智能無線控制小車設計

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學士學位論文I智能無線控制小車設計摘要智能作為現(xiàn)代社會的新產物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。隨著計算機、網絡、機械電子、信息、自動化以及人工智能等技術的飛速發(fā)展，移動機器人的研究進入了一個嶄新的階段。目前，智能移動機器人，無人自主車等領域的研究進入了應用的階段，隨著研究的深入，對移動機器人的自主導航能力，實時監(jiān)控功能，動態(tài)避障策略和時間等方面提出了更高的要求。本次設計的簡易智能小車，采用 AT89C51 單片機作為小車的檢測和控制核心；采用無線藍牙來實現(xiàn)對小車運動的狀態(tài)的控制；采用霍爾元件來測量小車運行速度，旋轉角度；采用智能手機來實現(xiàn)小車的視頻傳輸模塊。無線控制模塊使小車具備啟動停止，加減速、轉向等功能;視頻傳輸模塊使小車具備實時監(jiān)控，定位等功能；最后將兩者通過單片機聯(lián)系到一起，實現(xiàn)所智能無線控制小車的基本功能。本設計的智能小車結構簡單，技術發(fā)展成熟，較容易實現(xiàn)，但各模塊之間的聯(lián)系、軟件設計以及整個系統(tǒng)的優(yōu)化都具有很大的靈活性。不管采用什么思路，智能化、人性化，一定程度在小車上得以體現(xiàn)。關鍵詞 藍牙控制模塊；霍爾元件；太陽能電池板；單片機學士學位論文IIThe research on Intelligent Wareless Robot Car AbstractAs a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. It can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. Dispensing with behavior adjustment management,but it can achieve the expected, even higher goal.With the rapid development of computer, network, mechanical, electronic, information, automation and artificial intelligence technology, the mobile robot has entered a new stage. Currently, the study about intelligent mobile robot,unmanned autonomous car and some relevant areas are reaching a application stage.With further research, the mobile robot autonomous navigation capabilities, real-time monitoring, dynamic obstacle avoidance strategies and time put forward higher requirements.The design takes micro control unit AT89C51 as center control unit,use the Bluetooth to control the moving status,use Hall Element to measure the speed of the car and the angle of rotation; use intelligent mobile phone as the Video transmission module. Combine wireless unit and video transmission module together, the the car become the so called mobile robot. It can be controlled to move forward, move backward, turning, speed up and slow down. We can also read this moving status,watch the robot’s surroundings through computer or intelligent mobile phone.The design of the smart car structure is simple and the technology is developed, thus making it easy to achieved. But the combination of all modules,the Bluetooth unit is still challengeable. Besides, the software design,optimization of the entire system is also flexibility. No matter what ideas, artificial Intelligence can be applied with the intelligent toy car.Keywords Bluetooth control module; Hall Element; solar panel; MCU學士學位論文III目錄摘要 IAbstract.II第 1 章 緒論 1 1.1 課題背景 11.2 智能小車的研究現(xiàn)狀 21.3 本章小節(jié) 2第 2 章 智能小車的可行性分析 .42.1 題目分析 42.2 方案選擇 .4 2.3 總體方框圖 .5 2.4 本章小節(jié) .6 第 3 章 硬件設計 7 3.1 主控模塊的設計 .7 3.1.1 單片機的內部結構 .8 3.1.2 單片機的引腳功能 83.1.3 單片機最小系統(tǒng) 93.2 無線通訊模塊設計 123.2.1 藍牙模塊的選擇 .133.2.2 藍牙模塊 BF10 133.3 小車車體設計 163.3.1 小車車體的結構設計 163.3.2 電機及驅動的選用 173.4 攝像頭云臺設計 203.4.1 云臺電機及其驅動的選擇 213.4.2 云臺的結構設計 .23 3.5 無線視頻傳輸模塊設計 24 3.6 電源模塊設計 263.6.1 太陽能電池板 .26 3.6.2 電源測試 273.6.3 實際應用 323.7 轉向與轉速的閉環(huán)控制 333.7.1 霍爾元件 343.7.2 轉速測量方法 .35 學士學位論文IV3.8 本章小節(jié) .36 第 4 章 軟件設計 .374.1 模糊控制算法 374.1.1 模糊理論的發(fā)展和原理 .37 4.1.2 智能小車中的模糊算法 .37 4.2 軟件設計框圖 374.3 軟件程序設計的部分原程序 .39 4.4 程序的燒寫過程 40 4.5 本章小節(jié) .42 第 5 章 制作和調試 43 5.1 使用的儀表和軟件 435.2 系統(tǒng)制作 43 5.3 系統(tǒng)調試 .43 5.3.1 硬件調試 435.3.2 軟件調試 445.3.3 聯(lián)合調試 .45 5.4 本章小節(jié) 45致謝 46 參考文獻 .47附錄 A 翻譯文獻 48 附錄 B 小車機械結構三維模型圖 .61附錄 C 智能小車控制電路圖 62 哈爾濱理工大學學士學位論文- 1 -第 1 章 緒論1.1 課題背景隨著計算機、網絡、機械電子、信息、自動化以及人工智能等技術的飛速發(fā)展，移動機器人的研究進入了一個嶄新的階段。同時，太空資源、海洋資源的開發(fā)與利用為移動機器人的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前，智能移動機器人，無人自主車等領域的研究進入了應用的階段，隨著研究的深入，對移動機器人的自主導航能力，實時監(jiān)控功能，動態(tài)避障策略和時間等方面提出了更高的要求。地面智能機器人路徑規(guī)劃，是行駛在復雜動態(tài)自然環(huán)境中的全自主機器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機器人全地域全自主技術的研究，是當今國內外學術界面臨的挑戰(zhàn)性問題 [1]。智能無線控制小車是智能移動機器人的典型代表，是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系統(tǒng)。理想的自主移動機器人可以不需人的干預在各種環(huán)境中自主完成規(guī)定任務，具有較高的智能水平，但目前全自主的移動機器人還大多處于實驗階段，進入實用的多為自主移動機器人 [2]，通過人的干預在特定環(huán)境中執(zhí)行各種任務，而遙控機器人則完全離不開人的干預。智能無線控制小車技術研究綜合了無線遙控、視頻傳輸、定位與運動控制等技術。涉及包括藍牙遙控、視頻采集、路徑控制等模塊，作為移動機器人的主要組成部分。移動機器人的運動控制主要是完成移動機器人的運動平臺，提供一種移動機器人的控制方式。性能良好的移動機器人運動控制系統(tǒng)是移動機器人運行的基礎，能夠服務于移動機器人研究的通用開發(fā)平臺。運動控制是智能無線控制小車的執(zhí)行機構，對小車的平穩(wěn)運行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動機器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對運動控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設計實現(xiàn)智能無線控制小車的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動機器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動機器人的運動控制特性，為后續(xù)的移動機器人的功能擴展搭建一個可行、穩(wěn)定的平臺，而這個平臺則可以成為多種機器人開發(fā)的公共基礎平臺。實現(xiàn)智能移動機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實意義，將為以后的移動機器人開發(fā)奠定堅實基礎。哈爾濱理工大學學士學位論文- 2 -1.2 智能小車的研究現(xiàn)狀移動機器人的研究始于 60 年代末期斯坦福研究院（SRI）的 Nils Nilssen 和 Charles Roesn 等人，在 1966 年至 1972 年中研制出了自主移動機器人 Shakey[3]。70 年代末，移動機器人研究又出現(xiàn)了新的高潮，特別是 80 年代中期以來，設計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美國通用電氣、日本本田、索尼等開始研制移動機器人平臺，這些促進了移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。例如，輪式移動機器人的代表作有：Smart Robots 公司推出的新型基于 Linux 的移動機器人 SR4；美國Activmedia Boties 公司用于教學的 P3-Dx 輪式移動機器人；卡內基梅隆研發(fā)的 Nomad 移動機器人；美國國家航天航空局聞名遐邇的火星登陸車“ 勇氣號”等 [4] 。我國的機器人學研究起步較晚，但進步較快，已在工業(yè)機器人特種機器人和智能機器人各個方面都取得了顯著成績。在“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)工業(yè)機器聲成套技術。為了跟蹤國外搞技術，80 年代國家高技術計劃中安排了智能機器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機器人高功能裝配機器人和多種特種機器人。進行了智能機器人體系結構、機構、控制、人工智能、機器視覺，高性能傳感器及新材料的應用研究，取得了大量成果。其中，輪式移動機器人的研究也碩果累累。國內研究輪式移動機器人的科研單位及公司主要有研制能力風暴的 as-r 機器人的上海廣茂達伙伴機器人有限公司；研制的 casia-i 自主移動機器人的中科院自動化所；研制“青青”輪式移動機器人的哈爾濱工業(yè)大學，研制“小蜘蛛”輪式移動機器人登月車的上海交大等 [5]。當前，移動機器人技術的研究與發(fā)展的趨勢包括有：機器人機構導航定位路徑規(guī)劃傳感器信息融合技術智能技術移動機器人傳感器技術等研究。我國自“八五”期間開始進入這一研究領域，并在國家 863 計劃中予以重點支持。較為全面對路徑規(guī)劃、視覺導航、信息融合、自動駕駛等一些基本的智能機器人技術做了探索，所形成的一些關鍵技術成果也在其他領域得到應用。我國在機器人技術與自動化工藝裝備等方面已經取得了突破性進展，縮短了同發(fā)達國家的差距，但是在機器人的核心及關鍵技術的原創(chuàng)性研究、高性能關鍵工藝裝備的自主設計和制造能力、高可靠性基礎功能部件的批量生產應用方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大差距。1.3 本章小節(jié)本課題采用通用 51 單片機實現(xiàn)輪式移動機器人電機驅動和閉環(huán)調速。哈爾濱理工大學學士學位論文- 3 -實現(xiàn)基于 wifi 的無線視頻監(jiān)控和無線藍牙控制設計，為機器人提供簡單方便的障礙物檢驗和導航 [6]。DSP 實時監(jiān)測驅動電動機的正交編碼脈沖實現(xiàn)移動機器人的運動學定位，作為機器人一種比較粗略的定位方式，可以作為后續(xù)高精度定位方式的補充。無線控制使小車具備啟動停止，加減速、轉向等功能，視頻傳輸模塊使小車具備實時監(jiān)控，定位等功能，最后將兩者通過單片機聯(lián)系到一起，實現(xiàn)所智能無線控制小車的基本功能。移動機器人控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的主要內容有底層系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：（1）移動機器人底層系統(tǒng)設計：移動機器人的底層系統(tǒng)設計包括移動機器人的控制電路設計、電機驅動電路設計和無線控制電路設計。底層設計涉及到的軟件算法包括電機驅動和速度閉環(huán)、電機碼盤的機器人定位、視頻傳輸?shù)?。?）移動機器人的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：移動機器人控制系統(tǒng)的主要內容是生成機器人的運動控制信息，控制機器人的運動。無線遙控是移動機器人需要完成的任務之一，其典型工作過程為機器人完成相應的移動，完機器人的前進、后退、轉向、加減速。運動控制過程中用到的視頻輸入信息包括 WiFi 模塊提供的無線上網信息，電機碼盤提供的機器人的位置、速度信息，攝像頭云臺提供的物體的方位信息，以及視覺攝像機采集并經過處理后的視頻信息等。哈爾濱理工大學學士學位論文- 4 -第 2 章 智能小車的可行性分析2.1 題目分析顧名思義，智能無線控制小車的本質就是一種小車，或者說是一種輪型機器人，相比與一般的玩具小車，這種小車具備無線控制等多種功能，智能程度較高，所以稱之為智能小車。通過對題目進行了充分的分析和思考，將得出下列目標、任務、及指標。1.目標：設計制作一個智能輪型機器人，能夠具有無線遙控、顯示和視頻傳輸功能。2.任務：（1）遠距離控制輪型機器人前進、后退、加減速、停止等，使其按照自己的意愿行走。（2）顯示小車行走的一些速度、轉角等基本信息。（3）能夠遠距離的將云臺攝像頭的視頻及時、不失真的傳輸給上位機。3.指標：（1）采用無線藍牙遙控器在一定的范圍內控制輪型機器人運動。（2）采用智能手機的無線視頻傳輸技術，將輪型機器人所拍到的視頻及時床輸給上位機，通過上位機觀察其周圍情況。2.2 方案選擇對于方案的可行性分析，主要根據方案的成熟程度、所需的技術難度、可靠性還有性價比。本小節(jié)將宏觀的對智能無線控制小車各個功能模塊進行初步的選擇與優(yōu)化。1.無線遙控模塊方案一、采用紅外遙控模塊。本模塊發(fā)射部分由 PT2262 芯片完成編碼，并通過 F05V 微型發(fā)射模塊發(fā)射信號，接收部分由 J05U 超外差式接收模塊接收信號，并由 PT2272 完成解碼。但此模塊有個致命的缺點，就是定位、移動的精度無法滿足智能小車的設計要求。方案二、采用無線藍牙模塊。隨著通信技術的發(fā)展，藍牙技術已日趨成熟，各種新型產品層出不窮。其中的無線藍牙數(shù)據傳輸控制器，已發(fā)展為可以雙向傳輸數(shù)據，SPP 藍牙串行服務,非常方便和手機、PC 等連接。所以對于智能小車的無線遙控模塊，采用優(yōu)勢明顯的無線藍牙模塊 BF-10。哈爾濱理工大學學士學位論文- 5 -2.無線視頻傳輸模塊方案一、購買 WIFI-Robot 驅動板 [7]，參照網絡教程做出 WIFI 智能車。此方案簡單所需的軟硬件都可以在網上買到，但此方案對于初次嘗試坐智能小車的我來說，不確定因素大，難于實現(xiàn)。方案二、采用具備視頻功能的手機，設計合適的攝像頭云臺，將其固定在給定的攝像頭云臺上，從而通過互聯(lián)網進行手機與手機，手機與電腦之間的視頻傳送。該方案原理簡單，成本低，易于實現(xiàn)，并且能夠達到規(guī)定的要求。所以采用方案二。3.主控制模塊智能小車的控制板主要有兩種選擇：凌陽單片機和 51 單片機。由于課本本中學過 51 單片機，并且手中有現(xiàn)成的兩塊 STC89C51 板，所以選用它作為智能小車的主控制器。4.電源模塊在電源模塊的設計中，我們考慮到在滿足各模塊工作電壓的需求的同時，盡可能做到綠色環(huán)保，無公害。經過市場調查，發(fā)現(xiàn)采用太陽能電池板是個不錯的選擇。根據小車的功率選擇合適的太陽能電池板。設計穩(wěn)壓電源時，考慮到電池電壓較低，并且在電量損耗時存在電壓降低的情況，應此我們采用了低壓差的穩(wěn)壓芯片 LM2940。2.3 總體方框圖根據以上方案，對于小車的大致結構有了系統(tǒng)的認識，小車的總體方框圖如下圖 2-1。圖 2-1 主板設計框圖 哈爾濱理工大學學士學位論文- 6 -2.4 本章小節(jié)本章主要從原理上對小車的可行性進行分析，首先對智能小車題目進行分析論證，即確定小車應該具備什么功能。然后是方案的選擇方面，在很多方案中選擇一種最簡單可行的方案，來實現(xiàn)所要達到的功能。最后，系統(tǒng)的列出系統(tǒng)的設計框圖，作為后續(xù)章節(jié)的設計主線。哈爾濱理工大學學士學位論文- 7 -第 3 章 硬件設計本系統(tǒng)硬件主要有五大模塊組成：單片機控制模塊、無線遙控模塊、無線視頻傳輸模塊、電機及其控制模塊和電源模塊。3.1 主控模塊的設計本模塊采用 51 系列單片機作為核心處理器。單片機控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號 I/O 口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地） ，CPU 時序電路（一般使用 11.0592M 或者 12M 和 30P 電容組成） ，復位電路。有了以上三塊，單片機就能夠正常工作。STC89C51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS-51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結構，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 STC89C51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。其應用范圍廣，性能良好，可用于解決復雜的控制問題。利用 STC89C51 的 I／O 端口對傳感器信號進行實時判斷監(jiān)控來控制步進電機做出相應的反映 [8]。如圖 3-1 是較為常見的帶燒錄接口的單片機最小系統(tǒng)圖。圖 3-1 帶燒錄接口的單片機最小系統(tǒng)哈爾濱理工大學學士學位論文- 8 -3.1.1 單片機的內部結構一個基本的 MCS-51 單片機通常包括：中央處理器、ROM、RAM、定時/ 計數(shù)器和 I/O 口等各功能部件，各個功能由內部的總線連接起來，從而實現(xiàn)數(shù)據通信。其內部框圖如圖 3-2 所示。3.1.2 單片機的引腳功能常見的 51 單片機中一般采用雙列直插（DIP）封裝，共 40 個引腳。圖 3-3 為引腳排列圖。其中的 40 個引腳大致可以分為 4 類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。圖 3-3 STC89C51 引腳排列圖圖 3.2 MS51 單片機結構圖圖 3-2 單片機結構框圖哈爾濱理工大學學士學位論文- 9 -（1）電源1 VCC：芯片電源端，一般為+5V。2 GND：接地端。（2）時鐘1 XTAL1：晶體振蕩電路的反相輸入端。2 XTAL2：晶體振蕩電路的輸出端。（3）控制線1 MCS-51 單片機的控制線有 4 根，其中 3 根是復用線，具有兩種功能。ALE/Error!：地址鎖存允許/編程脈沖。2 PSEN：外部 ROM 讀選通信號。3 RST：復位引腳。4 Error!/VPP ：內外 ROM 選擇/EPROM 編程電源。（4）I/O 引腳MCS-51 單片機共有 4 個 8 位并行 I/O 端口，共 32 個可編程 I/O 引腳。3.1.3 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復位、振 蕩電路以及擴展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖 3-4 所示。圖 3-4 最小系統(tǒng)電路圖（1）電源供電模塊哈爾濱理工大學學士學位論文- 10 -對于一個完整的電子設計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎。51 單片機雖然使用時間最早、應用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機，51 單片機更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機的 USB 口供給，也可使用外部穩(wěn)定的 5V 電源供電模塊供給，如圖 3-5 所示。電源電路中接入了電源指示 LED，圖中 R11 為 LED 的限流電阻。S1 為電源開關。圖 3-5 電源模塊電路圖（2）復位電路復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。片內復位電路是復位引腳 RST 通過一個觸發(fā)器與復位電路相連，觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期中由復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。所謂上電復位，是指計算機加電瞬間，要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10MS 的正脈沖，使單片機進入復位狀態(tài)。按鈕復位是指用戶按下“復位” 按鈕，使單片機進入復位狀態(tài)。如圖 3-6 是上電復位及按鈕復位的一種實用電路。哈爾濱理工大學學士學位論文- 11 -2uVC01KRST圖 3-6 復位電路（3）振蕩電路單片機的時鐘產生有兩種方法：內部時鐘方式和外部時鐘方式。系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電路 [9]。STC89C51 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。如圖3-7 所示，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取 30PF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。圖3-7 振蕩電路圖STC89C51 使用 11.0592MHz 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在 15pF 至 50pF 之間 [10]。哈爾濱理工大學學士學位論文- 12 -（4）燒寫接口電路RST 置高電平，然后向單片機串行發(fā)送編程命令。P1.7(SCK)輸入移位脈沖，P1.6(MISO)串行輸出，P1.5(MOSI)串行輸入。被燒寫的單片機一定是最小系統(tǒng)（單片機已經接好電源，晶振，可以運行） 。如圖 3-8 程序下載接口電路。 C1+VD235E6TOU7RIN890GMAXuFB串P_圖3-8程序下載接口電路3.2 無線通訊模塊設計無線通訊模塊主要完成對小車運動無線遙控功能。 紅外線和可見光具有相同的特性，因此只能直線傳輸。作為一種特替代方法，遙控器可以將射頻（RF）用作無線傳輸媒介，這樣一來就能穿透不透明物體和固定障礙物。射頻的這一固有特性還能給用戶賦予一種全新的自由感和移動體驗，并大大延伸作用距離。過去的十年中涌現(xiàn)了一系列無線技術，如藍牙、無線USB 、 WiFi 、Z-Wave、ZigBee 以及工作于不同頻段的其它射頻解決方案[11]，它們能夠簡化有線網絡，覆蓋家庭、辦公室等任何場所。這些技術各不相同，而且針對不同的應用。每一項技術都擁有各自的優(yōu)缺點。 我們究竟選用何種無線射頻技術來解決我們的家居遙控問題呢？ 藍牙主要用于手機的無線耳麥，并正在進入汽車領域，用于相同的應用。藍牙 2.1 版有望克服耗電量大的缺陷。由于藍牙的工作頻率與 Wi-Fi、無繩話機和微波所使用的未經許可的 2.4GHz ISM（工業(yè)/科學研究/ 醫(yī)療）頻段重疊，在家庭環(huán)境中使用藍牙遙控器極有可能產生通信延時和電池壽命縮短的問題，因為它采用了易受干擾的跳頻擴頻（FHSS）回避機制。Z-Wave 和 ZigBee 是兩個針對但不限于自動化和傳感器網絡應用的協(xié)議。它們都工作在 900MHz ISM 頻段，ZigBee 還提供 2.4GHz 版本。雖然900MHz 解決方案的確能夠提高信號的穿透性，但卻以犧牲數(shù)據速率為代價，很多人對此不能接受。Wi-Fi 毫無疑問是當今最常見的無線技術之一。哈爾濱理工大學學士學位論文- 13 -WiFi 提供足夠的帶寬，不僅能夠用于顯示，而且能夠將豐富的媒體內容傳送到遙控器上。雖然 WiFi 看起來是一種理想的射頻技術，但每一種技術都有缺點，WiFi 也不例外：功耗和系統(tǒng)成本是它的兩大短板。認證無線USB 技術也有類似的缺點，該技術是一項電纜替代標準。采用無線 USB技術的遙控器能夠保留有線 USB 在承載架構、功能和數(shù)據速率方面的優(yōu)勢，并可充分利用相關的設計開發(fā)經驗 [12]。但對于習慣于生產 1 到 2 美元的紅外遙控器的大多數(shù)制造商而言，這種技術太過昂貴。藍牙是一種短距的無線通訊技術，電子裝置彼此可以透過藍牙而連接起來，省去了傳統(tǒng)的電線。透過芯片上的無線接收器，配有藍牙技術的電子產品能夠在十公尺的距離內彼此相通，傳輸速度可以達到每秒鐘 1 兆字節(jié)。以往紅外線接口的傳輸技術需要電子裝置在視線之內的距離，而現(xiàn)在有了藍牙技術，這樣的麻煩也可以免除了。本此設計采用一種利用藍牙系統(tǒng)建立手機或 PC 控制端與智能小車之間的無線通訊，實現(xiàn)了手機或 PC控制智能小車的功能，并提出了一種手機遙控小車的解決方案。實驗結果表明，此方案可以較為理想地實現(xiàn)電腦控制。3.2.1 藍牙模塊的選擇 市場上開發(fā)的出的藍牙模塊比較具有代表性的有愛立信ROK101007、CSR 的 bluecore2 –E 藍牙模塊、DELTA 公司的 DFBM-CF121 藍牙芯片等?？紤]經濟性已經適用性的原因，我們選用遵從藍牙1.2 協(xié)議以上的芯片模塊，綜合考察市場，我們選用由 深圳藍色飛舞科技公司生產的藍牙模塊 BF10。 具體實物如圖 3-9 所示。圖 3-9 藍牙模塊 BF10 實物圖3.2.2 藍牙模塊 BF10BF10 藍牙通信模塊為深圳藍色飛舞科技公司自主開發(fā)的智能型無線數(shù)據傳輸產品，本產品標準型支持： 4800bps~1382400bps 等多種接口波特哈爾濱理工大學學士學位論文- 14 -率，支持從模式，支持 64 通道藍牙替代串口線，應用原理圖如圖 3-10 所示。3-10 BF10應用電路圖 采用世界領先的藍牙芯片供應商CSR的BlueCore4-Ext芯片，完全兼容藍牙2.0規(guī)范，硬件支持數(shù)據和語音傳輸，最高可支持3M調制模式。語音接口支持PCM協(xié)議。 BF10模塊高靈敏性接收，低成本，體積小巧，低功耗 [5]。其引腳圖如圖3-11 所示。1．模塊描述及應用原理供電： +3.3VRESET 復位： 低有效，上拉 470K 電阻到 3.3V，下接 0.1uF 電容到 地。PIO0：主從模式設置腳，懸空或者高電平表示主模式，低電平表示從模式。PIO1：藍牙連接狀態(tài)腳，高電平表示連接成功。PIO7：藍牙連接指示腳，接 LED 燈及電阻到地。主模式下未連接成功頻率較慢閃爍，連接成功常亮。從模式下未連接成功頻率快閃爍，連接成功常亮。PIO5 清空配對藍牙配對地址，平時為低，高脈沖則清空。哈爾濱理工大學學士學位論文- 15 -3-11 BF10引腳圖UART_TX 藍牙模塊串口數(shù)據發(fā)送腳，接單片機的 RXDUART_RX 藍牙模塊串口數(shù)據接收腳，接單片機的 TXD2．工作模式 （1）主模式工作流程：1 若存在配對地址則連接對應的藍牙設備（不記憶模式則直接跳至） ?！?22 若不存在已配對的地址，則模塊掃描周圍藍牙設備（相同設備類型碼） 。3 找到藍牙設備后配對連接（輸入配對碼） 。4 連接成功之后打開串口，PIO1、PIO7 高電平表示連接成功，串口數(shù)據可以全雙工通信。（2）從模式工作流程：1 等待主模塊來連接。2 檢驗配對碼是否正確。3 連接成功后，PIO1、PIO7 置高，串口數(shù)據可以全雙工通信。3. 應用方法（1）操作方式：1 將 PIO0 接地，設置為從模式。2 將 PIO6、 PIO7 、PIO8、 PIO9 、PIO10、 PIO11 懸空或者置高，設置為 64 通道。3 設置 PIO2、 PIO3 、PIO4 、PIO5 為對應需要的波特率。4 給模塊上電，等待 PC 藍牙適配器、PDA 等主機設備連接該模塊。哈爾濱理工大學學士學位論文- 16 -5 連接成功后，PIO1 腳都是輸出為高低脈沖。若連接成功之后，PIO1 管腳輸出為高電平。可以連接一個 LED 進行顯示狀態(tài)。（2）串口通信波特率：1 設置兩個模塊的 PIO6 PIO7 PIO8 PIO9 PIO10 PIO11 相同的通道，不能為通道 64（即全高電平） 。具體參考設置模塊通道2 模塊上電，主模塊則自動去查找該通道的從模塊，此時主模塊和從模塊的 PIO1 腳都是輸出為高低脈沖。若連接成功之后，主從模塊的 PIO1 管腳輸出為高電平?？梢赃B接一個 LED 進行顯示狀態(tài)。3 連接成功之后，兩個模塊兩端就能進行串口數(shù)據全雙工通信了。從客戶端模式從客戶端模式是用在被電腦的藍牙適配器、PDA、手機等通用藍牙設備連接進行數(shù)據傳輸?shù)那闆r，原理圖如圖 3-12。圖 3-12 應用原理框圖 3.3 小車車體設計小車車體作為整個系統(tǒng)的載體，車體的形狀、設計理念直接影響到后續(xù)云臺的設計。對于小車車體的設計，我主要研究小車車體的機械結構設計，小車驅動電機的選擇和驅動模塊的選擇。3.3.1 小車車體的結構設計對于小車的結構，主要要求車體較大，有足夠的攝像頭云臺和電源模塊的放置空間，同時還應該結構簡單。智能小車采用兩個驅動輪，負責校車的動力，分別位于小車的左右兩側，小車的前后采用兩個萬向輪。這樣小車就可以原地旋轉 360°，并且轉向平穩(wěn)、靈活。具體結構如圖 3-13 所示。哈爾濱理工大學學士學位論文- 17 -圖 3-13 車體結構3.3.2 電機及驅動的選用本次設計中采用了 L298N 驅動兩臺獨立直流電機分別控制小車的左輪右輪實物圖如圖 3-14。向小車發(fā)送左轉或右轉指令時，可以分別控制兩輪的轉速，使程序簡潔，方便。前輪則用一個可自由旋轉 360o 的小輪代替，無論是停止還是轉向，前輪都可以隨之改變，方便操作，簡化了程序的復雜性 [13]。圖 3-14 L298N 實物圖（1）電機方案的論證與比較方案一：采用步進電機，精確度較高，一般步進電機的精度為步進的3%-5%，且不積累，缺點是體積較大，速度較慢，且價格較高。哈爾濱理工大學學士學位論文- 18 -方案二：采用直流電機，直流電機運轉平穩(wěn)，可以保證小車運行的精度，雖然其控制的精確度沒有直流電機的高，但完全可以滿足本設計中的要求，而且價格也比較合理。經過市場調研，覺得 JB37Y520 減速馬達比較合適，其結構圖如圖 3-15，圖 3-16 所示。圖 3-15 驅動電機機構圖 圖 3-16 驅動電機實物圖由于本次設計的智能小車體積較大，所嫁接的太陽能電池板，和智能手機都比較沉重，所以采用大功率的驅動電機。經過測試，12V 的JB37Y520 減速馬達完全能滿足要求，其主要參數(shù)如表 3-1 所示。3-1 驅動電機參數(shù)表哈爾濱理工大學學士學位論文- 19 -（2）電機驅動芯片L298N 是 SGS 公司的產品，內部包含 4 通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準 TTL 邏輯電平信號，可驅動 46V、2A 以下的電機 [14]。其原理圖如圖 16 所示。圖 3-17 L298N 原理圖L298N 可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的 I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作，非常方便，用程序輸入對應的碼值，能夠實現(xiàn)對應的動作，有效控制電機運動，如圖 3-18 直流電機驅動原理圖。額定電壓： 12V 額定電流： 1A額定轉矩： 1N.M 額定轉速： 10-2000 rpm額定功率： 10W 型號： 520品牌： Aslong 產品類型： 有刷直流電動機產品認證： ROHS 外形尺寸： 27×33mm哈爾濱理工大學學士學位論文- 20 -圖 3-18 直流電機驅動原理圖L298N 使用方法簡單，能很容易的驅動小車的兩個直流減速電機。1和 15 和 8 引腳直接接地，4 管腳 VS 接 12V 的電壓，它是用來驅動電機的，9 引腳是用來接 6V 電壓的，它是用來驅動 L298 芯片的。再此，需要注意的是，L298N 需要從外部接兩個電壓，一個是給電機的，另一個給 L298N 芯片的。6 和 11 引腳是它的使能端，一個使能端控制一個電機，可以把它理解為總開關，只有當它們都是高電平的時候兩個電機才有可能工作，5、7、10、12 是 L298N 的信號輸入端和單片機的 IO口相連，2、3、13、14 是輸出端，輸入 5 和 7 控制輸出 2 和 3，輸入的10、12 控制輸出的 13、14。3.4 攝像頭云臺設計攝像頭云臺主要作用是在云臺電機的驅動下，有選擇的旋轉一定角度，同時，將這些角度通過無線數(shù)據傳輸模塊床給上位機（電腦或智能手機） ，我們再通過單片機和霍爾元件，控制小車的驅動電機，是小車按照攝像圖制定的方向前進。在整個過程中，要求云臺有自動復位的功能，也就是在小車旋轉到給定的角度后，云臺能回到初始位置，及所采集的視頻是小車的正前方。在作為智能手機的載體，云臺的結構，設計自由度極大地影響到小車定位、視頻傳輸這一塊的質量。綜上，攝像頭云臺的設計主要包括攝像頭云臺結構設計和驅動電機的選擇。哈爾濱理工大學學士學位論文- 21 -3.4.1 云臺電機及其驅動的選擇根據小車的設計需求，云臺旋轉的角度要有一個精確地控制。而步進電機最容易實現(xiàn)這樣的精確控制。可以根據給定的脈沖數(shù)，推算出 步轉角度進電機的旋轉角度，進而得出云臺的旋轉角度，再通過單片機，藍牙輸出模塊將數(shù)據傳輸給上位機，我們通過所顯示的角度值控制小車驅動電機旋轉頂你個角度，從而實現(xiàn)小車自身按照給定方向旋轉。在做小車前，已經買過兩個步進電機和驅動。所以為了降低成本，采用已有的器材。云臺驅動電機選用自帶減速裝置的 28BYJ-48 5V 步進電機。驅動選用 ULN2803APG 驅動板。ULN2803 芯片介紹：有 8 個 NPN 達林頓晶體管，連接在陣列非常適合邏輯接口電平數(shù)字電路 [15]，具體如圖 3-19。圖 3-19 ULN2803 引腳圖該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導通工作。該芯片的輸入端可以直接跟單片機 IO 口相連接，輸出端直接連接步進電機。工作時需要提供 5V 的外接電源。具體驅動步進電機的原理圖 3-20 所示。圖 3-20 步進電機驅動原理圖哈爾濱理工大學學士學位論文- 22 -步進電機 28BYJ48 型 四 相 八 拍 電 機 ，電 壓 為 DC5V—DC12V。 當 對 步 進 電機 施 加 一 系列連續(xù)不斷的控制脈沖時， 它可以連續(xù)不斷地轉動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度（一個步距角） 。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉子轉過一個齒距。其主要參數(shù)如表 3-2 所示。表 3-2 主要技術參數(shù)電機型號 電壓 V相數(shù)步距角度減速比N啟動轉矩啟動頻率定位轉 矩噪聲絕緣介電強度28BYJ48 5 4 5.63/6464 ≥300g.cm550P.P.S≥300g.cm≤35 6000VAC1S四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A） ，雙（ 雙 相 繞 組 通 電 ） 四拍（AB-BC- CD-DA-AB-） ，八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A ） 。步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR ）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5o 或 15o；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 1.5o，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家 80 年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 1.8o而五相步進角一般為 0.72o。這種步進電機的應用最為廣泛。紅線接電源 5V，橙色電線接 P1.3 口，黃色電線接 P1.2 口，粉色電線接 P1.1 口，藍色接 P1.0 口。由于單片機接口信號不夠大需要通過ULN2003 放大再連接到相應的電機接口，具體接線如表 3-3 所示。表 3-3 云臺步進電機接線與程序關系表橙 A P1.3 黃 B P1.2 粉 C P1.1 藍 D P1.0 十六制（P1 口） 1 0 0 0 0x081 1 0 0 0x0c0 1 0 0 0x040 1 1 0 0x060 0 1 0 0x020 0 1 1 0x030 0 0 1 0x011 0 0 1 0x09哈爾濱理工大學學士學位論文- 23 -速度計算公式：運轉速度=脈沖頻率×60/ 步進電機分割數(shù)/減速比 64 步進電機分割數(shù)=360/6.625 圖3-21 ，圖3-22是28BYJ48的實物圖和機構圖3.4.2 云臺的結構設計根據小車定位的需要，攝像頭云臺應安裝在小車車體的最上層，并且位于中間位置。這樣就保證了車在原地旋轉的時候，云臺的幾何位置不變，這樣避免了將云臺的旋轉角度轉化為小車旋轉角度過程中不必要的干擾因素，是計算更加簡單。在云臺的設計過程中，對于云臺的自由度主要小車工作的需求而定。圖 3-21 28BYJ48 機械結構圖圖 3-22 28BYJ48 實物圖哈爾濱理工大學學士學位論文- 24 -市場上大多數(shù)攝像頭自帶有兩個自由度，分別是左右和上下旋轉，只要將攝像圖固定在一個合適的位置，攝像頭可以左右上下旋轉，又很大的覆蓋面。在本次設計攝像頭云臺時，考慮到后續(xù)任務打，難度大，所以采用較為簡單的一個自由度，即只能沿著自身軸線旋轉。在確定了云臺安裝位置和功能要求后，下來就到云臺結構設計階段了。云臺的設計參數(shù)主要以下三部分決定，小車車體尺寸，智能手機尺寸和驅動電機尺寸。智能手機機以 iphone4s 為參考，其設計尺寸為 115.2×58.6×9.3mm，與小車連接的是四個 R3 的孔，距離為邊長是 140m 的正方形。云臺驅動步進電機自帶的連接孔是兩個相距 35.5mm 半徑是 R3 的孔。簡單結構如圖 3-23 所示：圖 3-23 云臺結構圖3.5 無線視頻傳輸模塊設計無線視頻傳輸就是指不用布線（線纜）利用無線電波來傳輸視頻、聲音、數(shù)據等信號的傳輸系統(tǒng)。無線視頻傳輸分為：模擬微波傳輸和數(shù)字微波傳輸。在無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭是最前端、最基礎、投資數(shù)量最大的一個產品，也是最關鍵設備，它負責對監(jiān)視區(qū)域進行攝像并轉換成電信號，再進一步用于傳輸，其質量直接影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體應用，同時還關系到工程造價。 模擬微波傳輸就是把視頻信號直接調制在微波的信道上（微波發(fā)射機，哈爾濱理工大學學士學位論文- 25 -HD-630） ，通過天線（HD-1300LXB）發(fā)射出去，監(jiān)控中心通過天線接收微波信號，然后再通過微波接收機（Microsat 600AM）解調出原來的視頻信號。如果需要控制云臺鏡頭，就在監(jiān)控中心加相應的指令控制發(fā)射機（HD-2050） ，監(jiān)控前端配置相應的指令接收機（HD-2060） ，這種監(jiān)控方式圖像非常清晰，沒有延時，沒有壓縮損耗，造價便宜，施工安裝調試簡單，適合一般監(jiān)控點不是很多，需要中繼也不多的情況下使用 [16]。數(shù)字微波傳輸就是先把視頻編碼壓縮(HD-6001D)，然后通過數(shù)字微波(HD-9500)信道調制，再通過天線發(fā)射出去。接收端則相反，天線接收信號，微波解擴，視頻解壓縮，最后還原模擬的視頻信號，也可微波解擴后通過電腦安裝相應的解碼軟件，用電腦軟解壓視頻。而且電腦還支持錄像、回放、管理、云鏡控制和報警控制等功能。這種監(jiān)控方式圖像有 720*576和 352*288 的分辨率選擇，前者造價更高，視頻有 0.2-0.8 秒左右的延時，造價根據實際情況差別很大，但也有一些模擬微波不可比的優(yōu)點，如監(jiān)控點比較多。環(huán)境比較復雜，需要加中繼的情況多，監(jiān)控點比較集中它可集中傳輸多路視頻，抗干擾能力比模擬的要好一點等優(yōu)點，適合監(jiān)控點比較多，需要中繼也多的情況下使用 [17]。無線視頻傳輸?shù)膬?yōu)勢：1.綜合成本低，性能更穩(wěn)定。只需一次性投資，無須挖溝埋管，特別適合室外距離較遠及已裝修好的場合；在許多情況下，用戶往往由于受到地理環(huán)境和工作內容的限制，例如山地、港口和開闊地等特殊地理環(huán)境，對有線網絡、有線傳輸?shù)牟季€工程帶來極大的不便，采用有線的施工周期將很長，甚至根本無法實現(xiàn)。這時，采用無線監(jiān)控可以擺脫線纜的束縛，有安裝周期短、維護方便、擴容能力強，迅速收回成本的優(yōu)點。2.組網靈活，可擴展性好，即插即用。管理人員可以迅速將新的無線監(jiān)控點加入到現(xiàn)有網絡中，不需要為新建傳輸鋪設網絡、增加設備，輕而易舉地實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控。3.維護費用低。無線監(jiān)控維護由網絡提供商維護，前端設備是即插即用、免維護系統(tǒng)。4.無線監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控和無線傳輸技術的結合，它可以將不同地點的現(xiàn)場信息實時通過無線通訊手段傳送到無線監(jiān)控中心，并且自動形成視頻數(shù)據庫便于日后的檢索。5.在無線監(jiān)控系統(tǒng)中，無線監(jiān)控中心實時得到被監(jiān)控點的視頻信息，并且該視頻信息是連續(xù)、清晰的。在無線監(jiān)控點，通常使用攝像頭對現(xiàn)場情況進行實時采集，攝像頭通過無線視頻傳輸設備相連，并通過由無線電波將數(shù)據信號發(fā)送到監(jiān)控中心。隨著互聯(lián)網技術的發(fā)展，視頻傳輸?shù)姆绞阶兊迷絹碓揭子趯崿F(xiàn)。加之智能手機越來越普及，很多人都用上了具備視頻對話功能的手機。所以智哈爾濱理工大學學士學位論文- 26 -能小車中的無線視頻傳輸完全可以借用一個支持 QQ 視頻功能的一般的智能手機，其構想圖如圖 3-24 所示。圖 3-24 無線視頻傳輸模型 3.6 電源模塊設計本次設計的另一個創(chuàng)新點就是采用太陽能電作為小車的各種電源。隨著國家對新能源開發(fā)的大力投入，我國的光伏產業(yè)去得了極大地發(fā)展，太陽能產品也得到了普遍的運用。經過市場調研，太陽能電池板的種類齊全，價格低廉。做智能小車采用太陽能電池板是個非常有意義的選擇。比如，減少浪費，保護環(huán)境，減少不必要的更換電池或者充電是智能小車更加方便智能化 [18]。3.6.1 太陽能電池板 太陽能電池是一種直接將太陽能轉換成電能的半導體器件。目前，廣泛應用的為單晶硅和多晶硅太陽能電池，也是這次實驗的主要元器件。在初期設計時，想組裝成 12V 太陽能小車。這將首先選型 12V 的太陽能電池板，如圖 3-25 所示。具體各元器件及參數(shù)為：5 瓦/18 伏（12 伏系統(tǒng)使用） ；尺寸 243×230×16 毫米；峰值電壓：17.2V；峰值電流：0.29A；開路電壓：21.6V；短路電流：0.33A；功率偏差：±3%；實物重量：0.56 千克；蓄電池一個（11.1V 1350mAh） ；直流電動機（12V 250rpm） 。