手機 APP 藍牙智能車的設(shè)計

引 言

現(xiàn)代的無線遙控小車技術(shù)起源于美國。由于戰(zhàn)事的需求、人工智能的面世及芯片半導(dǎo)體技術(shù)的量化級進步，軍事領(lǐng)域尤其需要各種不同于人類直接操作的機器人，用于排雷、布雷、收集情報等。隨著技術(shù)的發(fā)展，手機已成為人人必備的工具，很多家居用品可通過手機互聯(lián)。如果能將當(dāng)下成熟的智能手機技術(shù)及人工智能領(lǐng)域方面的技術(shù)結(jié)合用于智能小車的開發(fā)，就可避免傳統(tǒng)專用智能車在開發(fā)時對無線收發(fā)遙控面板的過度依賴。本文在當(dāng)下人工智能機器人研究背景下， 提出并設(shè)計了一款可遠(yuǎn)程監(jiān)控的由智能手機控制的無線監(jiān)控小車機器人 [1]。

1 原 理

本文設(shè)計的智能小車借鑒了人工智能等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)， 智能機可通過無線藍牙通信方式控制小車運動狀態(tài)，并通過無線方式監(jiān)控智能車運動范圍附近的圖像信息 [2]。

2 設(shè)計流程

2.1 智能小車設(shè)計流程圖

智能手機端 APP 發(fā)送小車運動狀態(tài)指令，通過無線藍牙方式發(fā)送到小車藍牙接收端，智能車控制芯片解碼，通過小車上藍牙服務(wù)端接收到的運動狀態(tài)指令調(diào)用相關(guān)控制小車運動狀態(tài)的子程序，結(jié)合 L298N 電機驅(qū)動模塊驅(qū)動小車電機， 實現(xiàn)小車與用戶的簡易人機互動 [3-4]。智能小車設(shè)計流程如圖 1 所示。

智能小車上搭配有安卓智能機，安卓智能機攝像頭將小車運動附近的實時圖像通過無線方式實時傳輸?shù)胶蠖穗娔XJava 服務(wù)器端。智能小車無線視頻監(jiān)控采集設(shè)計流程如圖 2 所示。

2.2 智能車的動力供應(yīng)系統(tǒng)

本文設(shè)計的智能車動力供應(yīng)系統(tǒng)由 6 節(jié) 1.5 V 干電池組成。其中，智能小車控制芯片、小車藍牙指令接收芯片及小車電機驅(qū)動芯片 L298N 所需電壓為 5 V，智能小車電機所需電壓為 9 V。因此，本文電力供應(yīng)系統(tǒng)需 7805 三端穩(wěn)壓模塊， 將電源 9 V 動力電壓轉(zhuǎn)換至 5 V 供系統(tǒng)單片機、藍牙和 L298N 電機驅(qū)動模塊使用 [5]。智能車的電力供應(yīng)系統(tǒng)如圖 3 所示。

2.3 智能車電機驅(qū)動模塊

L298N 電機驅(qū)動模塊驅(qū)動原理如圖 4 所 示。 其 中，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間分別接兩個電機 ；IN1， IN2，IN3，IN4 引腳從單片機輸入控制電平，控制電機正反轉(zhuǎn) ； ENA，ENB 接控制使能端，控制電機停轉(zhuǎn)。

圖 4 L298N 電機驅(qū)動原理圖

本文設(shè)計的智能小車選用 L298N 電機專用驅(qū)動芯片。L298N 通過單片機 I/O 改變芯片控制端的電平，即可對電機進行正反轉(zhuǎn)、停止等操作。輸入引腳與輸出引腳的邏輯關(guān)系見表 1 所列 [6]。

由表 1 可知，當(dāng)小車左右兩個電機均正轉(zhuǎn)時，小車前行 ； 當(dāng)小車兩個電機均反轉(zhuǎn)時，小車后退 ；當(dāng)小車左電機正轉(zhuǎn)， 右電機停止時，小車右轉(zhuǎn) ；當(dāng)小車左電機停止，右電機正轉(zhuǎn)時， 小車左轉(zhuǎn)。

2.4 智能小車藍牙通信模塊

本文智能車藍牙通信系統(tǒng)包含如下兩部分 ：

(1) 手機藍牙端用來對智能車藍牙接收端發(fā)送 A，B，C，D，F(xiàn)等 5 條指令，這 5 條指令分別代表控制小車前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止 ；

(2) 主程序主要是在單片機的控制下，對藍牙模塊輸入的信息進行存儲分析，控制電機驅(qū)動，以達到控制小車運動狀態(tài)的目的。

單片機定時讀取藍牙模塊的串口數(shù)據(jù)，若串口數(shù)據(jù)被讀出，則對數(shù)據(jù)進行分析 [7]。

2.5 智能小車 APP手機藍牙客戶端的設(shè)計

智能小車手機藍牙端 APP 基于 MIT APP Inventor 軟件第三方開發(fā)平臺而設(shè)計。MIT APP Inventor 軟件適合于沒有計算機 APP 專業(yè)知識的用戶，基于此平臺可進行人工智能機器人手機控制端 APP 項目的開發(fā)。因此本文選擇 MIT APP Inventor 開發(fā)平臺開發(fā)安卓 APP，在一定程度上簡化了開發(fā)者的工作量與 APP 開發(fā)的難度。小車 APP 開發(fā)界面如圖 5所示。小車 APP 控制界面如圖 6 所示。

首先通過藍牙連接按鍵與智能車藍牙接收端相連接，當(dāng)手機藍牙客戶端與小車上的藍牙服務(wù)端模塊確認(rèn)連接后，用戶即可通過圖 6 所示 APP 界面的前、后、左、右、停等指令，分別控制小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止 [8]。APP 藍牙按鍵功能開發(fā)流程如圖 7 所示。

2.6 智能小車無線視頻傳輸模塊

智能車無線圖像實時采集和反饋的基本過程 ：智能車上搭載的安卓智能手機攝像頭作為客戶端，將采集到的每一幀圖像數(shù)據(jù)通過無線 WiFi 方式發(fā)送出去，PC 作為服務(wù)端，通過 Java 語言編寫的智能車圖像反饋接收端接收并顯示每一幀圖像信息，實現(xiàn)智能小車運動視野范圍內(nèi)信息的高清及時采集與傳輸。智能車輛圖像的實時無線傳輸實物如圖 8 所示。

                                                                                                                                                                                                     圖 8 智能車輛圖像的實時無線傳輸

智能車圖像采集端通過 Eclipse 安卓開發(fā)平臺開發(fā)的APK 軟件，將安卓手機的無線攝像頭作為圖像采集端，PC 上圖像實時傳輸?shù)慕邮斩舜翱谕ㄟ^ Eclipse 中的 Java 工程編譯生成。

2.7 智能小車設(shè)計創(chuàng)新

在本文智能車的設(shè)計中，摒棄了傳統(tǒng)的無線收發(fā)器和遙控面板，經(jīng)過多年使用，需要加強系統(tǒng)的抗干擾功能 ；智能車的無線控制終端采用 Android 智能機 APP 藍牙控制 ；圖像采集模塊基于安卓智能機的攝像頭，實現(xiàn)圖像的高清采集，圖 9 小車反電勢難點解決措施比傳統(tǒng)的智能車攝像頭采集的圖像更加清晰 [9]。

2.7.1 智能小車優(yōu)勢

本文設(shè)計的智能小車能以手機控制平臺、藍牙通信模塊、單片機控制模塊及電機驅(qū)動模塊等硬件模塊，實現(xiàn)小車的前進、后退、前左轉(zhuǎn)彎、前右轉(zhuǎn)彎、后左轉(zhuǎn)彎、后右轉(zhuǎn)彎等功能， 且功能容易實現(xiàn)并能激發(fā)開發(fā)者的興趣。目前市場上流行的嵌入式操作系統(tǒng)研發(fā)的智能小車開發(fā)難度大，且二次開發(fā)入手難，很難滿足普通科研用戶的需求，一般只用于企業(yè)量化研發(fā) [10]。本文智能小車搭載安卓智能機攝像頭，圖像更清晰， 且圖像傳輸模塊開發(fā)難度較低，二次開發(fā)拓展價值大。

2.7.2 智能小車反電勢技術(shù)難點

智能小車在研發(fā)調(diào)試過程中，電機線圈運轉(zhuǎn)時兩邊會產(chǎn)生反電勢，對智能車 L298N 形成沖擊，易造成損壞，特別當(dāng)反電勢大于電源電壓或負(fù)電壓時更易損壞 L298N，所以在每根線上都加有 2 個二極管（一般采用 1N4007）進行保護。IN4007 導(dǎo)通電壓為 0.7 V， 能把倒灌回來的電壓鉗制在 -0.7 ～ 0.7 V 之間。小車電機反電勢解決措施如圖 9 所示。

2.7.3 智能小車未來擬研究點

未來擬結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的智能小車研究領(lǐng)域，一方面嘗試實現(xiàn)小車車身攝像頭的旋轉(zhuǎn) ；另一方面嘗試解決延長小車長時間無線通信功耗的問題。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的智能車以 STC89C52 單片機為核心，通過藍牙通信控制 APP 和單片機，控制電機驅(qū)動實現(xiàn)正負(fù)旋轉(zhuǎn)，繼而實現(xiàn)手機遠(yuǎn)程控制及運動視野范圍內(nèi)圖像信息的實時監(jiān)控反饋。該智能車融合了物聯(lián)網(wǎng)和智能家居產(chǎn)品的熱門技術(shù)， 具有較好的學(xué)習(xí)和科研價值。