标题 | 人机互动多功能智能小车的设计 |
范文 | 李佳钰 摘要:作品选用普通小车为车体,以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心,用L298N驱动双直流电机。把物联网技术运用到设计中,集成了蓝牙和Wifi等无线协议,充分利用智能手机终端进行开发,将各种控制功能集成到手机端,实现了无级平滑调速,360度全方位运动,使人机交互更加灵活、方便,体现了基于物联网的设计创意。 关键词:智能小车;人机交互;语音控制;触屏控制;物联网技术 中图分类号:TP23 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2018)20-0179-02 作为物联网重要的发展方向,智能机器人也在市场中应运而生。智能小车是机器人中的一种,它涉及多个学科,机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等,是众多领域的高科技[1]。全国电子竞赛与各省电子竞赛几乎每次都有智能小车方面的题目,全国各大高校也都重视该项目的研究,可见智能小车具有较高的研究意义。 本设计为了实现基于物联网的设计创意,把物联网运用到智能小车的研究中,利用物联网技术把信息传感设备连接起来,实现智能化控制。集蓝牙控制,Wifi实时监控,多传感器融合的自动避障,人体红外感知,智能语音控制,语音反馈提示等功能模块于一身,通过Android平台开发手机端程序控制小车的运动,实现了无级平滑调速,360度全方位运动,形成了更为复杂、精确的操控。充分利用智能手机终端进行开发,将各种控制功能集成到手机端,使人机交互更加灵活、方便,并且避免了硬件的复杂性与局限性[2]。本选题体现出了基于物联网的创意特色,实现了与物联网技术的有机结合,形成了综合的物联网体系。 1 设计方案 作品选用普通小车为车体,以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心,用L298N驱动双直流电机。把物联网技术运用到设计中,集成了蓝牙和Wifi等无线协议,充分利用智能手机终端进行开发,将各种控制功能集成到手机端,实现了无级平滑调速,360度全方位运动,使人机交互更加灵活、方便,体现了基于物联网的设计特点。 1.1 车体结构 整个小车主要分为三大部分:车体、L298N电机驱动板、Arduino MEGA2560 R3开发板,电机,开关,电池盒等。L298N电机驱动板负责将Arduino MEGA2560 R3开发板的输出信号转换成电机的驱动信号,来控制电机的动作。此外小车还加入了超声波测距模块,无线蓝牙传输模块,人体红外模块,红外测速模块等。小车使用双电机双轮驱动,左侧的轮子由左电机驱动,右侧的轮子由右电机驱动,其中通过双轮之间的速度差异和双轮的转动方向来控制转弯,前进和后退[3]。其实物图如图1所示。 1.2 功能简介 人机交互多功能智能小车实现的主要功能有: (1)实现用手机端控制小车的功能,手机端采用Android平台,小车使用C语言来控制,通过蓝牙通信协议来实现手机端与小车的数据传输与人机交互; (2)设计语音与触屏两种模式控制小车的行为,可以实现无级平滑调速,360度全方位运动; (3)具有超声波测距和红外线测速的功能,能对前后左右四个方向障碍物的距离进行测量,以及计算小车行驶的速度,并在手机端实时显示; (4)在手机端实时显示遥控数据、车速和障碍物距离相关数据等; (5)在小车上安装有网络摄像机,实现了基于Wifi协议的无线视频传输,在手机端可以进行实时监控; (6)在遇到障碍物,人等情况下,在手机端能够实现语音反馈提示; (7)预留多路开关型传感器接口,可以自行安装各类传感器,配合程序实现功能扩展。 1.3 手机端控制结构 作品采用Android手机端程序与多功能智能小车进行交互,通过蓝牙通信实现了对小车进行语音与触屏两种模式的操控,并且对小车传送回来的数据进行处理,包括障碍物距离、实时速度、人体红外检测等信息的实时显示,还能够对周围环境变化进行语音反馈提示;加入了视频监控的模块,能够在手机端实时查看小车周围的环境视频信息[4]。手机端的控制界面如图2所示。 2 实现方法 2.1 核心板开发 作品以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心,小车上的蓝牙控制,多传感器融合的自动避障,人体红外感知,智能语音控制,运动速度和方向的控制都是基于核心板开发实现的。Arduino是一块以ATmega2560为核心的微控制器开发板,本身具有54组数字I/O端,16组模拟比输入端,4组UART,使用16 MHz crystal oscillator。Arduino是一个基于开放原码的软硬件平台,使用Java概念(跨平台)的C语言开发环境,Arduino功能强大,开发迅速。 2.2 Android手机端程序开发 作品采用Android手機端程序与多功能智能小车进行交互,使用Java语言进行Android平台的开发。在实现原理上,首先利用手机端蓝牙模块搜索周围蓝牙设备,进而匹配小车,并建立与小车的连接,准备进行手机端与小车的数据通信;然后在手机端实现了语音与触屏两种操控方式,以便对小车进行更加灵活的控制;还能够对小车传送回来的数据进行处理,包括障碍物距离、实时速度、人体红外检测等信息的实时显示,并能够自动躲避障碍物,对周围环境变化进行语音反馈提示等;加入了视频监控的模块,能够在手机端实时查看小车周围的环境视频信息[5]。手机端开发的功能模块如图3所示。 2.3 智能语音控制 智能语音控制的具体工作过程如图4所示。首先,用户点击手机屏幕上的语音操控按扭,这时系统会调用Google提供的语音搜索服务,并弹出一个语音搜索的对话框,提示用户进行语音输入;然后,用户只需说出相应的指令,如“前进”“后退”“左转”“右转”“停止”等,系统在获取到用户的语音指令后,会自动将语音信息发送到Google的语音识别服务器,由服务器端进行语音信息的识别,然后将识别的结果发送回手机端,如果在这个过程中有错误,服务器会发送相应的错误提示信息;最后,客户端将根据服务器发回的结果,进行相应的处理,包括向小车发送动作命令。这样,就实现了由语音控制小车行为的目的。 3 技术路线 人机交互多功能智能小车主要分为三部分:Arduino MEGA2560 R3开发板,L298N电机驱动板,以及基于Andriod平台的移动手机终端,通过这三部分我们完成了小车的大致框架。 Arduino MEGA2560 R3开发板是沟通小车与手机端的桥梁,在Arduino MEGA2560 R3开发板与手机端之间采用无线蓝牙通信协议来实现数据传输,并且Arduino MEGA2560 R3开发板将收到的数据转换成相应的信号传给L298N电机驱动板,此外Arduino MEGA2560 R3开发板上还安装超声波测距模块,人体红外检测等模块[6]。 手机端编写的应用程序将Arduino MEGA2560 R3开发板传来的数据接收并处理,将得到的结果在手机端显示出来,在手机端设有语音控制和触屏控制的功能,以及智能语音反馈提示的功能,还加入了视频监控的模块,能够在手机端实时查看小车周围的环境视频信息[7-8]。 本作品开发的技术路线如图5所示。 4 结论 本作品多功能智能小车主要分为三部分:Arduino MEGA2560 R3开发板,L298N电机驱动板,以及基于Andriod平台的移动手机终端,通过这三部分我们完成了小车的大致框架。小车以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心,用9v电池供电,以满足单片机及驱动等其它模块对电压的需求。 移动手机终端编写的应用程序将Arduino MEGA2560 R3开发板传来的数据接收并处理,将得到的结果在手机端显示出来,在手机端开发语音控制和触屏控制的功能,能将传达的指令转化成数据发送给Arduino MEGA2560 R3开发板,由其将数据转换成信号发送给L298N电机驱动板,最终实现手机端对小车的控制。 由于客观条件所限,本作品还有一些功能需要由后续的工作来进一步完善: 1)开发具有行走轨迹记忆功能和跟随人体运行功能的模块,使其更加智能化和娱乐化; 2)添加一个机械手,使其能够完成更多的动作。 参考文献: [1] 刘云浩. 物联网导论[M]. 北京:科学出版社,2011. [2] 桂劲松. 物联网系统设计[M]. 北京:电子工业出版社,2017. [3] 于洋. 基于Arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设计[D]. 吉林大学,2017. [4] 李宁. Android開发权威指南 [M]. 2版.北京:人民邮电出版社,2013. [5] 赵德安,等. 单片机原理及应用[M]. 北京:机械工业出版社,2004. [6] 程晨. Arduino开发实战指南[M]. 北京:机械工业出版社,2016. [7] 贺安坤,张亮,宋长青,薛进. 基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与研究[J]. 微计算机信息,2012,28(9):168-169. [8] 沈显庆,张炜玮,常佳龙. Linux和Android手机终端的WiFi视频监控系统[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2014(11):28-31. |
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