智能探险车控制系统的设计与实现

李 罡，刘 庶，张慧杰，赵梦冉

（白城师范学院 机械与控制工程学院，吉林 白城 137000）

0 引言

智能探险车的研究、开发和应用涉及传感技术、电子技术、机械技术和智能控制技术等.智能探险车可以按照预先设定的程序，在某一环境中自主运行，可应用于科学勘探等领域，无需人为操控便可达到预期目标，将会是今后社会发展需求的一个新方向.智能机器人能够做很多事情，凡不适合由人直接完成的任务，均可由机器人来代替，并且不受温度、湿度等条件影响.尤其是在一些危险或恶劣的环境条件下工作，人类无法介入特殊情况下的任务，智能探险车就可以发挥它的作用.但目前这些方面的开发利用还不够完善，仍有许多地方等待着去开发研究.智能探险车作为一种应用型人工智能产品，它的开发前景非常巨大，相当于一个平台，可以在它的基础上搭载任何想要实现的功能.因此，设计一款多功能的、适应各种地形、各种场合的智能探险车，无论对于军事领域、科研领域还是生活领域都具有非比寻常的意义［1］.

1 系统硬件开发

1.1 总体设计

智能探险车的主要功能是辅助进行扫雷、探测、侦察，并具有GPS导航功能，能够根据设定的路线进行勘测，同时能够自动规避障碍物.智能探险车采用了多种类型传感器，通过STM32 单片机进行控制，硬件系统主要包括主控模块、驱动模块和传感器检测部分等.本设计的研究内容是在目前智能小车基础上进行改进和完善，让它能够应用在多个领域，使探险车的工作效率更高，安全性更加有保障，完成扫雷、探测、侦察等一系列危险的工作任务［2］.本设计的智能探险车系统结构框图如图1所示.

图1 智能探险车系统结构框图

1.2 主控模块

采用STM32F407单片机作为主控系统，STM32是32位微控制器，内部时钟系统强大，外部中断和定时器丰富便于控制，相比51 系列单片机，其运行速度更快，外设更加强大.能够实现对各个元器件的精准控制和接收处理器件反馈的外界信息，这对智能探险车的正常运行起着关键作用，因为智能探险车要实时精准监测外界环境，从而进行相应的动作应答［3］.

1.3 驱动模块

系统驱动部分采用TB6612FNG电机驱动模块来驱动电机.该电机驱动模块可以同时对两个直流电机进行双向控制，有较强的输出能力，在运行性能和能耗方面也有一定优势，具有集成度高、体积小、高效率和高性能的特点.本探险车采用四轮驱动，保证了足够的动力，通过调节输入TB6612FNG 的PWM信号进行直流电机的调速，从而实现探险车基本的直行、转弯、后退运动功能［4］.

1.4 避障模块

避障模块采用US-100 超声波测距模块进行测距避障.该避障模块可自行设置探险车的避障距离，探险车与障碍物之间距离小于避障距离时进行避障，并具有GPIO、串口等多种通讯方式，集成看门狗功能，性能稳定、工作可靠.给输入/输出口TRIG至少一个10 μs的高电平信号，模块会自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回，然后输入/输出口ECHO 会输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间.从而利用如下公式计算出与障碍物的距离：

其中：d 表示探险车与障碍物的距离；t 表示高电平时间；v 表示声速（v 的取值为340 m/s）.根据测出与障碍物的距离，实现单片机对探险车运动的控制及避障.

1.5 GPS导航模块

智能探险车需要具有自主导航功能，能够根据设定的路线进行勘测，通过GPS 导航，可以实现在地图中放置坐标点建立小车行驶路径，小车启动GPS智能导航后，根据地图中建立的行驶路线自动导航行驶.因此，选用ATK1218-BD GPS 北斗双模定位模块定位更快、更精准，该模块自带备用电池，可保存星历数据，掉电后重新上电，可在几秒内恢复定位［5］.

1.6 摄像模块

探险车可实时观测周围环境，向监控终端回传图像信息.因此，采用市面所售的无线迷你型摄像机，体积小，安装简单，通过手机可实时观察未知的环境进行安全探测.同时，不需要网络也可实时拍摄，解决了户外探险无网络的难题.其带有夜视功能，当探险车进入未知洞穴也能够清晰观测内部环境.将摄像头安装在自由度为2 的舵机臂上，弥补了摄像头只能180°摄像的不足，通过遥控进行舵机的转动，实现360°无死角观察.

1.7 显示模块

显示模块采用IIC通讯OLED液晶屏模块，功能强大，能够显示探险车的行车信息，引脚少，便于布线.

1.8 机械装置

现有的一些智能车作业工作范围有限，往往只能在一些坡度较小、地势平缓的地带进行作业，遇到山高坡陡、险峻的地势就只能由人来完成.为了能更好地适应多种地形，在车身上安装了机械装置，能够翻越陡坡，越过窄沟，弥补以往智能小车只能在比较平坦地势作业的不足.机械装置由机械臂构成，能够模拟人手臂攀爬的动作在一些复杂地形上进行工作［6］.

2 系统软件设计

2.1 主程序模块

本系统通过拨码开关来选择运行程序.当拨到开关1运行GPS自主导航行驶功能，按照规划好的路线行驶，在地图中放置坐标点建立小车行驶路径，小车启动GPS 智能导航后，根据地图中建立的行驶路线自动导航行驶，若沿途遇到障碍物，小车会自动规避障碍物，然后继续按建立的路径行驶.当拨到开关2可手动遥控行驶［7］.系统主程序流程图如图2所示.

图2 主程序流程图

2.2 避障程序模块

US-100 超声波测距模块价格低廉，并且能够较准确测量与障碍物之间的距离，避障程序模块采用的US-100超声波测距模块，可根据声波测距原理来实现避障，其工作流程图如图3所示.

图3 超声波避障子程序流程图

3 制作安装与调试

基于STM32设计的智能探险车采用了多种模块，在制作智能探险车初期是对每个模块进行单独调试.只有在确保每个模块都能正常工作并完成指定任务的前提下，才能进行总体设计与联调.每个模块都需要软件和硬件的互连，以确保模块的正常运行并执行分配给它的功能.主要包括硬件部分调试、软件部分调试和整机调试等几个方面［8］.

3.1 硬件部分调试

3.1.1 硬件焊接

单片机的硬件焊接相对来说比较简单，但在焊接过程中的一点小失误就可能造成系统无法正常工作，给后面的调试检测环节带来不便，而且还要注意焊点之间不能相连，否则可能导致硬件被烧坏.

3.1.2 硬件调试

首先实现的是要让小车能够正常行驶，然后逐个调试其他器件，确保功能都可以实现.让探险车通过GPS 自动导航规划路线是一个难点，往往不能按照指定的路线行驶，坐标易偏移，可以通过数据源转换，更换精度更高的GPS模块来解决问题.

3.2 软件部分调试

软件部分调试主要完成了对超声波模块输入/输出信号的处理计算进行避障，对小车进行调速，GPS的路径规划，经过不断的程序测试达到良好的调试效果.

3.3 整机调试

智能探险车联调是一个繁杂的过程，为更接近于室外探险环境，需要在室内铺设复杂地形.由于地面环境复杂，探险车在行驶过程中时常会出现上不去陡坡、GPS信号丢失等问题.因此，需要不断进行程序优化，不断改变相应的硬件及软件，使硬件和软件可以很好地配合，经过多次实验测试才使得探险车在场地内正常行驶，最终实现相应的功能.设计并组装完成后的智能探险车实物如图4所示.

图4 智能探险车实物图

4 结语

经过设计与调试，本智能探险车最终实现四个功能：（1）可以遥控探险车行驶，人为遥控想要到达的指定地点进行工作；（2）当探险车遇到障碍物后可以自动转向，然后按照规划好的路径行驶；（3）探险车遇到陡坡时可通过机械臂越过；（4）通过GPS导航，可以实现在地图中放置坐标点建立小车行驶路径，小车启动GPS智能导航后，根据地图中建立的行驶路线自动导航行驶.

智能探险车采用光、电、无线通信等技术进行综合设计，采用多种类型的传感器，通过STM32 单片机进行控制，实现了智能探险功能.智能探险车工作效率高、安全性能好，能够应用于多个领域，可以完成扫雷、探测和侦察等一系列危险的工作任务.