基于多传感器智能小车的设计与研究

朱晓波，岳大军，张广志

(1.湖南农业大学工学院，湖南长沙410128;2.郴州职业技术学院，湖南 郴州423000)

0 引言

智能小车在移动式机器人中占有很重要的地位，也是人们在控制领域中非常感兴趣的实验平台，在此平台上可以搭建传感器来实现更多的功能。机器人研究受到越来越多人的关注，它是计算机控制与电子计算的融合，集传感器探测(光源、障碍物)、处理器自动控制、电机调速等于一体，可以说是计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术的一个综合体，为电子设备智能化提供了很好的实例［1］。从检索的文献［2，3，4］来看，现有智能小车大多都是以实现特定功能而设计的，不适合功能扩展。本文根据现在社会的需求，设计了一种集多种传感器于一体的实验性质的智能小车，基本可以满足嵌入式初学者的需求。

1 系统总体设计

系统总体方框图如图1所示，智能小车的控制核心可以是基本的8位单片机、16位单片机和以ARM处理器为核心的单片机等。在小车的平台上只要加一个转接板，就能够实现多种单片机的兼容，降低了学习者的成本。车载控制板包括系统所需的基本部分，如显示部分、按键部分、DC-DC电源、实时时钟、流水灯和红外接收等部分。系统板上可以扩展配套的串口输出的模块，通过软件协议实现传感器与控制核心的通讯，软件协议还保证了传感器通讯互不干涉。

2 系统硬件

基于多传感器的智能小车主要由电源模块、显示模块、按键和传感器等组成。智能小车平台上能够兼容多种传感器，以实现多种功能，满足使用者的多样化需求。

2.1 系统平台

智能小车平面示意图如图2所示，智能小车采用前轮驱动，后轮是一个万向轮，左右前轮各用一个电机驱动，电机可以是直流减速电机、360°舵机和步进电机，在控制板上都为其预留了接口。在小车的前部安装五个红外反射式传感器，其中3个为红外循线传感器，2个为红外避障传感器。红外循线传感器可以识别黑线白底的线路或白线黑底线路，红外避障传感器可以检测到近距离的障碍物。另外在小车的前部安装一个超声波传感器，用来探测障碍物的距离，而超声波测距有一定的盲区，故而要和红外避障传感器结合，以达到精确避障，因而在小车的左右两边也分别装有超声波传感器和红外避障传感器。在车载控制板还可以同时装有温度模块、湿度模块、倾角模块、罗盘模块、陀螺模块等模块，以实现多传感器融合。

2.2 传感器模块

2.2.1 陀螺仪模块

智能小车配套的陀螺仪模块型号为BQ-TLY-86-TTL，是一款低成本高精度的角速度陀螺仪模块。其工作原理是将模块旋转时音叉震荡产生的地球偏转力(克里奥利力)转换为电信号并经过算法处理而获得被测物体的角速度。该模块以UART的方式与上位机进行通信。该产品运行稳定，输出波特率可调，有连续输出和询问输出两种工作模式，可适应不同的工作环境。

2.2.2 倾角传感器模块

倾角传感器模块型号为BQ-2XN-232，是一块低成本的双轴倾角传感模块，精确测量角度范围为正负45°(测量范围可以扩展到60°)，其以RS232的方式与外部处理器进行半双工通讯，波特率可选，具有零点设定、响应频率调整等功能。

2.2.3 罗盘模块

电子罗盘模块型号为BQ-CA81-TTL，是一款体积小、成本低的平面数字罗盘模块。其工作原理是通过磁阻传感器感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度。该罗盘以TTL的方式与上位机进行通讯，模块的精度高，运行稳定，并具有标定功能及安装角和磁偏角补偿功能，可以适应不同的工作环境。

3 通讯模式

在智能小车中下挂的传感器基本上采用两种通讯模式。一种是通过模拟选通开关对串口进行扩展，以扫描的方式进行循环问答，如图3所示。另一种是把所有的传感器并联在串口上，以软件通讯协议对传感器进行扫描通讯，如图4所示。软件通讯协议是各传感器与传感器之间的数据互不干扰的保证，为此制定表1所示的软件通讯协议标准。

图3 串口扩展通讯模式

图4 软件通讯协议串口通讯模式

表1 软件通讯协议标准

模块地址:为传感器模块地址

Sum:校验和

4 总结

传统的智能小车系统以常见的单片机为核心，辅以较简单的元器件和电路设计，在完成基本的循迹和避障功能的前提下，又要考虑到外观、成本等问题［5］，厚此薄彼，小车的可扩展性就变得相对较差。因此在本设计中，作者充分考虑到了这个问题，在电路中增加了DC-DC开关电源部分并预留了所有配套的传感器模块接口，可以满足某些比赛的要求，而且本设计产品通过一段时间的试销，市场反应较好，值得一试。

［1］王松，李永超，郑建飞.基于AT89S52单片机的智能小车系统设计制作［J］.硅谷，2010(18):75－76.

［2］史洪宇.基于单片机的多功能智能小车的设计［J］.仪表与技术，2010(12):16－17.

［3］杨桂林.基于AT89S51的智能小车的设计［J］.单片机开发与应用，2010(26):124－125.

［4］姚培，张李坚，周晶香.基于单片机控制的智能寻迹避障小车［J］.机电信息，2010(12):192－193.

［5］安岩.自动循迹智能小车的设计［J］.苏州科技学院学报(工程技术版)，2010(1):72－73.