智能无线控制小车设计

学士学位论文I智能无线控制小车设计摘要智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。目前，智能移动机器人，无人自主车等领域的研究进入了应用的阶段，随着研究的深入，对移动机器人的自主导航能力，实时监控功能，动态避障策略和时间等方面提出了更高的要求。本次设计的简易智能小车，采用 AT89C51 单片机作为小车的检测和控制核心；采用无线蓝牙来实现对小车运动的状态的控制；采用霍尔元件来测量小车运行速度，旋转角度；采用智能手机来实现小车的视频传输模块。无线控制模块使小车具备启动停止，加减速、转向等功能;视频传输模块使小车具备实时监控，定位等功能；最后将两者通过单片机联系到一起，实现所智能无线控制小车的基本功能。本设计的智能小车结构简单，技术发展成熟，较容易实现，但各模块之间的联系、软件设计以及整个系统的优化都具有很大的灵活性。不管采用什么思路，智能化、人性化，一定程度在小车上得以体现。关键词 蓝牙控制模块；霍尔元件；太阳能电池板；单片机学士学位论文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 robots 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学士学位论文III目录摘要 IAbstract.II第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景 11.2 智能小车的研究现状 21.3 本章小节 2第 2 章 智能小车的可行性分析 .42.1 题目分析 42.2 方案选择 .4 2.3 总体方框图 .5 2.4 本章小节 .6 第 3 章 硬件设计 7 3.1 主控模块的设计 .7 3.1.1 单片机的内部结构 .8 3.1.2 单片机的引脚功能 83.1.3 单片机最小系统 93.2 无线通讯模块设计 123.2.1 蓝牙模块的选择 .133.2.2 蓝牙模块 BF10 133.3 小车车体设计 163.3.1 小车车体的结构设计 163.3.2 电机及驱动的选用 173.4 摄像头云台设计 203.4.1 云台电机及其驱动的选择 213.4.2 云台的结构设计 .23 3.5 无线视频传输模块设计 24 3.6 电源模块设计 263.6.1 太阳能电池板 .26 3.6.2 电源测试 273.6.3 实际应用 323.7 转向与转速的闭环控制 333.7.1 霍尔元件 343.7.2 转速测量方法 .35 学士学位论文IV3.8 本章小节 .36 第 4 章 软件设计 .374.1 模糊控制算法 374.1.1 模糊理论的发展和原理 .37 4.1.2 智能小车中的模糊算法 .37 4.2 软件设计框图 374.3 软件程序设计的部分原程序 .39 4.4 程序的烧写过程 40 4.5 本章小节 .42 第 5 章 制作和调试 43 5.1 使用的仪表和软件 435.2 系统制作 43 5.3 系统调试 .43 5.3.1 硬件调试 435.3.2 软件调试 445.3.3 联合调试 .45 5.4 本章小节 45致谢 46 参考文献 .47附录 A 翻译文献 48 附录 B 小车机械结构三维模型图 .61附录 C 智能小车控制电路图 62 哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。同时，太空资源、海洋资源的开发与利用为移动机器人的发展提供了广阔的空间。目前，智能移动机器人，无人自主车等领域的研究进入了应用的阶段，随着研究的深入，对移动机器人的自主导航能力，实时监控功能，动态避障策略和时间等方面提出了更高的要求。地面智能机器人路径规划，是行驶在复杂动态自然环境中的全自主机器人系统的重要环节，而地面智能机器人全地域全自主技术的研究，是当今国内外学术界面临的挑战性问题 1。智能无线控制小车是智能移动机器人的典型代表，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。理想的自主移动机器人可以不需人的干预在各种环境中自主完成规定任务，具有较高的智能水平，但目前全自主的移动机器人还大多处于实验阶段，进入实用的多为自主移动机器人 2，通过人的干预在特定环境中执行各种任务，而遥控机器人则完全离不开人的干预。智能无线控制小车技术研究综合了无线遥控、视频传输、定位与运动控制等技术。涉及包括蓝牙遥控、视频采集、路径控制等模块，作为移动机器人的主要组成部分。移动机器人的运动控制主要是完成移动机器人的运动平台，提供一种移动机器人的控制方式。性能良好的移动机器人运动控制系统是移动机器人运行的基础，能够服务于移动机器人研究的通用开发平台。运动控制是智能无线控制小车的执行机构，对小车的平稳运行起着重要作用。随着新的智能控制算法的不断涌现，移动机器人正向着智能化方向发展，这就对运动控制系统性能提出了更高的要求。设计实现智能无线控制小车的控制系统，能够熟悉移动机器人硬件和软件的开发，掌握移动机器人的运动控制特性，为后续的移动机器人的功能扩展搭建一个可行、稳定的平台，而这个平台则可以成为多种机器人开发的公共基础平台。实现智能移动机器人控制系统的开发具有一定的现实意义，将为以后的移动机器人开发奠定坚实基础。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -1.2 智能小车的研究现状移动机器人的研究始于 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动机器人 Shakey3。70 年代末，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是 80 年代中期以来，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美国通用电气、日本本田、索尼等开始研制移动机器人平台，这些促进了移动机器人学多种研究方向的出现。例如，轮式移动机器人的代表作有：Smart Robots 公司推出的新型基于 Linux 的移动机器人 SR4；美国Activmedia Boties 公司用于教学的 P3-Dx 轮式移动机器人；卡内基梅隆研发的 Nomad 移动机器人；美国国家航天航空局闻名遐迩的火星登陆车“ 勇气号”等 4 。我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，已在工业机器人特种机器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。在“七五”期间，完成了示教再现工业机器声成套技术。为了跟踪国外搞技术，80 年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人高功能装配机器人和多种特种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果。其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴的 as-r 机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的 casia-i 自主移动机器人的中科院自动化所；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学，研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等 5。当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构导航定位路径规划传感器信息融合技术智能技术移动机器人传感器技术等研究。我国自“八五”期间开始进入这一研究领域，并在国家 863 计划中予以重点支持。较为全面对路径规划、视觉导航、信息融合、自动驾驶等一些基本的智能机器人技术做了探索，所形成的一些关键技术成果也在其他领域得到应用。我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已经取得了突破性进展，缩短了同发达国家的差距，但是在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用方面，同发达国家相比，我国仍存在较大差距。1.3 本章小节本课题采用通用 51 单片机实现轮式移动机器人电机驱动和闭环调速。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -实现基于 wifi 的无线视频监控和无线蓝牙控制设计，为机器人提供简单方便的障碍物检验和导航 6。DSP 实时监测驱动电动机的正交编码脉冲实现移动机器人的运动学定位，作为机器人一种比较粗略的定位方式，可以作为后续高精度定位方式的补充。无线控制使小车具备启动停止，加减速、转向等功能，视频传输模块使小车具备实时监控，定位等功能，最后将两者通过单片机联系到一起，实现所智能无线控制小车的基本功能。移动机器人控制系统设计与实现的主要内容有底层系统设计和控制系统的实现：（1）移动机器人底层系统设计：移动机器人的底层系统设计包括移动机器人的控制电路设计、电机驱动电路设计和无线控制电路设计。底层设计涉及到的软件算法包括电机驱动和速度闭环、电机码盘的机器人定位、视频传输等。（2）移动机器人的控制系统的实现：移动机器人控制系统的主要内容是生成机器人的运动控制信息，控制机器人的运动。无线遥控是移动机器人需要完成的任务之一，其典型工作过程为机器人完成相应的移动，完机器人的前进、后退、转向、加减速。运动控制过程中用到的视频输入信息包括 WiFi 模块提供的无线上网信息，电机码盘提供的机器人的位置、速度信息，摄像头云台提供的物体的方位信息，以及视觉摄像机采集并经过处理后的视频信息等。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -第 2 章 智能小车的可行性分析2.1 题目分析顾名思义，智能无线控制小车的本质就是一种小车，或者说是一种轮型机器人，相比与一般的玩具小车，这种小车具备无线控制等多种功能，智能程度较高，所以称之为智能小车。通过对题目进行了充分的分析和思考，将得出下列目标、任务、及指标。1.目标：设计制作一个智能轮型机器人，能够具有无线遥控、显示和视频传输功能。2.任务：（1）远距离控制轮型机器人前进、后退、加减速、停止等，使其按照自己的意愿行走。（2）显示小车行走的一些速度、转角等基本信息。（3）能够远距离的将云台摄像头的视频及时、不失真的传输给上位机。3.指标：（1）采用无线蓝牙遥控器在一定的范围内控制轮型机器人运动。（2）采用智能手机的无线视频传输技术，将轮型机器人所拍到的视频及时床输给上位机，通过上位机观察其周围情况。2.2 方案选择对于方案的可行性分析，主要根据方案的成熟程度、所需的技术难度、可靠性还有性价比。本小节将宏观的对智能无线控制小车各个功能模块进行初步的选择与优化。1.无线遥控模块方案一、采用红外遥控模块。本模块发射部分由 PT2262 芯片完成编码，并通过 F05V 微型发射模块发射信号，接收部分由 J05U 超外差式接收模块接收信号，并由 PT2272 完成解码。但此模块有个致命的缺点，就是定位、移动的精度无法满足智能小车的设计要求。方案二、采用无线蓝牙模块。随着通信技术的发展，蓝牙技术已日趋成熟，各种新型产品层出不穷。其中的无线蓝牙数据传输控制器，已发展为可以双向传输数据，SPP 蓝牙串行服务,非常方便和手机、PC 等连接。所以对于智能小车的无线遥控模块，采用优势明显的无线蓝牙模块 BF-10。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -2.无线视频传输模块方案一、购买 WIFI-Robot 驱动板 7，参照网络教程做出 WIFI 智能车。此方案简单所需的软硬件都可以在网上买到，但此方案对于初次尝试坐智能小车的我来说，不确定因素大，难于实现。方案二、采用具备视频功能的手机，设计合适的摄像头云台，将其固定在给定的摄像头云台上，从而通过互联网进行手机与手机，手机与电脑之间的视频传送。该方案原理简单，成本低，易于实现，并且能够达到规定的要求。所以采用方案二。3.主控制模块智能小车的控制板主要有两种选择：凌阳单片机和 51 单片机。由于课本本中学过 51 单片机，并且手中有现成的两块 STC89C51 板，所以选用它作为智能小车的主控制器。4.电源模块在电源模块的设计中，我们考虑到在满足各模块工作电压的需求的同时，尽可能做到绿色环保，无公害。经过市场调查，发现采用太阳能电池板是个不错的选择。根据小车的功率选择合适的太阳能电池板。设计稳压电源时，考虑到电池电压较低，并且在电量损耗时存在电压降低的情况，应此我们采用了低压差的稳压芯片 LM2940。2.3 总体方框图根据以上方案，对于小车的大致结构有了系统的认识，小车的总体方框图如下图 2-1。图 2-1 主板设计框图 哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -2.4 本章小节本章主要从原理上对小车的可行性进行分析，首先对智能小车题目进行分析论证，即确定小车应该具备什么功能。然后是方案的选择方面，在很多方案中选择一种最简单可行的方案，来实现所要达到的功能。最后，系统的列出系统的设计框图，作为后续章节的设计主线。哈尔滨理工大学学士学位论文- 7 -第 3 章 硬件设计本系统硬件主要有五大模块组成：单片机控制模块、无线遥控模块、无线视频传输模块、电机及其控制模块和电源模块。3.1 主控模块的设计本模块采用 51 系列单片机作为核心处理器。单片机控制系统基本由最小系统和外围信号 I/O 口组成，其中最小系统包括电源（地） ，CPU 时序电路（一般使用 11.0592M 或者 12M 和 30P 电容组成） ，复位电路。有了以上三块，单片机就能够正常工作。STC89C51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 STC89C51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用 STC89C51 的 IO 端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映 8。如图 3-1 是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。图 3-1 带烧录接口的单片机最小系统哈尔滨理工大学学士学位论文- 8 -3.1.1 单片机的内部结构一个基本的 MCS-51 单片机通常包括：中央处理器、ROM、RAM、定时/ 计数器和 I/O 口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从而实现数据通信。其内部框图如图 3-2 所示。3.1.2 单片机的引脚功能常见的 51 单片机中一般采用双列直插（DIP）封装，共 40 个引脚。图 3-3 为引脚排列图。其中的 40 个引脚大致可以分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。图 3-3 STC89C51 引脚排列图图 3.2 MS51 单片机结构图图 3-2 单片机结构框图哈尔滨理工大学学士学位论文- 9 -（1）电源1 VCC：芯片电源端，一般为+5V。2 GND：接地端。（2）时钟1 XTAL1：晶体振荡电路的反相输入端。2 XTAL2：晶体振荡电路的输出端。（3）控制线1 MCS-51 单片机的控制线有 4 根，其中 3 根是复用线，具有两种功能。ALE/Error!：地址锁存允许/编程脉冲。2 PSEN：外部 ROM 读选通信号。3 RST：复位引脚。4 Error!/VPP ：内外 ROM 选择/EPROM 编程电源。（4）I/O 引脚MCS-51 单片机共有 4 个 8 位并行 I/O 端口，共 32 个可编程 I/O 引脚。3.1.3 单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振 荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图 3-4 所示。图 3-4 最小系统电路图（1）电源供电模块哈尔滨理工大学学士学位论文- 10 -对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51 单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51 单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的 USB 口供给，也可使用外部稳定的 5V 电源供电模块供给，如图 3-5 所示。电源电路中接入了电源指示 LED，图中 R11 为 LED 的限流电阻。S1 为电源开关。图 3-5 电源模块电路图（2）复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在 RST 引脚出现大于 10MS 的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位” 按钮，使单片机进入复位状态。如图 3-6 是上电复位及按钮复位的一种实用电路。哈尔滨理工大学学士学位论文- 11 -2uVC01KRST图 3-6 复位电路（3）振荡电路单片机的时钟产生有两种方法：内部时钟方式和外部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路 9。STC89C51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。如图3-7 所示，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值通常取 30PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。图3-7 振荡电路图STC89C51 使用 11.0592MHz 的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在 15pF 至 50pF 之间 10。哈尔滨理工大学学士学位论文- 12 -（4）烧写接口电路RST 置高电平，然后向单片机串行发送编程命令。P1.7(SCK)输入移位脉冲，P1.6(MISO)串行输出，P1.5(MOSI)串行输入。被烧写的单片机一定是最小系统（单片机已经接好电源，晶振，可以运行） 。如图 3-8 程序下载接口电路。 C1+VD235E6TOU7RIN890GMAXuFB串P_图3-8程序下载接口电路3.2 无线通讯模块设计无线通讯模块主要完成对小车运动无线遥控功能。 红外线和可见光具有相同的特性，因此只能直线传输。作为一种特替代方法，遥控器可以将射频（RF）用作无线传输媒介，这样一来就能穿透不透明物体和固定障碍物。射频的这一固有特性还能给用户赋予一种全新的自由感和移动体验，并大大延伸作用距离。过去的十年中涌现了一系列无线技术，如蓝牙、无线USB 、 WiFi 、Z-Wave、ZigBee 以及工作于不同频段的其它射频解决方案11，它们能够简化有线网络，覆盖家庭、办公室等任何场所。这些技术各不相同，而且针对不同的应用。每一项技术都拥有各自的优缺点。 我们究竟选用何种无线射频技术来解决我们的家居遥控问题呢？ 蓝牙主要用于手机的无线耳麦，并正在进入汽车领域，用于相同的应用。蓝牙 2.1 版有望克服耗电量大的缺陷。由于蓝牙的工作频率与 Wi-Fi、无绳话机和微波所使用的未经许可的 2.4GHz ISM（工业/科学研究/ 医疗）频段重叠，在家庭环境中使用蓝牙遥控器极有可能产生通信延时和电池寿命缩短的问题，因为它采用了易受干扰的跳频扩频（FHSS）回避机制。Z-Wave 和 ZigBee 是两个针对但不限于自动化和传感器网络应用的协议。它们都工作在 900MHz ISM 频段，ZigBee 还提供 2.4GHz 版本。虽然900MHz 解决方案的确能够提高信号的穿透性，但却以牺牲数据速率为代价，很多人对此不能接受。Wi-Fi 毫无疑问是当今最常见的无线技术之一。哈尔滨理工大学学士学位论文- 13 -WiFi 提供足够的带宽，不仅能够用于显示，而且能够将丰富的媒体内容传送到遥控器上。虽然 WiFi 看起来是一种理想的射频技术，但每一种技术都有缺点，WiFi 也不例外：功耗和系统成本是它的两大短板。认证无线USB 技术也有类似的缺点，该技术是一项电缆替代标准。采用无线 USB技术的遥控器能够保留有线 USB 在承载架构、功能和数据速率方面的优势，并可充分利用相关的设计开发经验 12。但对于习惯于生产 1 到 2 美元的红外遥控器的大多数制造商而言，这种技术太过昂贵。蓝牙是一种短距的无线通讯技术，电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来，省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子产品能够在十公尺的距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟 1 兆字节。以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的距离，而现在有了蓝牙技术，这样的麻烦也可以免除了。本此设计采用一种利用蓝牙系统建立手机或 PC 控制端与智能小车之间的无线通讯，实现了手机或 PC控制智能小车的功能，并提出了一种手机遥控小车的解决方案。实验结果表明，此方案可以较为理想地实现电脑控制。3.2.1 蓝牙模块的选择 市场上开发的出的蓝牙模块比较具有代表性的有爱立信ROK101007、CSR 的 bluecore2 E 蓝牙模块、DELTA 公司的 DFBM-CF121 蓝牙芯片等。考虑经济性已经适用性的原因，我们选用遵从蓝牙1.2 协议以上的芯片模块，综合考察市场，我们选用由 深圳蓝色飞舞科技公司生产的蓝牙模块 BF10。 具体实物如图 3-9 所示。图 3-9 蓝牙模块 BF10 实物图3.2.2 蓝牙模块 BF10BF10 蓝牙通信模块为深圳蓝色飞舞科技公司自主开发的智能型无线数据传输产品，本产品标准型支持： 4800bps1382400bps 等多种接口波特哈尔滨理工大学学士学位论文- 14 -率，支持从模式，支持 64 通道蓝牙替代串口线，应用原理图如图 3-10 所示。3-10 BF10应用电路图 采用世界领先的蓝牙芯片供应商CSR的BlueCore4-Ext芯片，完全兼容蓝牙2.0规范，硬件支持数据和语音传输，最高可支持3M调制模式。语音接口支持PCM协议。 BF10模块高灵敏性接收，低成本，体积小巧，低功耗 5。其引脚图如图3-11 所示。1模块描述及应用原理供电： +3.3VRESET 复位： 低有效，上拉 470K 电阻到 3.3V，下接 0.1uF 电容到 地。PIO0：主从模式设置脚，悬空或者高电平表示主模式，低电平表示从模式。PIO1：蓝牙连接状态脚，高电平表示连接成功。PIO7：蓝牙连接指示脚，接 LED 灯及电阻到地。主模式下未连接成功频率较慢闪烁，连接成功常亮。从模式下未连接成功频率快闪烁，连接成功常亮。PIO5 清空配对蓝牙配对地址，平时为低，高脉冲则清空。哈尔滨理工大学学士学位论文- 15 -3-11 BF10引脚图UART_TX 蓝牙模块串口数据发送脚，接单片机的 RXDUART_RX 蓝牙模块串口数据接收脚，接单片机的 TXD2工作模式 （1）主模式工作流程：1 若存在配对地址则连接对应的蓝牙设备（不记忆模式则直接跳至） 。 22 若不存在已配对的地址，则模块扫描周围蓝牙设备（相同设备类型码） 。3 找到蓝牙设备后配对连接（输入配对码） 。4 连接成功之后打开串口，PIO1、PIO7 高电平表示连接成功，串口数据可以全双工通信。（2）从模式工作流程：1 等待主模块来连接。2 检验配对码是否正确。3 连接成功后，PIO1、PIO7 置高，串口数据可以全双工通信。3. 应用方法（1）操作方式：1 将 PIO0 接地，设置为从模式。2 将 PIO6、 PIO7 、PIO8、 PIO9 、PIO10、 PIO11 悬空或者置高，设置为 64 通道。3 设置 PIO2、 PIO3 、PIO4 、PIO5 为对应需要的波特率。4 给模块上电，等待 PC 蓝牙适配器、PDA 等主机设备连接该模块。哈尔滨理工大学学士学位论文- 16 -5 连接成功后，PIO1 脚都是输出为高低脉冲。若连接成功之后，PIO1 管脚输出为高电平。可以连接一个 LED 进行显示状态。（2）串口通信波特率：1 设置两个模块的 PIO6 PIO7 PIO8 PIO9 PIO10 PIO11 相同的通道，不能为通道 64（即全高电平） 。具体参考设置模块通道2 模块上电，主模块则自动去查找该通道的从模块，此时主模块和从模块的 PIO1 脚都是输出为高低脉冲。若连接成功之后，主从模块的 PIO1 管脚输出为高电平。可以连接一个 LED 进行显示状态。3 连接成功之后，两个模块两端就能进行串口数据全双工通信了。从客户端模式从客户端模式是用在被电脑的蓝牙适配器、PDA、手机等通用蓝牙设备连接进行数据传输的情况，原理图如图 3-12。图 3-12 应用原理框图 3.3 小车车体设计小车车体作为整个系统的载体，车体的形状、设计理念直接影响到后续云台的设计。对于小车车体的设计，我主要研究小车车体的机械结构设计，小车驱动电机的选择和驱动模块的选择。3.3.1 小车车体的结构设计对于小车的结构，主要要求车体较大，有足够的摄像头云台和电源模块的放置空间，同时还应该结构简单。智能小车采用两个驱动轮，负责校车的动力，分别位于小车的左右两侧，小车的前后采用两个万向轮。这样小车就可以原地旋转 360，并且转向平稳、灵活。具体结构如图 3-13 所示。哈尔滨理工大学学士学位论文- 17 -图 3-13 车体结构3.3.2 电机及驱动的选用本次设计中采用了 L298N 驱动两台独立直流电机分别控制小车的左轮右轮实物图如图 3-14。向小车发送左转或右转指令时，可以分别控制两轮的转速，使程序简洁，方便。前轮则用一个可自由旋转 360 的小轮代替，无论是停止还是转向，前轮都可以随之改变，方便操作，简化了程序的复杂性 13。图 3-14 L298N 实物图（1）电机方案的论证与比较方案一：采用步进电机，精确度较高，一般步进电机的精度为步进的3%-5%，且不积累，缺点是体积较大，速度较慢，且价格较高。哈尔滨理工大学学士学位论文- 18 -方案二：采用直流电机，直流电机运转平稳，可以保证小车运行的精度，虽然其控制的精确度没有直流电机的高，但完全可以满足本设计中的要求，而且价格也比较合理。经过市场调研，觉得 JB37Y520 减速马达比较合适，其结构图如图 3-15，图 3-16 所示。图 3-15 驱动电机机构图 图 3-16 驱动电机实物图由于本次设计的智能小车体积较大，所嫁接的太阳能电池板，和智能手机都比较沉重，所以采用大功率的驱动电机。经过测试，12V 的JB37Y520 减速马达完全能满足要求，其主要参数如表 3-1 所示。3-1 驱动电机参数表哈尔滨理工大学学士学位论文- 19 -（2）电机驱动芯片L298N 是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机 14。其原理图如图 16 所示。图 3-17 L298N 原理图L298N 可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的 I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，有效控制电机运动，如图 3-18 直流电机驱动原理图。额定电压： 12V 额定电流： 1A额定转矩： 1N.M 额定转速： 10-2000 rpm额定功率： 10W 型号： 520品牌： Aslong 产品类型： 有刷直流电动机产品认证： ROHS 外形尺寸： 2733mm哈尔滨理工大学学士学位论文- 20 -图 3-18 直流电机驱动原理图L298N 使用方法简单，能很容易的驱动小车的两个直流减速电机。1和 15 和 8 引脚直接接地，4 管脚 VS 接 12V 的电压，它是用来驱动电机的，9 引脚是用来接 6V 电压的，它是用来驱动 L298 芯片的。再此，需要注意的是，L298N 需要从外部接两个电压，一个是给电机的，另一个给 L298N 芯片的。6 和 11 引脚是它的使能端，一个使能端控制一个电机，可以把它理解为总开关，只有当它们都是高电平的时候两个电机才有可能工作，5、7、10、12 是 L298N 的信号输入端和单片机的 IO口相连，2、3、13、14 是输出端，输入 5 和 7 控制输出 2 和 3，输入的10、12 控制输出的 13、14。3.4 摄像头云台设计摄像头云台主要作用是在云台电机的驱动下，有选择的旋转一定角度，同时，将这些角度通过无线数据传输模块床给上位机（电脑或智能手机） ，我们再通过单片机和霍尔元件，控制小车的驱动电机，是小车按照摄像图制定的方向前进。在整个过程中，要求云台有自动复位的功能，也就是在小车旋转到给定的角度后，云台能回到初始位置，及所采集的视频是小车的正前方。在作为智能手机的载体，云台的结构，设计自由度极大地影响到小车定位、视频传输这一块的质量。综上，摄像头云台的设计主要包括摄像头云台结构设计和驱动电机的选择。哈尔滨理工大学学士学位论文- 21 -3.4.1 云台电机及其驱动的选择根据小车的设计需求，云台旋转的角度要有一个精确地控制。而步进电机最容易实现这样的精确控制。可以根据给定的脉冲数，推算出 步转角度进电机的旋转角度，进而得出云台的旋转角度，再通过单片机，蓝牙输出模块将数据传输给上位机，我们通过所显示的角度值控制小车驱动电机旋转顶你个角度，从而实现小车自身按照给定方向旋转。在做小车前，已经买过两个步进电机和驱动。所以为了降低成本，采用已有的器材。云台驱动电机选用自带减速装置的 28BYJ-48 5V 步进电机。驱动选用 ULN2803APG 驱动板。ULN2803 芯片介绍：有 8 个 NPN 达林顿晶体管，连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路 15，具体如图 3-19。图 3-19 ULN2803 引脚图该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。该芯片的输入端可以直接跟单片机 IO 口相连接，输出端直接连接步进电机。工作时需要提供 5V 的外接电源。具体驱动步进电机的原理图 3-20 所示。图 3-20 步进电机驱动原理图哈尔滨理工大学学士学位论文- 22 -步进电机 28BYJ48 型 四 相 八 拍 电 机 ，电 压 为 DC5VDC12V。 当 对 步 进 电机 施 加 一 系列连续不断的控制脉冲时， 它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角） 。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。其主要参数如表 3-2 所示。表 3-2 主要技术参数电机型号 电压 V相数步距角度减速比N启动转矩启动频率定位转 矩噪声绝缘介电强度28BYJ48 5 4 5.63/6464 300g.cm550P.P.S300g.cm35 6000VAC1S四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A） ，双（ 双 相 绕 组 通 电 ） 四拍（AB-BC- CD-DA-AB-） ，八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A ） 。步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR ）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 或 15；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8而五相步进角一般为 0.72。这种步进电机的应用最为广泛。红线接电源 5V，橙色电线接 P1.3 口，黄色电线接 P1.2 口，粉色电线接 P1.1 口，蓝色接 P1.0 口。由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003 放大再连接到相应的电机接口，具体接线如表 3-3 所示。表 3-3 云台步进电机接线与程序关系表橙 A P1.3 黄 B P1.2 粉 C P1.1 蓝 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哈尔滨理工大学学士学位论文- 23 -速度计算公式：运转速度=脉冲频率60/ 步进电机分割数/减速比 64 步进电机分割数=360/6.625 图3-21 ，图3-22是28BYJ48的实物图和机构图3.4.2 云台的结构设计根据小车定位的需要，摄像头云台应安装在小车车体的最上层，并且位于中间位置。这样就保证了车在原地旋转的时候，云台的几何位置不变，这样避免了将云台的旋转角度转化为小车旋转角度过程中不必要的干扰因素，是计算更加简单。在云台的设计过程中，对于云台的自由度主要小车工作的需求而定。图 3-21 28BYJ48 机械结构图图 3-22 28BYJ48 实物图哈尔滨理工大学学士学位论文- 24 -市场上大多数摄像头自带有两个自由度，分别是左右和上下旋转，只要将摄像图固定在一个合适的位置，摄像头可以左右上下旋转，又很大的覆盖面。在本次设计摄像头云台时，考虑到后续任务打，难度大，所以采用较为简单的一个自由度，即只能沿着自身轴线旋转。在确定了云台安装位置和功能要求后，下来就到云台结构设计阶段了。云台的设计参数主要以下三部分决定，小车车体尺寸，智能手机尺寸和驱动电机尺寸。智能手机机以 iphone4s 为参考，其设计尺寸为 115.258.69.3mm，与小车连接的是四个 R3 的孔，距离为边长是 140m 的正方形。云台驱动步进电机自带的连接孔是两个相距 35.5mm 半径是 R3 的孔。简单结构如图 3-23 所示：图 3-23 云台结构图3.5 无线视频传输模块设计无线视频传输就是指不用布线（线缆）利用无线电波来传输视频、声音、数据等信号的传输系统。无线视频传输分为：模拟微波传输和数字微波传输。在无线视频监控系统中，摄像头是最前端、最基础、投资数量最大的一个产品，也是最关键设备，它负责对监视区域进行摄像并转换成电信号，再进一步用于传输，其质量直接影响视频监控系统的整体应用，同时还关系到工程造价。 模拟微波传输就是把视频信号直接调制在微波的信道上（微波发射机，哈尔滨理工大学学士学位论文- 25 -HD-630） ，通过天线（HD-1300LXB）发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，然后再通过微波接收机（Microsat 600AM）解调出原来的视频信号。如果需要控制云台镜头，就在监控中心加相应的指令控制发射机（HD-2050） ，监控前端配置相应的指令接收机（HD-2060） ，这种监控方式图像非常清晰，没有延时，没有压缩损耗，造价便宜，施工安装调试简单，适合一般监控点不是很多，需要中继也不多的情况下使用 16。数字微波传输就是先把视频编码压缩(HD-6001D)，然后通过数字微波(HD-9500)信道调制，再通过天线发射出去。接收端则相反，天线接收信号，微波解扩，视频解压缩，最后还原模拟的视频信号，也可微波解扩后通过电脑安装相应的解码软件，用电脑软解压视频。而且电脑还支持录像、回放、管理、云镜控制和报警控制等功能。这种监控方式图像有 720*576和 352*288 的分辨率选择，前者造价更高，视频有 0.2-0.8 秒左右的延时，造价根据实际情况差别很大，但也有一些模拟微波不可比的优点，如监控点比较多。环境比较复杂，需要加中继的情况多，监控点比较集中它可集中传输多路视频，抗干扰能力比模拟的要好一点等优点，适合监控点比较多，需要中继也多的情况下使用 17。无线视频传输的优势：1.综合成本低，性能更稳定。只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。这时，采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。2.组网灵活，可扩展性好，即插即用。管理人员可以迅速将新的无线监控点加入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程无线监控。3.维护费用低。无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统。4.无线监控系统是监控和无线传输技术的结合，它可以将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到无线监控中心，并且自动形成视频数据库便于日后的检索。5.在无线监控系统中，无线监控中心实时得到被监控点的视频信息，并且该视频信息是连续、清晰的。在无线监控点，通常使用摄像头对现场情况进行实时采集，摄像头通过无线视频传输设备相连，并通过由无线电波将数据信号发送到监控中心。随着互联网技术的发展，视频传输的方式变得越来越易于实现。加之智能手机越来越普及，很多人都用上了具备视频对话功能的手机。所以智哈尔滨理工大学学士学位论文- 26 -能小车中的无线视频传输完全可以借用一个支持 QQ 视频功能的一般的智能手机，其构想图如图 3-24 所示。图 3-24 无线视频传输模型 3.6 电源模块设计本次设计的另一个创新点就是采用太阳能电作为小车的各种电源。随着国家对新能源开发的大力投入，我国的光伏产业去得了极大地发展，太阳能产品也得到了普遍的运用。经过市场调研，太阳能电池板的种类齐全，价格低廉。做智能小车采用太阳能电池板是个非常有意义的选择。比如，减少浪费，保护环境，减少不必要的更换电池或者充电是智能小车更加方便智能化 18。3.6.1 太阳能电池板 太阳能电池是一种直接将太阳能转换成电能的半导体器件。目前，广泛应用的为单晶硅和多晶硅太阳能电池，也是这次实验的主要元器件。在初期设计时，想组装成 12V 太阳能小车。这将首先选型 12V 的太阳能电池板，如图 3-25 所示。具体各元器件及参数为：5 瓦/18 伏（12 伏系统使用） ；尺寸 24323016 毫米；峰值电压：17.2V；峰值电流：0.29A；开路电压：21.6V；短路电流：0.33A；功率偏差：3%；实物重量：0.56 千克；蓄电池一个（11.1V 1350mAh） ；直流电动机（12V 250rpm） 。