馮榮華，謝藝鑫，葉大鵬

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州350002）

田間路徑自適應(yīng)智能小車設(shè)計(jì)

馮榮華，謝藝鑫，葉大鵬

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州350002）

為實(shí)現(xiàn)田間智能化管理的要求，設(shè)計(jì)了一種路徑自適應(yīng)智能小車。利用傳感器模塊檢測路面情況，以單片機(jī)輸出PWM信號(hào)結(jié)合全橋驅(qū)動(dòng)芯片控制小車左、右輪的運(yùn)動(dòng)速度，使小車能在多變路徑下自動(dòng)行駛和避障。實(shí)驗(yàn)小車進(jìn)入場地遍歷所有路徑后駛出場地。結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高。

田間；智能化管理；自適應(yīng)；智能小車

智能小車是一種集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，涉及傳感器技術(shù)、微處理器控制、信號(hào)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)等諸多方面的內(nèi)容［1］。智能小車的制作與實(shí)現(xiàn)已引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。董濤等以STC89C52單片機(jī)為控制核心，結(jié)合紅外遙控器和多種傳感器制作了具有自動(dòng)避障與尋徑等功能的智能小車［2］；強(qiáng)彥等針對(duì)當(dāng)前紅外避障功能的不足，設(shè)計(jì)了一種基于雙路交叉紅外探測的智能小車［3］；李波等利用PIC單片機(jī)制作了一種基于磁傳感器陣列的自主循跡系統(tǒng)小車［4］。然而，在目前設(shè)計(jì)的循跡智能小車當(dāng)中，行駛路徑都是預(yù)先安排好且固定不變的，能夠自適應(yīng)多變路徑的智能小車較為少見。本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，采用超聲波傳感器和紅外傳感器模塊，結(jié)合電源電路、循跡電路和避障電路，設(shè)計(jì)一種可自適應(yīng)田間路徑環(huán)境的智能小車系統(tǒng)。

1　總體設(shè)計(jì)

1.1小車行駛方案

智能小車要行駛的路徑是一個(gè)模擬田間環(huán)境的場地，場地由圍墻和壟構(gòu)成。在場地中有且僅有一個(gè)障礙物，在壟端的左、右兩側(cè)通道中隨機(jī)放置。智能小車行走的基本要求是從左下方的入口進(jìn)入場地，避開障礙物，遍歷場地中所有的路徑后，從入口駛出場地。隨著障礙物放置位置的變化，每次所走的路線都會(huì)發(fā)生變化，智能小車需能夠自適應(yīng)這種多變路徑下的行駛要求。

1.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能小車的設(shè)計(jì)思想主要是模塊化，包括電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LED燈模塊、超聲波傳感器模塊和紅外傳感器模塊等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3循跡和避障路徑分析

小車行駛過程中所能夠遇到的障礙物情況和行駛的策略如圖2所示。圖2中，a、b是小車走到最后一壟時(shí)遇到墻體的情形，在a情況下右轉(zhuǎn)，在b情況下左轉(zhuǎn)。c、d是小車在上行過程中遇到壟端障礙物的情形，在c情況下右轉(zhuǎn)，在d情況下左轉(zhuǎn)。e、f是小車往回走的下行過程，在e情況下，不管前方是否有障礙物都左轉(zhuǎn)，在f情況下，不管前方是否有障礙物都右轉(zhuǎn)。g、h是小車在最后一壟行駛遇到障礙物時(shí)掉頭行駛的情形。i、j是小車在壟間行駛，出壟時(shí)遇到障礙物掉頭行駛的情形。

圖2　小車行走策略圖

2　硬件電路

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

考慮到要控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要2路PWM脈沖調(diào)制信號(hào)，避障過程需要3個(gè)超聲波傳感器和2個(gè)紅外傳感器輪詢檢測，故需使用有較高的數(shù)據(jù)處理能力和較大的存儲(chǔ)空間的單片機(jī)。我們選用了STC12C5A60S2單片機(jī)，因其運(yùn)行速度快，內(nèi)部集成了2路PWM，可用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的場合，且抗干擾能力強(qiáng)、操作方便，適用于嵌入式控制系統(tǒng)的高靈活、有效的設(shè)計(jì)方案［5］。

2.2穩(wěn)壓電路模塊

本系統(tǒng)采用鎳鎘充電電池供電。除減速直流電機(jī)需使用12 V電源外，單片機(jī)和其他模塊的工作電壓都是5 V，因此需要使用直流穩(wěn)壓電路將12 V電壓降為5 V。這里，我們使用抗干擾能力強(qiáng)、輸出精度高（誤差為±5%）的LM7805穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用L298N模塊驅(qū)動(dòng)小車直流電機(jī)，結(jié)合單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退和調(diào)速等功能。L298N是一種雙H橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，它的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，輸出通道的電流可以達(dá)到2 A，解決了驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力不足的問題［6–7］。由于使用的是線圈式電機(jī)，電機(jī)在從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)到停止?fàn)顟B(tài)或者從順時(shí)針狀態(tài)轉(zhuǎn)逆時(shí)針狀態(tài)時(shí)會(huì)形成很大的反向電流，故需加入二極管進(jìn)行泄流，以保護(hù)芯片的安全。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的原理圖如圖3所示。

圖3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

2.4傳感器模塊

傳感器模塊采用HC-SR04超聲波傳感器和E18-D80NK紅外傳感器來感知小車所處環(huán)境，幫助系統(tǒng)決策行走策略。單片機(jī)根據(jù)HC-SR04傳感器發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離［8–9］，用以確定避障操作。小車傳感器分布圖如圖4所示。

圖4　傳感器分布圖

3　智能小車系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)流程及主程序

主程序的流程圖如圖5所示。程序用C語言進(jìn)行編寫。下面給出了部分主程序代碼。

圖5　主程序流程圖

3.2走到最后一壟流程

為了簡化行駛路徑，小車啟動(dòng)進(jìn)行初始化后即調(diào)用走到最后一壟程序，其流程圖如圖6所示。走到最后一壟程序的主要目的是為小車行駛出壟時(shí)提供方向依據(jù)，如圖7所示。如果小車已經(jīng)走過了最后一壟，則在a情況下左轉(zhuǎn)，b情況下右轉(zhuǎn)；如果沒有走過最后一壟，則在a情況下右轉(zhuǎn)，b情況下左轉(zhuǎn)。以此保證小車行走不會(huì)迷失方向。

圖6　走到最后一壟流程

圖7　小車在壟間行駛出壟的情況

4　試驗(yàn)測試結(jié)果及分析

小車進(jìn)出一次場地為一次實(shí)驗(yàn)。我們變換障礙物的放置位置，每變換一次位置都進(jìn)行20次試驗(yàn)。小車所要行駛的路徑如圖8所示。實(shí)驗(yàn)場景如圖9所示。

圖8　行駛路徑圖

圖9　實(shí)驗(yàn)場景

如果小車速度過快就易在轉(zhuǎn)角處發(fā)生碰撞，因此，在行駛過程中需慢慢調(diào)節(jié)小車的速度，以保持小車行駛狀態(tài)的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可知，無論障礙物放置在哪個(gè)位置，小車都能夠?qū)崿F(xiàn)避開障礙行駛的目的。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)束語

本文以單片機(jī)為控制單元，采用穩(wěn)壓電源模塊、超聲波傳感器模塊、紅外傳感器模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)建了自適應(yīng)農(nóng)田路徑的智能小車控制系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)場地中，隨著障礙物放置位置的不同，小車遍歷所有壟所走的路線也有所不同。系統(tǒng)以模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。如需提高小車的智能化和實(shí)用性，可增加自動(dòng)識(shí)別農(nóng)作物、農(nóng)藥噴灑和變量施肥等功能。

［1］BISHOP R.Intelligent Vehicle Applications Worldwide［J］. IEEE Intelligent Systems and Their Applications，2000，15（1）：78-81.

［2］董濤，劉進(jìn)英，蔣蘇.基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)與制作［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2009（2）：380-382.

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［4］李波，楊衛(wèi)，張文棟，等.一種智能小車自主尋/循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012（10）：2798-2801.

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［8］高云.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（4）：76-79.

［9］沈燕，高曉蓉，孫增友，等.基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（7）：126-129.

【責(zé)任編輯梅欣麗】

Design of Self-adaptive Intelligent Vehicle for Field Path

FENG Ronghua，XIE Yixin，YE Dapeng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China）

In this paper，for realizing field intellectualization，an intelligent field path self-adaptive vehicle，which could identify various paths and avoid obstacles，was designed.The vehicle first detected pavement condition through the sensor module，then combined the output PWM signal and full-bridge driver chip to control its velocity of left and right wheels.Thus it could automatically avoid obstacles in various paths to accomplish self-adaptation.The result showed that the whole system could reach the expected goal with steady running and high reliability.

field；intelligent management；self-adaption；intelligent vehicle

TP24

A

2095-7726（2016）09-0049-04

2016-05-11

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016J05110）；福建省高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目（612014017）

馮榮華（1991-），男，福建漳州人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。

葉大鵬（1971-），男，福建霞浦人，教授，博士，研究方向：環(huán)境監(jiān)測與控制。