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1、智能循迹小车的设计与实现 钟佳霖 济南大学自动化与电气工程学院 摘 要： 本文设计了一款基于 STC89C52 单片机和 LD3320 语音识别模块的智能循迹小车。本设计在传统循迹小车的基础上添加了语音识别和蓝牙控制, 可选择自动和人工控制模式, 增加了智能性。同时用红外传感器应对突发情况。近年来国内外对自动驾驶技术投入大量精力。本文便是以此为背景设计的一款模拟自动驾驶汽车的智能循迹小车。关键词： STC89C52; LD3320; 红外传感器; 循迹; 1 设计背景及意义有关自动驾驶的研究越来越受到社会的关注, 各大汽车公司对于自动驾驶的研究日趋成熟, 大众的关注度也在升高。在 2015 年
2、的 NVIDIA GPU 大会上, TESLA的首席执行官 Elon Musk 畅谈了自己对自动驾驶的看法:在将来自动驾驶车辆普及后, 人为驾驶机动车反而是是违法的。因为所有的汽车都在按照自动设计的路线行驶, 人为操控“两吨重的致命机器”会是非常危险的行为。自动驾驶汽车将传感器、控制器、执行器等装置安装至车身, 利用车载传感设备的检测和信息终端控制, 使汽车具备感知环境的功能, 实现人、车、路的信息交换。自动驾驶汽车可以分析自动路况与自身的行驶状态, 快速处理突发情况, 从而取代人工驾驶。目前市场越来越多的技术被应用到自动驾驶汽车的开发当中。比如奔驰的 D istronic Plus 事故避免
3、系统, 将传感器安装在车前, 可识别汽车盲点处的物体并发出报警信号提醒驾驶员;谷歌研发的无人驾驶汽车采用激光雷达测距技术, 将 60 束激光以 900 转每分的速度向周围发射, 并将激光雷达安装在汽车顶部, 使得汽车可以全方位探测周围环境。本文设计的智能循迹小车具有自动循迹行驶、自动检测避障、语音识别控制、蓝牙遥控等功能, 是一款结构简单, 小型版的自动驾驶汽车, 却可以实现自动驾驶的功能。所以本设计具有一定的实际意义。2 总体方案循迹小车使用智能小车模型作为开发平台。使用 LD3320 语音识别模块采集语音, 通过口令选择小车手动控制或自动控制。手动控制模式用手机作遥控器。红外自动循迹模式通
4、过红外传感器识别轨迹线, 将信息反馈给主控单片机, 控制电机驱动模块, 进而实现自动循迹行驶。行驶中红外避障传感器不断识别障碍, 若出现障碍物则触发中断, 使小车绕过障碍。本设计选择 STC89C52 单片机作为主控。智能小车的语音控制功能通过 LD3320模块实现。LD3320 采集语音, 后该模块内置的 STC11L08XE 单片机将识别结果通过串口发送至主控单片机, 进而控制小车行进。循迹和避障功能均由红外传感器实现。红外传感器检测到黑色轨迹线使小车循迹行驶, 小车前方放置的红外传感器能够检测到有障碍物, 避障后继续行驶。智能循迹小车最基本的要求是前进、后退、左右转、停止, 驱动电机为直
5、流电机, 由 L298N 驱动电路控制, 通过改变单片机 I/O 口输出的 PWM 波占空比来调整转速。HC-06 蓝牙串口模块使小车与手机端适配连接, 实现手机对小车行驶的遥控, 模拟人工驾驶。3 系统硬件设计小车四轮由直流电机拖动, 通过两侧差速来调整行驶方向。四个红外传感器固定在小车四角下方, 若一侧前方传感器检测到线, 则该侧电机停止, 另一侧正转。如果轨迹曲度过大, 前方两侧传感器来不及修正, 这时就需要用到后方两侧传感器。修正行驶方向直至前两侧的传感器检测到线。避障和循迹的原理类似, 若检测到障碍物则触发中断, 小车转向绕开障碍物继续行驶。小车系统总框图如下图所示:小车供电电源为
6、7.2 伏锂电池, 电池电压直接供给电机驱动模块。由 7805 降至5V 的电压供给单片机和其余工作电压为 5V 的模块。该智能循迹小车采用 LD3320 语音识别模块识别口令, LD3320 是一个集成模块, 由微型麦克风, 模数/数模转换器, 语音识别芯片, 内置的 STC11L08XE 单片机等部分组成。芯片的识别原理是通过分析频谱来提取语音特征, 匹配内部库中的关键词, 输出最为接近的词语。该模块具有体积小, 功耗低的优点。循迹功能的实现利用了红外传感器的收发原理, 若反射回来的信号强则光电三极管饱和, 输出为高电平, 反之输出为低电平。传感器连接 LM324 集成运放电路, 该电路可
7、判断红外信号电平, 确定传感器是否检测到线或障碍物。电机采用的 L298N 电路驱动, 可实现电机正反转及调速, 从而驱动并控制电机。具有电机启动性能好, 启动转矩大的优点。本设计中所使用的 HC-06 蓝牙模块, 是一款民用级别的蓝牙串口模块, 具有将串口信号转换为蓝牙信号的功能。手机通过蓝牙发送指令给小车上的蓝牙模块, 蓝牙模块接收后将数据传递给单片机, 由单片机控制小车运行。4 系统软件设计软件部分总体设计思路:首先语音模块识别到“启动”口令, 小车程序初始化, 识别到“自动”口令小车自动循迹运行, 识别到“手动”口令则小车进入手机蓝牙控制模式。程序执行过程中若检测到障碍物, 将进入中断
8、执行避障程序。识别到“结束”口令小车停止运行。软件流程图如下图所示。5 制作与调试本设计的软件使用 keil 调试 C 语言代码, 检查语法错误, 能够完成预定的功能。调试过程中利用 keil 中设定的断点、单步、跟踪等手段进行逐步调试, 更加方便。在硬件调试过程中, 由于各个红外传感器的出厂参数存在一定的误差, 各传感器对轨迹线检测的灵敏度不同, 所以输出电压也不同。经过调试距地面 10mm 左右红外传感器均可输出可判断的信号, 于是最终在距离地面都是 10mm 的位置安装红外传感器。LD3320 语音识别模块识别语音的测试结果为:对于音色不同的人的口令, 平均识别正确率在 90%以上。可以
9、达到准确识别口令的要求。6 结语本文介绍了设计智能循迹小车的背景意义及实施方案。并对整个设计的各个模块、电路、芯片等进行了介绍和分析。硬件与软件共同组成了智能循迹小车, 整个系统以单片机为核心, 利用传感器以及多个模块和电路, 模拟了自动驾驶汽车的运行过程。虽然智能循迹小车和真正的自动驾驶汽车还存在一定的差距, 但是在有限的条件下实现了一些与自动驾驶汽车相同的功能。参考文献1付华.单片机原理及应用M.北京:机械工业出版社, 2017. 2闫石.数字电子技术基础 (第六版) M.北京:高等教育出版社, 2016 3杨权, 蔡勇.基于 STC89C52 的轮式智能小车控制系统的设计J.工业控制计算
10、机, 2014, 27 (3) . 4王津红.基于智能小车的硬件设计与调试J.电子测试, 2014 (19) . 5樊尚春.传感器技术及应用 (第 3 版) M.北京:北京航空航天大学出版社, 2016. 6陈喜春.基于 LD3320 语音识别专用芯片实现的语音控制J.电子技术, 2011 (11) . 7Luy, Nguyen Tan, Thanh, Nguyen Thien, Tri, Hoang Minh.Reinforcement learning-based intelligent tracking control for wheeled mobile robotJ.Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2014.
