【《智能探险小车的硬件和软件系统设计与测试研究》6500字（论文）】

智能探险小车的硬件和软件系统设计与测试研究目录TOC\o"1-3"\h\u10386第一章绪论 1318401.1智能探险小车概述 2273961.2智能探险小车发展现状 2157701.2.1国外研究现状 251871.2.2国内研究现状 2264251.2.3智能探险小车发展趋势 3253351.3智能探险小车需求分析 325994第二章硬件模块设计 4167312.1智能小车控制系统方案 4298182.2循迹模块设计 4296592.3电机控制与驱动模块设计 697722.3.1电机驱动模块选择 7199192.3.2电机驱动模块安装 8274762.4红外避障模块设计 894532.5WiFi模块设计 1049522.6智能小车设计环境 11167412.6.1硬件环境： 11108842.6.2软件环境 11142782.7本章小结 123797第三章软件程序设计 12171773.1软件程序设计概述 1261833.2电机控制程序 12104613.3循迹子程序设计 13222203.4避障子程序设计 14158073.5WiFi数据传输程序设计 14173603.6本章小结 156477第四章系统测试 15226524.1系统硬件测试 15143154.1.1电机驱动测试 16283764.1.2红外避障测试 1714964.1.3自动循迹测试 1869604.2系统软件测试 19253584.3本章小结 2028405结论 2128460参考文献 21绪论1.1智能探险小车概述近年来人工智能逐渐占领了市场，首当其冲的便是新能源汽车，而做好新能源汽车的基础便是先做好智能小车，通过给小车安装不同功能的模块它实现的功能也会越来越多，越来越强大。而之所以选择智能探险小车控制系统开发这个题目，就是因为想在以后的智能化产业中智能小车能够有它的一席之地，能够帮助人们做到很多人们不可能完成的事情。人们不用冒着危险，只需要通过智能探险小车就能进去危险地段。例如：危化品工厂，地震，荒漠考古，火山等危险地方。这就大大提高了任务作业的安全性。依个人来看，现如今的很多人都富有探险精神，很多人愿意冒着生命危险去寻求刺激或者是为了完成任务。但是在紧要关头的时候可能会遇到危险，甚至会威胁到生命。智能小车可以通过电脑端来控制运动方向，小车上的探头能够把实时路况传回到电脑上，它自身也有红外循迹传感器，能够通过红外遥控来控制它。而自动避障模块能够让它在遇到障碍物的时候自动避开障碍物，能够大大降低危险任务的安全隐患。1.2智能探险小车发展现状1.2.1国外研究现状早在1995年，完成了安吉星系统的发展的通用汽车公司，它提供了很多非常实用的服务通过利用CDMA网络进行数据通信和GPS卫星定位导航。像苹果，谷歌等大型科技公司也在智能车领域摩拳擦掌。把自己最先进的技术融入到小车中去，所以互联网公司和汽车公司的也经常在这方面互相合作。现如今，把智能车做到顶端的当属特斯拉了，它拥有更为先进的技术。在国内它的影响力也是非常巨大的，而他的创始人埃隆.马克思也成为了全球首富。这也能从侧面反映出智能车的影响力。1.2.2国内研究现状在智能小车领域，国内的硏究情兄和国外的可以说大致上是差不多的。但是由于国内一些人的理念跟不上时代的潮流，国内的智能小车制造也受到了一定的障碍与阻挠，工业化还不够成熟。但是国内其他智能车制造商并不甘示弱，做的比较成功的有蔚来、小鹏、甚至五菱宏光也占了有他的一席之地。在国内的很多互联网公司中，也开始加入到智能小车这个行业总来中来，实现车、人、智能设备的交互。1.2.3智能探险小车发展趋势智能探险小车的发展其根上是人工智能的发展。人工智能的进步能够带动智能小车在现有的基础上，在未来完成目前所难以完成的任务。可以说智能探险小车只是人工智能的一个极小的分支。智能探险小车不仅仅可以只应用于探险。在其他领域也有很广阔的前景。在军事领域，智能探险小车可以用作侦察地方动态的功能与作用。它相对于人来说隐蔽性更好，因为自身的体积可以很小，更加的容易藏匿。但是它的作用却可以被无限放大，甚至超过实地侦察的人类。在航空航天领域，智能探险小车承担了极其重要的角色，他不仅可以勘察外太空星球上是否有外星生物、也可以提取其他星球上存在的物质并把它带回地球。这对科学研究的意义的是非常重大的。在物流领域，智能小车在很多时候也起到了至为关键的作用。或者是在一些物流运输艰难的地方，比如在大西北部，那边物流业并不发达，条件险恶，人烟稀少。有了智能探险小车，让快递遍布大西北也都可以梦想成真。在其他很多的领域同时也发挥极其重要的作用，具有非常广阔的前景和研究意义。1.3智能探险小车需求分析本文的主要设计思想是将STM32作为智能探险小车的控制器，再辅以一块拓展板用于提高小车运行作业的效率，也提高了小车的稳定性。对智能探险小车的电机进行驱动，之后便能够来去自由的操控小车的前进、后退、左转、右转、停止各个动作。小车上所带的摄像头能够实时反馈小车所运行途中拍摄到的画面，便于观察和对小车的操控。WiFi智能小车操控平台能够发送相应的指令让小车做出前后左右的运动。从而可实现远程实时操控小车。本文设计的智能探险小车预期实现的功能有如下几点：

(1)运动功能：实现小车的前后左右以及停止的运动功能；

(2)避障功能：能够对所遇到的障碍物进行自动的规避，从而达到无障碍的行驶；(3)循迹功能：小车能够根据黑色条进行自动循迹；

(4)无线通信功能：对小车进行实时远程控制与视频信息显示。硬件模块设计2.1智能小车控制系统方案本文设计的智能探险小车控制系统，具备了红外自动避障、自动循迹、红外遥控、无线视频回传等一系列功能。所以本次设计智能小车所具备的主要的控制系统有：红外避障模块、电机驱动模块、自动循迹模块、WiFi视频回传模块。系统总体框图如图2-1所示。图2-1系统总体框图2.2循迹模块设计让智能小车在贴有黑色条的地面上行驶，小车能根据黑色条路径行驶，因此在本设计当中只要小车能够顺着黑色条的轨迹运动。这是用到了红外传感器对不同光线的吸收程度不同。那么我们就可利用这个特性来完成小车运动轨迹的判断。电路原理图如图2-2所示。图2-2电路原理图2.2.1循迹模块安装循迹模块反面有两个管脚，一个发射管脚，一个接收管脚如图a所示。背面是有一个可调电阻如图b所示，可以调节反射的灵敏度。安装流程如图2-3所示。(a)接收管脚(b)可调电阻图2-3安装流程图2.3电机控制与驱动模块设计STM32芯片的内部框架主要由Cortex-M3内核决定，Cortex‐M3是一个32位处理器内核。内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32位的。CM3采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线，从而提升了性能。为实现这个特性，CM3内部含有好几条总线接口，每条都为自己的应用场合优化过，并且它们可以并行工作。若要对直流电机进行PW调速，需设置IM和IN2，确定电机的转动方向然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1，且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状态,阻止电机转动。所以选用了STM32主控板，因为它完美的契合了小车所需要的运行功能。电机控制电路原理图如图2-4所示。图2-4电机控制电路原理图2.3.1电机驱动模块选择产品参数驱动芯片:1298N双H桥直流电机驱动芯片

(2)驱动部分端子供电范围Vs：+5~+35V(3)驱动部分峰值电流Io:2A

(4)逻辑部分端子供电范围Vss：+5V~+7V(可板内取电+5V)

(5)逻辑部分工作电流范围:0~36mA

(6)控制信号输入电压范围

低电平:-0.3<Vin<1.5V

高电平：2.3<Vin<Vss

(7)使能信号输入电范围

低电平:-0.3V≤Vin<1.5V(控制信号无效)

高电平:2.3V<Vin<Vss(控制信号有效)

(8)最大功耗:20(温度T=76℃时

(9)存储温度:-25℃~+130℃

(10)驱动板尺寸:55mm*49mm*33mm(带固定钢柱和散热片高度)

(11)动板重量:33g

实物图如2-5所示。图2-5实物图2.3.2电机驱动模块安装电机驱动模块如图2-6所示。图2-6电机驱动模块2.4红外避障模块设计当前面的有障碍物时，可以利用光线的反射特点，红外光大部分会反射回传感器上。于是传感器输出低电平0,信号灯亮。当前面中没有障碍物时，传感器就接收不到红外光线，达不到传感器动作的水平，所以传感器输出1。电路原理图如图2-7所示。图2-7电路原理图2.4.1避障模块安装调试由左右避障模块上面的电位器，左右避障模块上面的信号指示灯左(右)光电传感器组成。避障模块安装如图2-8所示。避障模块避障模块安装图2-8避障模块2.5WiFi模块设计该模块选用的是采用高通AR9331芯片，是一个高度集成的WLAN解决方案。JS9331基于AtherosAR9331SOC方案的WiFi模块，系统频率达400MHz。本模块体积小、功耗低、发热量小，WiFi、网口传输性能稳定。核心板的供电电压为3.3V，平均电流130mA左右。为了保证核心板稳定运行，电源供电能力至少为300mA。在安装WiFi模块过程中，需要注意的是一组相互通信的无线模块要保持在同一频段，信道和空中速率要设置相同，否则就会出现数据丢失，接收乱码等情况。在设计过程中要避免在过规定的高温潮湿，扬尘，低温等极端环境下使用。选择合适的直流稳压电源，最好使用可以抗干扰，纹波小，带载能力强的电源，以保证无线模块可以持久稳定的工作。AR9331底板的3.3V电源供电部分设计如和WiFi模块实物图如图2-9所示。电路原理图如图2-10所示。图2-9WiFi模块图2-10电路原理图2.6智能小车设计环境2.6.1硬件环境：硬件设计工作首先是先在Peotues上绘制好电路原理图，并通过电路原理图来制作PCB电路板。其次便是安装硬件设备，完成智能探险小车的组装。硬件设备有：3MM四驱底盘、STM32主控板、STM32扩展板、WIFI模块、舵机云台底板、二维舵机、小车轮胎、电机驱动模块、电机固定支架、循迹模块、避障模块、电压表、摄像头、USB下载线。2.6.2软件环境该系统的软件开发环境为Keiluvision5，主要是以C语言程序设计开发，而且在完成程序设计后能够进行编译，如果编译未通过则能够看到自己所设计的程序错误在哪里，如果编译通过便可以将生成的hex文件烧入到STM32开发板上。它的软件上的库也很齐全，所能够开发的硬件开发板基本上也都能够搜索到。总的来说使用起来是非常的方便和实用。2.7本章小结本章节主要是对智能探险小车的硬件做了很详细的描述，包括智能探险小车在开始硬件设计前需要绘制好电路原理图，再根据绘制的原理图制定操作方案。制定好方案后就是对硬件设备的安装和调试，针对各个所需要实现的功能，整理出小车安装模块先后的步骤。最后各个模块的设计内容进行了相关的分析。软件程序设计3.1软件程序设计概述本文WiFi智能小车操作平台这个软件的程序设计是在

Windows系统开发环境下进行开发的，开发工具是VisualStudio软件，编程语言是Java。控制界面的信息经过核心处理器处理后反馈给控制界面，并实时显示视频信息。WiFi智能小车控制平台实现的功能是操控小车的运动方向和显示小车摄像头所传回的视频内容。3.2电机控制程序本设计以L298N驱动芯片来作为本系统的电机驱动模块，该驱动板可驱动两路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平有效。对于STM32系列微处理器来说，执行一条指令只有几十个ns，进行for循环时，要实现N毫秒的x值非常大，而且由于系统频率的宽广，很难计算出延时N毫秒的精确值。针对STM32微处理器，需要重新设计一个新的方法去实现该功能，便是在程序中使用Delay(N)。程序代码如附录所示。控制电机程序流程图如图3-1所示。图3-1PWM控制电机程序流程图3.3循迹子程序设计循迹模块设计是通过光电传感器的输出端分别接到单片机的P22和P23引脚上，然后通过单片机编程，产生PWM控制信号，通过L298N控制电机的转速，让小车进行运动行驶的目的。具体程序如附录所示。红外管初始化和检测程序如图3-2所示。图3-2红外管初始化和检测程序3.4避障子程序设计避障程序的设计是为了确保小车躲避功能的可行性以及安全性。首先确定了用红外传感器实现小车的避障。若小车在行驶途中遇到了障碍物，小车会通过红外传感器接收到的信息进行自动避障，小车避障流程如图3-3所示。具体程序如附录所示。图3-3小车避障流程图3.5WiFi数据传输程序设计在此设计中，需要完成的是小车上带的WiFi模块发射出来的信号需要能够被接收到，所以在对视频模块进行设计过程中，除了要WiFi信号能够正常发射之外，还需要在电脑端成功接收到WiFi信号并成功连接显示。智能小车中的WiFi模块主要是通过TCP协议实现WiFi信号的传输。该协议主要就是实现与客户端的连接以及信息的沟通。具体程序如附录所示。流程框图如图3-4所示。图3-4流程图3.6本章小结本章是对系统的软件和运行小车的各个模块子程序的设计，在keil5中编写好子程序然后分别依次烧入到开发板中，实现各个功能。所以接下去就是对智能探险小车进行系统的测试来检查小车所能实现的功能和存在的问题。第四章系统测试4.1系统硬件测试对硬件部分的检测就是先从外观查看有没有损坏或者瑕疵的地方，其次再是看电路板有无损坏，再者是检查电路系统的连线是否连接正确。再检查完之后，第一步需要对电机驱动实施检测，在烧入代码之前检测电机是否能够正常运行，在检测完成后再去检测各个模块的能否正常运行。在初步检测后再利用串口调试功能块实施检测，检测各个功能能否能正常运转。再用串口检测小车摄像头，查看小车的摄像头能否正常亮起，能否正常的实现视频回传的功能。通过FlyMcu软件，把先前编译好的程序文件烧入STM32开发板上准备下一阶段的测试。如图4-1所示。图4-1FlyMcu软件调试4.1.1电机驱动测试为了测试电机驱动的特性，在系统配置好的情况下，将编写好的代码烧入到智能探险小车的开发板上，在烧写完成后测试小车用电脑端来控制小车的前进，左转，右转，后退。小车动作图如图4-2所示。(a)小车左转(b)小车前进(c)小车右转(d)小车后退图4-2小车动作图4.1.2红外避障测试在测试完小车能够正常运行之后，接下来测试的是小车的自动避障。因为此设计用到的时红外传感器避障，所以要实现的目的是当小车在行驶途中遇到障碍物时，小车上的红外传感器便能感应到前方障碍物，小车便会自动避开障碍物。在烧写完成后测试小车的自动避障功能，小车在遇到障碍物后能够自动避开障碍物。测试结果如图4-3所示。小车遇到障碍物自动避开障碍图4-3测试结果4.1.3自动循迹测试测试完小车红外自动避障后，接下去测试小车的自动循迹功能，同样也是用到了红外传感器来感应小车行驶途中的黑色条，小车会根据黑色条的路线自动沿着路线行驶。在烧写完成后测试小车的自动循迹功能，小车能够沿着黑色条自动行驶。测试结果如图4-4所示。图4-4测试结果4.2系统软件测试在测试WiFi智能小车操作平台时必须要让WiFi信号足够的强，也就是说小车必须与所连接的设备在一定的范围内才可以。必然可能会导致信号不稳定不能实现正常的测试。在启动小车后，通过PC端连接小车上的WiFi,在成功的连接到WiFi后测试PC端能否正常的控制小车的前后左右以及停止运动。然后再检查小车上的摄像头能否把所拍摄到的画面正常的显示到电脑端。在初步检查完成后，便可以对智能探险小车做进一步的上机测试了。4.2.1电脑端上机测试(a)摄像头灯亮(b)电脑端全景图图4-3上机测试图上述测试中，图(a)是小车所处的环境，图(b)是控制小车的电脑端软件显示的画面。也能控制小车小车的运动方向。通过上述实验可知，在连接上WiFi信号时，控制者可以通过软件窗口上的控制按键来操控智能小车，同时小车上的摄像头也能够实时返回监控到的画面。可以达到预期的效果。4.3本章小结本章重点就智能小车实施了系统测试。系统测试分为两个部分：硬件测试和软件测试。硬件测试是查看电机能否正常的运行以及各个模块的能否正常的。软件测试是通过WiFi智能小车控制平台连接智能小车上的WiFi，然后测试小车的运行和摄像头传回到电脑上的画面。测试结果表明验证了本文设计的智能小车的有效性。结论在大数据时代的背景下，人工智能正在如火如荼的发展，而智能探险小车作为人工智能的一个极小的分支，但它能够实现的功能和作用确实无法估量的。智能小车在一些特殊任务的情况下，它的作用是比人类的优先级更高的。尤其是在一些极端危险的任务环境下，更加能够体现出智能探险小车的强大。本次设计是以STM32作为开发板和拓展版。设计了具有红外自动避障、自动循迹、电机驱动、WiF