人机互动多功能智能小车的设计

李佳钰

摘要：作品选用普通小车为车体，以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心，用L298N驱动双直流电机。把物联网技术运用到设计中，集成了蓝牙和Wifi等无线协议，充分利用智能手机终端进行开发，将各种控制功能集成到手机端，实现了无级平滑调速，360度全方位运动，使人机交互更加灵活、方便，体现了基于物联网的设计创意。

关键词：智能小车；人机交互；语音控制；触屏控制；物联网技术

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）20-0179-02

作为物联网重要的发展方向，智能机器人也在市场中应运而生。智能小车是机器人中的一种，它涉及多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技[1]。全国电子竞赛与各省电子竞赛几乎每次都有智能小车方面的题目，全国各大高校也都重视该项目的研究，可见智能小车具有较高的研究意义。

本设计为了实现基于物联网的设计创意，把物联网运用到智能小车的研究中，利用物联网技术把信息传感设备连接起来，实现智能化控制。集蓝牙控制，Wifi实时监控，多传感器融合的自动避障，人体红外感知，智能语音控制，语音反馈提示等功能模块于一身，通过Android平台开发手机端程序控制小车的运动，实现了无级平滑调速，360度全方位运动，形成了更为复杂、精确的操控。充分利用智能手机终端进行开发，将各种控制功能集成到手机端，使人机交互更加灵活、方便，并且避免了硬件的复杂性与局限性[2]。本选题体现出了基于物联网的创意特色，实现了与物联网技术的有机结合，形成了综合的物联网体系。

1 设计方案

作品选用普通小车为车体，以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心，用L298N驱动双直流电机。把物联网技术运用到设计中，集成了蓝牙和Wifi等无线协议，充分利用智能手机终端进行开发，将各种控制功能集成到手机端，实现了无级平滑调速，360度全方位运动，使人机交互更加灵活、方便，体现了基于物联网的设计特点。

1.1 车体结构

整个小车主要分为三大部分：车体、L298N电机驱动板、Arduino MEGA2560 R3开发板，电机，开关，电池盒等。L298N电机驱动板负责将Arduino MEGA2560 R3开发板的输出信号转换成电机的驱动信号，来控制电机的动作。此外小车还加入了超声波测距模块，无线蓝牙传输模块，人体红外模块，红外测速模块等。小车使用双电机双轮驱动，左侧的轮子由左电机驱动，右侧的轮子由右电机驱动，其中通过双轮之间的速度差异和双轮的转动方向来控制转弯，前进和后退[3]。其实物图如图1所示。

1.2 功能简介

人机交互多功能智能小车实现的主要功能有：

（1）实现用手机端控制小车的功能，手机端采用Android平台，小车使用C语言来控制，通过蓝牙通信协议来实现手机端与小车的数据传输与人机交互；

（2）设计语音与触屏两种模式控制小车的行为，可以实现无级平滑调速，360度全方位运动；

（3）具有超声波测距和红外线测速的功能，能对前后左右四个方向障碍物的距离进行测量，以及计算小车行驶的速度，并在手机端实时显示；

（4）在手机端实时显示遥控数据、车速和障碍物距离相关数据等；

（5）在小车上安装有网络摄像机，实现了基于Wifi协议的无线视频传输，在手机端可以进行实时监控；

（6）在遇到障碍物，人等情况下，在手机端能够实现语音反馈提示；

（7）预留多路开关型传感器接口，可以自行安装各类传感器，配合程序实现功能扩展。

1.3 手机端控制结构

作品采用Android手机端程序与多功能智能小车进行交互，通过蓝牙通信实现了对小车进行语音与触屏两种模式的操控，并且对小车传送回来的数据进行处理，包括障碍物距离、实时速度、人体红外检测等信息的实时显示，还能够对周围环境变化进行语音反馈提示；加入了视频监控的模块，能够在手机端实时查看小车周围的环境视频信息[4]。手机端的控制界面如图2所示。

2 实现方法

2.1 核心板开发

作品以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心，小车上的蓝牙控制，多传感器融合的自动避障，人体红外感知，智能语音控制，运动速度和方向的控制都是基于核心板开发实现的。Arduino是一块以ATmega2560为核心的微控制器开发板，本身具有54组数字I/O端，16组模拟比输入端，4组UART，使用16 MHz crystal oscillator。Arduino是一个基于开放原码的软硬件平台，使用Java概念（跨平台）的C语言开发环境，Arduino功能强大，开发迅速。

2.2 Android手机端程序开发

作品采用Android手機端程序与多功能智能小车进行交互，使用Java语言进行Android平台的开发。在实现原理上，首先利用手机端蓝牙模块搜索周围蓝牙设备，进而匹配小车，并建立与小车的连接，准备进行手机端与小车的数据通信；然后在手机端实现了语音与触屏两种操控方式，以便对小车进行更加灵活的控制；还能够对小车传送回来的数据进行处理，包括障碍物距离、实时速度、人体红外检测等信息的实时显示，并能够自动躲避障碍物，对周围环境变化进行语音反馈提示等；加入了视频监控的模块，能够在手机端实时查看小车周围的环境视频信息[5]。手机端开发的功能模块如图3所示。

2.3 智能语音控制

智能语音控制的具体工作过程如图4所示。首先，用户点击手机屏幕上的语音操控按扭，这时系统会调用Google提供的语音搜索服务，并弹出一个语音搜索的对话框，提示用户进行语音输入；然后，用户只需说出相应的指令，如“前进”“后退”“左转”“右转”“停止”等，系统在获取到用户的语音指令后，会自动将语音信息发送到Google的语音识别服务器，由服务器端进行语音信息的识别，然后将识别的结果发送回手机端，如果在这个过程中有错误，服务器会发送相应的错误提示信息；最后，客户端将根据服务器发回的结果，进行相应的处理，包括向小车发送动作命令。这样，就实现了由语音控制小车行为的目的。

3 技术路线

人机交互多功能智能小车主要分为三部分：Arduino MEGA2560 R3开发板，L298N电机驱动板，以及基于Andriod平台的移动手机终端，通过这三部分我们完成了小车的大致框架。

Arduino MEGA2560 R3开发板是沟通小车与手机端的桥梁，在Arduino MEGA2560 R3开发板与手机端之间采用无线蓝牙通信协议来实现数据传输，并且Arduino MEGA2560 R3开发板将收到的数据转换成相应的信号传给L298N电机驱动板，此外Arduino MEGA2560 R3开发板上还安装超声波测距模块，人体红外检测等模块[6]。

手机端编写的应用程序将Arduino MEGA2560 R3开发板传来的数据接收并处理，将得到的结果在手机端显示出来，在手机端设有语音控制和触屏控制的功能，以及智能语音反馈提示的功能，还加入了视频监控的模块，能够在手机端实时查看小车周围的环境视频信息[7-8]。

本作品开发的技术路线如图5所示。

4 结论

本作品多功能智能小车主要分为三部分：Arduino MEGA2560 R3开发板，L298N电机驱动板，以及基于Andriod平台的移动手机终端，通过这三部分我们完成了小车的大致框架。小车以Arduino MEGA2560 R3开发板为控制核心，用9v电池供电，以满足单片机及驱动等其它模块对电压的需求。

移动手机终端编写的应用程序将Arduino MEGA2560 R3开发板传来的数据接收并处理，将得到的结果在手机端显示出来，在手机端开发语音控制和触屏控制的功能，能将传达的指令转化成数据发送给Arduino MEGA2560 R3开发板，由其将数据转换成信号发送给L298N电机驱动板，最终实现手机端对小车的控制。

由于客观条件所限，本作品还有一些功能需要由后续的工作来进一步完善：

1）开发具有行走轨迹记忆功能和跟随人体运行功能的模块，使其更加智能化和娱乐化；

2）添加一个机械手，使其能够完成更多的动作。

参考文献：

[1] 刘云浩. 物联网导论[M]. 北京：科学出版社，2011.

[2] 桂劲松. 物联网系统设计[M]. 北京：电子工业出版社，2017.

[3] 于洋. 基于Arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设计[D]. 吉林大学，2017.

[4] 李宁. Android開发权威指南 [M]. 2版.北京：人民邮电出版社，2013.

[5] 赵德安，等. 单片机原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[6] 程晨. Arduino开发实战指南[M]. 北京：机械工业出版社，2016.

[7] 贺安坤，张亮，宋长青，薛进. 基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与研究[J]. 微计算机信息，2012，28（9）：168-169.

[8] 沈显庆，张炜玮，常佳龙. Linux和Android手机终端的WiFi视频监控系统[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2014（11）：28-31.