基于无线Wi―Fi控制的可视频智能避障小车设计

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【摘要】本文主要介绍了一种具有智能避障、视频监控、无线wi-fi控制的智能小车的设计。该车以STC90C516RD+单片机为主控芯片，结合超声波传感器实现自动避障，并能通过无线Wi-Fi实现控制和实时视频监控，能有效的实现对陌生和危险环境的探索。经反复测试调整，使该车可以实现110米有效距离的精准控制和实时视频的稳定传输。

【关键词】避障;智能;Wi-Fi

1.总体方案

总体设计方案：

该智能小车由MCU主控电路，Wi-Fi模块，舵机、避障模块，摄像模块和电机驱动模块组成。

Wi-Fi无线模块负责用于将视频信号传输给上位机，同时将上位机的控制信号传给MCU控制芯片。MCU为小车控制的核心，MCU接收控制信号，并将控制信号转换为小车控制信号，从而控制电机驱动模块以及超声避障模块。电机驱动模块可以实现小车的前进、后退、左转、右转四个动作。超声避障模块可以实现小车智能自动探路。整机系统图如图1所示。

图1 整机系统图

2.单元电路设计

2.1 MCU

MCU接收Wi-Fi模块传输的控制信号，经过内部程序的判断，来控制电机驱动模块和避障模块。由于操控舵机时需要一个时钟，操控超声波避障时需要一个时钟，UAR串行通信时需要一个时钟，故使用两片51单片机完成任务。MCU选择结构简单，易于操控的宏晶公司生产的STC90C516RD+芯片，其特点是51内核，运算速度快，工作频带宽[1]。

2.2 电机驱动模块

为了增强单片机对电机的驱动能力，利用电极驱动模块实现对电机的驱动。该模块是SGS 公司的产品，其内部包含4通道逻辑驱动电路，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机[2]。一片L298N可以驱动两个直流电机。电机驱动模块负责接收单片机控制信号，从而控制电机的运行状态。同时，在单片机与L298N之间增设隔离光耦，以保证单片机不会被浪涌电流烧毁。电机驱动模块是单片机控制小车运行状态的中间桥梁。其电路图如图2所示。

2.3 无线Wi-Fi模块与摄像头模块

Wi-Fi模块关系到智能小车与上位机的通讯。Wi-Fi全称Wireless Fidelity，实质上是一种商业认证，具有Wi-Fi认证的产品符合IEEE 802.11a/b/g/n无线网络规范，它是当前应用最为广泛的WLAN 标准，一般工作在2.4Ghz 频段[3]，是当今使用最广的一种无线网络传输技术，它可以把有线信号转换成无线保真信号，供支持其技术的电脑，手机，PDA等接受。Wi-Fi模块主要是将有线硬件方面接收到的TTL电平转换为Wi-Fi无线信号。Wi-Fi模块的发射端与接收端，需要有共同的通信协议。通过通信协议的转换，接收设备将会把Wi-Fi无线信号重新翻译成TTL电信号，从而达到远距离的通信。

Wi-Fi模块不仅用于实现控制端与小车的通信，同时还负责将采集的视频信号传回控制端。Wi-Fi通信板或无线路由器实现该功能。但如果考虑到无线Wi-Fi通信部设备的兼容与配合性能，还应继续考虑各个外设模块。

与Wi-Fi模块的通信最直接相关的是单片机与摄像头。由于Wi-Fi通信板仅支持串行通信协议，因此Wi-Fi模块与单片机之间的通信很容易实现。而对于摄像头与Wi-Fi模块之间的通信则相对复杂。而且对于摄像头的选用，为保证视频传输的流畅性，必须选择速度快，画面质量好，易于驱动，故障率低，性价比高的摄像头。用于试验开发的Wi-Fi通信板与外部只能实现串行通信。而串口摄像头的传输速度慢，驱动复杂，不能满足选择摄像头的。若采用无线路由器与USB摄像头的连接，则可以较完整的完成通信与摄像任务。并选用市场上常见的大亚DB 120 wg路由器与免驱动摄像头。

2.4 舵机模块

舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并能够保持的控制系统。能够在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统很容易与之接口[4]。为了实现小车自动避障，需要对小车前方180°范围内障碍进行检测，所以选择小型舵机，通过改变PWM波使舵机旋转从而带动超声波模块检测周围障碍物情况。舵机内部驱动电路如图3所示。

图3 舵机模块内部电路

2.5 超声避障模块

在探测周围障碍物时应尽量采用反射式非接触检测，其中超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm;通过超声波模块配合舵机来检测小车周围的障碍情况，其中模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;（2）模块自动发8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回;（3）有信号返回，通过IO口ECHO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。超声波接收器接收到第一个反射波后，定时器停止计时。定时器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过公式换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离[5]。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。超声波系统原理图如图4所示。

2.6 USB转串口通信模块

USB转串口模块主要是用来实现无线路由器与单片机之间的通信。该模块使用PL2303芯片构成下载器。PL2303 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器[6]，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。该器件内置USB功能控制器，USB收发器，振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART。该器件作为USB/RS232双向转换器，另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。

2.7 电源模块

该系统需要12V、6V、5V三种工作电压。12V电压由蓄电池产生，供给无线路由器。6V电压由12V电压降压斩波产生，降压斩波电路使用TI公司生产的LM2596芯片。5V电压由路由器的USB接口产生。其中降压斩波电路如图5所示。

图5 降压斩波电路

3.软件设计

3.1 Wifi模块软件设置

路由器使用的是嵌入式系统，具体的系统配置，以及软件安装结构示意图（下转第139页）（上接第137页）如图6所示。

图6 路由器系统结构图

将电脑的网口连接在路由器的LAN口，进入路由器设置界面。刷新固件，更新文件为.cn-10.03.396.bin。

更新好路由器的系统后，在路由器的USB接口上插上买来的免驱USB摄像头。使用电脑连接路由器，在电脑上使用SecureCRTPortable.exe软件登陆路由器，登陆后输入命令，来检查摄像头是否可以被路由器识别。

在OpenWrt官方网站上下载mjpg-streamer-r63网页例程。使用WinSCP.exe软件将网页例程中的camwww文件夹复制到路由器的中，以便可以配置路由器的图像服务器。

使用SecureCRTPortable.exe软件，启动路由器的图像服务器，并设置图像服务器为开机启动，使之能在开机时驱动摄像头。保存后并退出，在浏览器中输入http：//192.168.1.1：8080。可浏览视频。

路由器与单片机之间的通信使用PL2303（USB转串行通信）芯片通信，为实现路由器与PL2303芯片之间的通信功能，要为路由器安装PL2303的驱动。在OpenWrt的官网上下载kmod-usb-serial-pl2303_2.6.32.10-1_brcm63xx.ipk、libncurses_5.7-2_brcm63xx.ipk和minicom_2.3-1_brcm63xx.ipk，然后进入SecureCRTPortable.exe软件，将软件安装于路由器中。安装完成后，使用minicom命令进入minicom软件。在命令窗口中输入字符值，路由器就可以向外传输字符的ASCII码值。

为了实现将命令嵌入到网页中，需要为OpenWrt安装lua以及liblua，这样，就可以将网页嵌入到路由器当中，并实现minicom软件与网页件的数据交换。

3.2 单片机程序

程序主要分为两部分，一部分为Wi-Fi模块信号的接受与小车控制信号的发送，一部分为控制信号的接收与小车的控制。整体系统图如图7所示。

图7 软件系统结构图

系统设计为两片单片机，第一片单片机用来进行串口通信，接受电脑发送来的Wi-Fi控制信号，并进行处理，发送给第二片单片机。第二片单片机用来接受第一片单片机的控制信号，选择小车的工作模式，控制小车运动。对电机驱动和超声波、舵机的操控。

3.3 操作界面设计

该系统的上位机可以是电脑或手机，因此通过网络可实现对小车控制，并且观看摄像头返回的视频。小车的操控界面采用网页，主要基于HTML以及Javascript语言。并在网页中嵌入按钮，并且使用按钮发送脚本控制信息，并通过路由器传输给单片机。视频信号由摄像头捕捉后通过路由器返回给网页。网页中使用静态图片刷新方式对视频信号进行处理，将视频显示出来，这样视频既可以在电脑上观看，又可以在手机上进行观看。

4.结论

该小车的控制是通过手机和电脑实现，而不单是电脑控制，从而使用更加方便，利用Wi-Fi技术对小车进行遥控控制，包括小车前进、后退、转弯等功能，而且可以实时监控小车所处环境图像。基于Wi-Fi的控制系统不仅可以控制小车，稍做改动就可用来控制电脑、家用电器甚至探测、排爆机器人等，同时也可用于地质检测设备的手持终端。如果加以并网，就可以实现实时监控。因此，该项目的成果将不仅仅局限于一个遥控小车，更具有价值的是远程控制系统，具有很好的实用价值。

参考文献

[1]姚永平.STC90C51RC+系列单片机器件手册[Z].http：///：姚永平，2014.

[2]韩志荣，黄乡生，李跃忠.AT89C51单片机在直流电机闭环调速系统中的应用[J].华东地质学院学报，2002，25（1）：70-74.

[3]李晓阳.WiFi技术及其应用与发展[J].信息技术，2012（2）：

196-198.

[4]远飞.基于AT89S52单片机的舵机控制系统设计[J].电子元器件应用，2011（12）：26-28.

[5]张波，王朋亮.基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计[J].机床与液压，2010（18）：56-58.

[6]Prolific Technology Inc.PL2303 DataSheet[EB/OL].2004.http：//.tw/support/files//IO%20Cable/PL-2303X/Documents/Datasheet/ds_pl2303XA_v15F.pdf.

基金项目：陕西省大学生创新训练计划项目（编号：1826）;咸阳师范学院大学生创新训练计划项目（编号：XSYCX2013043）;咸阳师范学院专项科研基金项目（编号：12XSYK019）。

作者简介：

焦振田（1991―），男，河北沧州人，大学本科，现就读于咸阳师范学院电气工程及其自动化专业。

谢佳凯（1992―），男，陕西富平人，大学本科，现就读于咸阳师范学院电气工程及其自动化专业。

郗艳华（1974―），女，陕西蒲城人，咸阳师范学院副教授，研究方向：电子技术和数字图像处理。

张玉叶（1979―），陕西咸阳人，咸阳师范学院讲师，研究方向：控制理论与控制技术。