一种教学示教用智能小车的设计

□代雪会 梅志敏 陈 威

一、引言

智能小车可以按照预先设定的模式在一个环境里自动运作，不需要人为的管理，除了应用于科学勘探类用途之外，随着智能小车类比赛的发展，在高等院校和高职高专院校的《智能机器人应用设计》《单片机与机器人控制》等课程中也常以智能小车设计与控制作为课程实验的载体。目前在教学过程中，讲解智能小车功能时通常是采用播放网络视频或者自制视频的方式进行演示。这种教学方式存在的主要问题就是没有实物演示直观，因此也会限制学生对智能小车功能的理解、编程思维的激发。

本文设计了一款用于教学示教的智能小车，可以通过遥控的方式直观演示智能小车常见的功能，同时也涵盖了课程教学主要的知识点，包括循迹传感器模块、避障传感器模块、电机及驱动模块、红外遥控模块灯主要知识模块的内容。在提高教学效果的同时，也可以激发学生学习智能小车设计与编程控制的兴趣，提升学生创新思维与能力。

二、智能小车总体方案设计

智能小车一般包括三部分：传感器部分、控制器部分、执行器部分。传感器用来检测外部环境和小车本身运动参数等；控制器接收传感器部分传递过来的信号，并根据事先写入的程序，来决定智能小车对外部信号的反应，并将生成的控制信号发给执行器部分；执行器部分用来驱动智能小车做出相应的行为，并且可以根据控制器部分的信号调整自身状态。本文设计的教学示教用智能小车的组成主要有：传感器包括循迹传感器、超声波避障传感器，其功能是完成小车自动循迹和自动避障功能；执行器即小车电机和车轮部分，电机采用直流减速电机，车轮采用普通麦克纳姆轮；控制器采用Arduino Mega2560板。另外，本文设计的智能小车具备红外遥控功能，可以按照教学需要选择对应的功能模块，比如小车行走功能演示、循迹功能演示和自动避障功能演示等。

智能小车结构框图如图1所示。

图1 智能小车结构框图

三、智能小车硬件设计

(一)智能小车车体结构及电机驱动模块设计。本教学用智能小车车体包括小车底盘、四个麦克纳姆轮。小车的动力部分由电源、电机驱动模块(L298N)、直流马达组成。Arduino mega2560板的输出电流只有40mA，无法直接驱动直流马达，必须使用马达驱动芯片，本教学用智能小车采用L298N电机驱动模块。由于本教学用智能小车使用4个直流马达，而一个L298N驱动模块只能驱动两个马达，因此要使四个马达运转，则需要两个驱动模块。

(二)智能小车传感器模块设计。为支持自动循迹和自动避障功能，本教学用智能小车使用的传感器有超声波传感器、红外循迹传感器。超声波传感器的型号为HC-SR04，该超声波测距模块可提供2cm～400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm，本教学用智能小车使用3个超声波传感器分别检测前方、左侧和右侧的距离。另外，本教学用智能小车在小车前方安装有3个四线式TCRT5000红外循迹传感器，用于黑白线检测，检测距离为1mm～8mm。

表1 智能小车行走方向控制策略与循迹传感器的对应关系

(三)智能小车遥控模块设计。本教学用智能小车遥控模块包括红外线遥控器(发送模块)和红外线接收模块。我们采用尺寸为40mm×80mm、20键的红外线遥控器，在使用时将相应的按键编码成指令，红外接收器接收到编码信号后加以解码，再按照不同的按键指令执行不同的功能。

表2 红外遥控按键编码及控制策略

(四)智能小车控制板。基于以上设计，本教学用智能小车控制板采用Arduino Mega 2560，Arduino Mega 2560可通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式。有54路数字输入/输出口(适合需要大量I/O接口的设计，其中15路可作为PWM输出)，15路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电插座，一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino Mega2560也能兼容为Arduino UNO设计的扩展板。

四、智能小车控制流程及示例程序

(一)智能小车控制流程。为更好进行智能小车教学示教，本小车在接通电源后处于停止状态。当按下红外遥控器上某一按键后，控制板首先进行红外遥控信号判断，根据对应的红外遥控信号数值，进入相对应的模块展示即启动对应的子程序。流程图如图2所示。

图2

(二)示例程序。

五、结语

本次教学用小车采用Arduino控制板进行开发，技术上的稳定性、可行性更好，Arduino控制板配合超声波传感器、电机驱动模块和红外遥控模块组成，适合教学过程中进行功能性开发设计，能较好地满足教学需求。同时对要求学生掌握的程序进行编写并传输至硬件并进行实际测试，均测试成功，在给学生演示的同时，能激发学生学习兴趣和热情，掌握智能小车编程与调试的基础知识与技能。