計(jì)流程如圖 1 所示。

智能小車上搭配有安卓智能機(jī)，安卓智能機(jī)攝像頭將小車運(yùn)動(dòng)附近的實(shí)時(shí)圖像通過無線方式實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶蠖穗娔XJava 服務(wù)器端。智能小車無線視頻監(jiān)控采集設(shè)計(jì)流程如圖 2 所示。

2.2 智能車的動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的智能車動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)由 6 節(jié) 1.5 V 干電池組成。其中，智能小車控制芯片、小車藍(lán)牙指令接收芯片及小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 所需電壓為 5 V，智能小車電機(jī)所需電壓為 9 V。因此，本文電力供應(yīng)系統(tǒng)需 7805 三端穩(wěn)壓模塊， 將電源 9 V 動(dòng)力電壓轉(zhuǎn)換至 5 V 供系統(tǒng)單片機(jī)、藍(lán)牙和 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用 [5]。智能車的電力供應(yīng)系統(tǒng)如圖 3 所示。

2.3 智能車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)原理如圖 4 所 示。 其 中，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間分別接兩個(gè)電機(jī) ；IN1， IN2，IN3，IN4 引腳從單片機(jī)輸入控制電平，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn) ； ENA，ENB 接控制使能端，控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。

圖 4 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

本文設(shè)計(jì)的智能小車選用 L298N 電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。L298N 通過單片機(jī) I/O 改變芯片控制端的電平，即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止等操作。輸入引腳與輸出引腳的邏輯關(guān)系見表 1 所列 [6]。

由表 1 可知，當(dāng)小車左右兩個(gè)電機(jī)均正轉(zhuǎn)時(shí)，小車前行 ； 當(dāng)小車兩個(gè)電機(jī)均反轉(zhuǎn)時(shí)，小車后退 ；當(dāng)小車左電機(jī)正轉(zhuǎn)， 右電機(jī)停止時(shí)，小車右轉(zhuǎn) ；當(dāng)小車左電機(jī)停止，右電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， 小車左轉(zhuǎn)。

2.4 智能小車藍(lán)牙通信模塊

本文智能車藍(lán)牙通信系統(tǒng)包含如下兩部分 ：

(1) 手機(jī)藍(lán)牙端用來對(duì)智能車藍(lán)牙接收端發(fā)送 A，B，C，D，F(xiàn)等 5 條指令，這 5 條指令分別代表控制小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止 ；

(2) 主程序主要是在單片機(jī)的控制下，對(duì)藍(lán)牙模塊輸入的信息進(jìn)行存儲(chǔ)分析，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。

單片機(jī)定時(shí)讀取藍(lán)牙模塊的串口數(shù)據(jù)，若串口數(shù)據(jù)被讀出，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 [7]。

2.5 智能小車 APP手機(jī)藍(lán)牙客戶端的設(shè)計(jì)

智能小車手機(jī)藍(lán)牙端 APP 基于 MIT APP Inventor 軟件第三方開發(fā)平臺(tái)而設(shè)計(jì)。MIT APP Inventor 軟件適合于沒有計(jì)算機(jī) APP 專業(yè)知識(shí)的用戶，基于此平臺(tái)可進(jìn)行人工智能機(jī)器人手機(jī)控制端 APP 項(xiàng)目的開發(fā)。因此本文選擇 MIT APP Inventor 開發(fā)平臺(tái)開發(fā)安卓 APP，在一定程度上簡(jiǎn)化了開發(fā)者的工作量與 APP 開發(fā)的難度。小車 APP 開發(fā)界面如圖 5所示。小車 APP 控制界面如圖 6 所示。

首先通過藍(lán)牙連接按鍵與智能車藍(lán)牙接收端相連接，當(dāng)手機(jī)藍(lán)牙客戶端與小車上的藍(lán)牙服務(wù)端模塊確認(rèn)連接后，用戶即可通過圖 6 所示 APP 界面的前、后、左、右、停等指令，分別控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止 [8]。APP 藍(lán)牙按鍵功能開發(fā)流程如圖 7 所示。

2.6 智能小車無線視頻傳輸模塊

智能車無線圖像實(shí)時(shí)采集和反饋的基本過程 ：智能車上搭載的安卓智能手機(jī)攝像頭作為客戶端，將采集到的每一幀圖像數(shù)據(jù)通過無線 WiFi 方式發(fā)送出去，PC 作為服務(wù)端，通過 Java 語(yǔ)言編寫的智能車圖像反饋接收端接收并顯示每一幀圖像信息，實(shí)現(xiàn)智能小車運(yùn)動(dòng)視野范圍內(nèi)信息的高清及時(shí)采集與傳輸。智能車輛圖像的實(shí)時(shí)無線傳輸實(shí)物如圖 8 所示。

                                                                                                                                                                                                     圖 8 智能車輛圖像的實(shí)時(shí)無線傳輸

智能車圖像采集端通過 Eclipse 安卓開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的APK 軟件，將安卓手機(jī)的無線攝像頭作為圖像采集端，PC 上圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)慕邮斩舜翱谕ㄟ^ Eclipse 中的 Java 工程編譯生成。

2.7 智能小車設(shè)計(jì)創(chuàng)新

在本文智能車的設(shè)計(jì)中，摒棄了傳統(tǒng)的無線收發(fā)器和遙控面板，經(jīng)過多年使用，需要加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾功能 ；智能車的無線控制終端采用 Android 智能機(jī) APP 藍(lán)牙控制 ；圖像采集模塊基于安卓智能機(jī)的攝像頭，實(shí)現(xiàn)圖像的高清采集，圖 9 小車反電勢(shì)難點(diǎn)解決措施比傳統(tǒng)的智能車攝像頭采集的圖像更加清晰 [9]。

2.7.1 智能小車優(yōu)勢(shì)

本文設(shè)計(jì)的智能小車能以手機(jī)控制平臺(tái)、藍(lán)牙通信模塊、單片機(jī)控制模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等硬件模塊，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、前左轉(zhuǎn)彎、前右轉(zhuǎn)彎、后左轉(zhuǎn)彎、后右轉(zhuǎn)彎等功能， 且功能容易實(shí)現(xiàn)并能激發(fā)開發(fā)者的興趣。目前市場(chǎng)上流行的嵌入式操作系統(tǒng)研發(fā)的智能小車開發(fā)難度大，且二次開發(fā)入手難，很難滿足普通科研用戶的需求，一般只用于企業(yè)量化研發(fā) [10]。本文智能小車搭載安卓智能機(jī)攝像頭，圖像更清晰， 且圖像傳輸模塊開發(fā)難度較低，二次開發(fā)拓展價(jià)值大。

2.7.2 智能小車反電勢(shì)技術(shù)難點(diǎn)

智能小車在研發(fā)調(diào)試過程中，電機(jī)線圈運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩邊會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)，對(duì)智能車 L298N 形成沖擊，易造成損壞，特別當(dāng)反電勢(shì)大于電源電壓或負(fù)電壓時(shí)更易損壞 L298N，所以在每根線上都加有 2 個(gè)二極管（一般采用 1N4007）進(jìn)行保護(hù)。IN4007 導(dǎo)通電壓為 0.7 V， 能把倒灌回來的電壓鉗制在 -0.7 ～ 0.7 V 之間。小車電機(jī)反電勢(shì)解決措施如圖 9 所示。

2.7.3 智能小車未來擬研究點(diǎn)

未來擬結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的智能小車研究領(lǐng)域，一方面嘗試實(shí)現(xiàn)小車車身攝像頭的旋轉(zhuǎn) ；另一方面嘗試解決延長(zhǎng)小車長(zhǎng)時(shí)間無線通信功耗的問題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能車以 STC89C52 單片機(jī)為核心，通過藍(lán)牙通信控制 APP 和單片機(jī)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)正負(fù)旋轉(zhuǎn)，繼而實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制及運(yùn)動(dòng)視野范圍內(nèi)圖像信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋。該智能車融合了物聯(lián)網(wǎng)和智能家居產(chǎn)品的熱門技術(shù)， 具有較好的學(xué)習(xí)和科研價(jià)值。