劉志君，席 文

(遼寧科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

隨著科技的發(fā)展，為了滿足科學(xué)研究在災(zāi)害中起重大作用的需求，研究設(shè)計(jì)并開發(fā)一臺(tái)用于在發(fā)生地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)害中可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)行駛等方式同時(shí)進(jìn)行環(huán)境勘探和自動(dòng)排障的新型智能小車，并可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的通信功能。

1 智能勘探車的整體方案設(shè)計(jì)

智能勘探車系統(tǒng)由兩部分組成：(1)由Labview編寫的上位機(jī)系統(tǒng)，控制小車機(jī)器臂的動(dòng)作和顯示小車的實(shí)時(shí)位置和現(xiàn)場(chǎng)照片；(2)由Arduino IDE編寫的下位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊和上位機(jī)系統(tǒng)建立通信。下位機(jī)系統(tǒng)以Arduino作為控制器，外圍電路由四部分組成：一是通過(guò)L298N對(duì)仿生機(jī)械臂的控制；二是包括溫濕度傳感器DHT11和用于人體感應(yīng)的紅外釋電傳感器HC-SR501的檢測(cè)電路；三是基于藍(lán)牙模塊的無(wú)線通信電路；四是基于超聲波傳感器的循跡和避障功能。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)考慮到勘探車的應(yīng)用環(huán)境比較特殊，車體采用不銹鋼板設(shè)計(jì)，控制器采用Arduino作為主控制器，通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳和對(duì)勘探車的控制。

2.1 智能勘探車驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)輸出電流較小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此需要使用L298N進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。L298N由 4個(gè)三極管組成H橋電路，可驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)兩相電機(jī)，輸入信號(hào)由單片機(jī)的I/O口直接給出。L298N模塊共設(shè)有6個(gè)引腳分別為ENA、ENB、IN1、IN2、IN3 和 IN4，可以通過(guò)6個(gè)引腳控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度[1]。引腳連接如圖2所示。

圖2 L298N與Arduino 連接電路圖

2.2 避障模塊硬件設(shè)計(jì)

避障模塊設(shè)計(jì)采用一個(gè) HC-SR04超聲波避障模塊和一個(gè)SG90舵機(jī)拼裝在一起，將其用固定螺絲安裝在小車車身的正前端，以便于超聲波傳感器可以對(duì)小車的前、左和右三個(gè)方位的障礙物進(jìn)行探測(cè)實(shí)現(xiàn)靈活避障。超聲波傳感器有4個(gè)引腳，分別為電源管腳(VCC)、接地管腳(GND)、發(fā)射管腳TRIG和接收管腳ECHO。VCC 、GND 、TRIG 、ECHO引腳通過(guò)杜邦線連接至控制板上的URF01端口，如圖3所示。

圖3 超聲波避障模塊硬件連接圖

2.3 人體感應(yīng)模塊硬件設(shè)計(jì)

HC-SR501模塊上具有兩個(gè)黃色可以手動(dòng)調(diào)整的旋鈕，調(diào)節(jié)距離的電位器可以進(jìn)行順時(shí)針?lè)较蚧蛘吣鏁r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，能夠分別增大和減小傳感器的感應(yīng)距離，最高可增大到七米左右，反之則可減小至三米左右。調(diào)節(jié)延時(shí)的電位器順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，感應(yīng)延時(shí)可加長(zhǎng)至三百秒左右，反之逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，感應(yīng)延時(shí)則可以縮短至零點(diǎn)五秒左右。在安裝時(shí)將其固定在小車車身的前端，保證行駛過(guò)程中能夠正常檢測(cè)前方是否有人。紅外熱釋傳感器模塊具有3個(gè)引腳，除了電源線(VCC)和地線(GND)外還有高低電平輸出引腳(OUT)，高低電平輸出引腳通過(guò)杜邦線連接至主控制板上的19號(hào)數(shù)字端口即A0端口[2]。如圖4所示。

圖4 人體感應(yīng)模塊硬件連線圖

2.4 循跡模塊硬件設(shè)計(jì)

循跡模塊采用的是紅外反射傳感器TCRT5000，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，模塊輸出為高電平，二極管燈滅，未檢測(cè)黑線，模塊輸出低電平，二極管燈滅，電路如圖5所示。

2.5 無(wú)線通信硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊選擇的是HC-06藍(lán)牙模塊，該模塊上共有4個(gè)管腳，分別為電源管腳(VCC)、接地管腳(GND)、數(shù)據(jù)發(fā)送管腳(TXD)和數(shù)據(jù)接收管腳(RXD), HC-06藍(lán)牙模塊在通電后會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為AT 模式，然后使用USB 轉(zhuǎn)TTL 連接到電腦[3]。利用計(jì)算機(jī)上的串口調(diào)試軟件對(duì)名稱和傳輸?shù)牟ㄌ芈实认嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)使得遠(yuǎn)程控制勘探小車十分便捷。電路如圖6所示。

圖5 循跡模塊硬件連線圖

圖6 藍(lán)牙模塊的硬件連線圖

3 仿生機(jī)械手的控制

智能勘探車不僅要控制車的行進(jìn)路線，也要對(duì)控制障礙物的抓取進(jìn)行控制，因此對(duì)機(jī)械手的控制尤為重要。本設(shè)計(jì)采用傳感器MPU-6050和單片機(jī)進(jìn)行串口通信，用來(lái)檢測(cè)機(jī)械手的動(dòng)作，單片機(jī)讀取傳感器存儲(chǔ)器中角速度，加速度的數(shù)值，進(jìn)行X軸、Y軸角度的轉(zhuǎn)換[4]。數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖

4 系統(tǒng)檢測(cè)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性和可行性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次的運(yùn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，可以實(shí)現(xiàn)智能勘測(cè)小車的智能行駛和自動(dòng)避障及通過(guò)APP遠(yuǎn)程控制小車運(yùn)動(dòng)和障礙物抓取等功能，并且可以實(shí)現(xiàn) Labview上位機(jī)對(duì)勘探車環(huán)境的溫濕度及生物體的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)顯示。進(jìn)行溫濕度測(cè)試監(jiān)視器每隔一秒讀取溫度顯示為溫度24度，濕度33%，當(dāng)進(jìn)行吹氣檢測(cè)后，監(jiān)視器溫度顯示33度～35度變化，濕度是37%～42%變化。通電一秒后， HC-SR501模塊初始化完成開始工作，當(dāng)HC-SR501模塊的感應(yīng)范圍內(nèi)有人經(jīng)過(guò)時(shí)，HC-SR501模塊的OUT端輸出高電平，在串口監(jiān)視器的顯示界面上顯示“有人”。上位機(jī)測(cè)試如圖8所示。當(dāng)小車在軌道上正常運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，若小車的正前方有強(qiáng)光照射或者光強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成TCRT5000紅外傳感器對(duì)于黑色軌道的識(shí)別不靈敏，則會(huì)導(dǎo)致小車不能正常修正運(yùn)動(dòng)路線，從而偏移軌道。綜上，可以在小車的前端下部安裝一個(gè)具有遮擋強(qiáng)光功能的半透明擋板，以便于減小強(qiáng)光對(duì)TCRT5000紅外傳感器感應(yīng)造成的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

文章主要設(shè)計(jì)并研究出了一款基于 LabVIEW和Arduino的可以進(jìn)行遠(yuǎn)程勘探和避障的小車。闡述了系統(tǒng)軟硬件結(jié)合的制作過(guò)程，通過(guò)多個(gè)不同的傳感器聯(lián)合重點(diǎn)解決了勘探小車在行駛過(guò)程中遇到小型障礙物時(shí)，小車可以自動(dòng)躲避或通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)人工輔助排除障礙等關(guān)鍵性的問(wèn)題，勘探小車達(dá)到了可以排障的目的。多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，小車擁有良好的排障及環(huán)境信息采集能力，可以被應(yīng)用到實(shí)際生活中。

圖8 功能測(cè)試示意圖