基于LabVIEW的智能WiFi小车控制系统设计

基于LabVIEW 的智能WiFi 小车控制系统设计
DOI :10.19557/ki.1001-9944.2020.12.005
谢
檬,曾泽辉,张安莉,石卓勇
(西安交通大学城市学院电气与信息工程系,西安710018)
摘要:针对无线智能小车控距较短,无法自动避障且功能单一等问题,设计了智能WiFi 小车虚拟控制系统。

以STM32F105单片机为主控芯片,构建智能小车的硬件系统,上位机采用LabVIEW 搭建控制平台,WiFi 模块完成数据的适时通信。

经过测试,该系统可以控制智能小车完成基本的运行功能;LED 灯光控制;云台舵机旋转角度范围0°~180°和35°~90°;超声波测距范围0~15cm ,精度±0.5cm 。

控制系统便捷地控制小车运行轨迹,有效降低了道路事故风险,提高行车效率,方便人们的生活。

关键词:控制系统;LabVIEW ;智能小车;WiFi ;STM32F105中图分类号:TP391.9;TP242.6
文献标志码:A
文章编号:1001⁃9944(2020)12⁃0022⁃04
Design of Control System of Intelligent WiFi Car Based on LabVIEW
XIE Meng ,ZENG Ze ⁃hui ,ZHANG An ⁃li ,SHI Zhuo ⁃yong
(Department of Electrical and Information Engineering ,Xi ’an Jiaotong University City College ,Xi ’an 710018,China )
Abstract :Aiming at the problems such as short control distance ,unable to avoid obstacles automatically and single function ,intelligent WiFi car virtual control system was designed.This system takes STM32F105as the main control chip of the hardware system ,the upper computer USES LabVIEW to build the control platform ,and the WiFi module to complete the data communication.The hardware system of intelligent trolley is built by using STM32F105single chip microcomputer as main control chip.The upper computer uses the LabVIEW to build the control platform ,and the WiFi module completes the data real ⁃time communication.After testing ,the system can control the intelligent car to complete the basic operation function ;the car LED light control ;pan tilt steering gear rotation angle range of 0°~180°and 35°~90°;the ultrasonic ranging range of 0~15cm ,the accuracy of ±0.5cm.The control system conveniently
controls the track of the car ,effectively reduces the risk of road accident ,improves the driving efficiency ,and facili ⁃tates people ’s life.
Key words :control system ;LabVIEW ;smart car ;WiFi ;STM32F105
收稿日期:2020-08-29;修订日期:2020-10-07
基金项目:教育部产学合作协同育人项目(201902028026);陕西省职业教育“1+X ”证书制度专项项目(ZJX02001)作者简介:谢檬(1982—),女,硕士,副教授,研究方向为测控技术与仪器及智能仪器的设计。

在智能化应用设备越来越普及的现代社会,智能车无异于是未来人们日常生活中必不可缺的一部分[1-3]。

智能车的普及应用,可以有效降低道路事故风险,提高行车效率,方便人们的生活[4-8];在未来与交管系统的大数据库连接后,可以有效地避免交
通拥堵,降低交通管理的成本,提升道路利用率[9-11]。

在智能汽车领域内的无线智能小车,在一些较为复杂和危险的地方有着非常广泛的应用[12]。

无线小车
具有机动性强、重复利用率高、环境适应能力强等特点[13-14],然而小车控制距离较短,无法自动避障等问题,导致其功能单一,应用局限。

在此所设计的智能WiFi 小车虚拟控制系统,通过虚拟平台控制智能
小车的运行轨迹,实时显示小车遇到障碍物的次数,历史数据记录小车与障碍物之间的距离。

实时控制系统直观、便捷地控制小车运行轨迹,可有效降低道路事故风险,提高行车效率,方便人们的生活。

1总体方案设计
智能WiFi 小车控制系统结构如图1所示。

该
系统主要包括LabVIEW 控制系统、WiFi 通信模块、STM32F105主控芯片、超声波测距模块、电机驱动
模块、云台舵机控制模块和车灯控制模块。

1)LabVIEW 控制系统上机位采用LabVIEW
软件搭建的控制平台主要用于向智能小车发送控制指令,并显示实时运动轨迹和记录历史数据。

2)WiFi 通信模块
采用TCP 传输协议,完成上
机位和下位机数据的实时通信。

3)STM32F105主控芯片STM32单片机将控
制指令发送到智能小车的各个工作模块,同时采集超声波测距的实时数据。

4)超声波测距模块根据单片机的控制指令,
完成障碍物和小车之间距离数据的测量。

5)电机驱动模块在单片机输出信号的控制
下,拉高输出电压值,驱动直流电机工作。

6)云台舵机控制模块通过单片机发出的2
路PWM 控制信号,分别对水平、垂直舵机进行旋转角度的控制。

7)车灯控制模块
保障小车在光线较暗的情
况下安全工作。

2硬件电路设计
智能WiFi 小车主要硬件电路包括STM32最小系
统控制电路、L298N 电机驱动电路和超声波接口电路。

1)STM32最小系统控制电路
由STM32主控
芯片、电源电路、复位电路和时钟电路等组成。

其中电源电路通过低压差线性稳压器LDO (low dropout regulator ),将7.4V 锂电池的输入电压转化为3.3V ,
为STM32单片机供电。

2)L298N 电机驱动电路
可以承载较大的电流
和电压,最高电压可达46V ,最大峰值电流可达3A 。

内置的2个高电压、大电流全桥式驱动器,可用于驱动直流电动机、步进电机等设备的运行。

3)超声波接口电路
采用HC ⁃SR04超声波模
块,将接收到的超声波信号转换成电信号,进行测距、避障、检测等功能的处理。

HC ⁃SR04超声波模块测量范围为2cm ~4m ,芯片稳定、体积小、测度距离精确、盲区小。

4)硬件电路模块
包括单片机系统模块、WiFi
模块、云台舵机模块、电源模块、电机驱动模块和超声波模块。

小车行进方式为4个直流电机驱动的履带行进,满足多种险峻地形的工作环境。

3软件程序设计
3.1控制系统总程序
控制系统总程序流程如图2所示。

打开程序
后,会进入系统的控制界面。

WiFi 连接并初始化后,在上位机前面板上选择控制模式。

在控制模式下,为手动控制小车运行状态,在未接收到停止指令前,通过上位机软件界面发送指令来控制改变小车的运动状态;接收到停止指令后,小车立即停止运行并判断是否终止程序。

在避障模式下,通过超声波检测前方障碍物,前方无障碍物情况下手动控制小车动作;若障碍物检测响应,则立即停车并等待下一次动作指令。

图1控制系统结构框图
Fig.1Structure block diagram of control system
LabVIEW 控制系统
超声波测距
电机驱动云台舵机控制车灯控制
WiFi 通信
STM32单片机
图2控制系统总程序流程
Fig.2Overall program flow chart of control system
开始系统初始化手动控制模式?
向下位机发送状态指令
Y
N
小车改变运动状态发送停止指令?
Y
N
停止
改变控制模式?
Y
N
向下位机发送其他状态指令避障模式启动传感器超声波障碍物检测有障碍?N
Y
停车改变控制模式?
Y
N
3.2控制系统前面板设计
控制系统前面板分为2个控制子面板:手动控制模式子面板和超声波避障模式子面板。

手动控制模式子面板用于手动控制小车的行进轨迹;超声波避障模式子面板用于控制小车自动行进并完成避障功能,同时显示小车遇到障碍物的实时数据波形和历史记录数据。

1)手动控制模式子面板
如图3所示,包括运
动控制模块、舵机角度控制模块和车灯控制模块。

①运动控制模块运动控制模块通过4个布
尔按钮完成向下位机发送前、后、左、右的控制指令。

当持续按下按钮时,小车持续进行运动,松开后小车停止运动。

②舵机角度控制模块
该模块由2个旋钮控
件组成,水平舵机的角度量程为0°~180°,每个小格的精度为2°;垂直舵机的角度量程为0°~90°,每个小格的精度为2°,转动旋钮即改变小车运行的角度值。

③车灯控制模块
通过垂直摇杆开关控制
LED 灯的开关,保障小车在光线较暗的情况下安全工作。

2)超声波避障模式子面板
如图4所示。

通过
布尔按钮控制开启和关闭超声波避障模式,包括实时数据模块和历史数据模块。

①实时数据模块
小车工作在超声波避障模
式下,正常行驶状态下为连续的直线;当遇到障碍物时,出现方波信号随后恢复直线,直至下一次遇到障碍物时再次出现方波。

波形信号的纵轴高度表示小车与障碍物之间的距离,单位为cm ,每一个小格表示0.5cm 。

②历史数据模块
主要记录小车遇到障碍物
的次数、时间及小车与障碍物之间的距离,距离的单位为cm ,精度为0.5cm 。

4智能小车系统的测试
完成STM32单片机和各模块的连线后,调整WiFi 模块的天线位置,使天线保持垂直状态,保证热点信号稳定不受干扰。

打开下位机的电源指示灯,等待约15s 使WiFi 模块完成初始化,模块的LED 灯由闪烁变为常亮时,表示成功建立热电信号。

打开
上位机控制系统界面,测试软件程序是否可以正常运行,将电脑连上WiFi 模块发出的热点信号。

运行上位机程序成功后,此时下位机云台舵机的水平舵机角度会轻微转动,表示上位机和硬件电路连接成功,即可对小车进行操控。

4.1手动控制模式测试
点击手动控制界面的前进按钮,小车则根据前面板的操作,对应向前运动,如图3所示。

当松开按钮时,小车立停止运动。

按下左转按钮时小车向左进行原地旋转;按下右转按钮时小车向右进行旋转;按下后退按钮时小车向后运动。

点击照明垂直遥感开关,下位机小车的LED 灯点亮,如图5所示。

再次点击前面板开关则关闭小车的LED 灯,可循环往复。

调节水平舵机角度和垂直舵机角度分别为90°
和180°,此时下位机的云台舵机进行相应角度的旋转,其实物如图6所示。

图3手动控制模式子面板Fig.3Manual control mode
subpanel
图4超声波避障模式子面板
Fig.4Subpanel of ultrasonic obstacle avoidance pattern
图5下位机车灯测试Fig.5Lower locomotive lamp
test
4.2超声波避障模式测试
点击超声波避障按钮,下位机启动超声波传感器,进入小车避障模式,如图7所示。

实时数据模块显示小车遇到障碍物的距离,历史数据模块记录了小车遇到7次不同类型障碍物的时刻和距离。

4.3系统的误差分析
在超声波避障模式下,测得小车与障碍物之间的距离为实测值;采用红外测距仪测得的距离为标准值,红外测距仪的精度为0.05mm,其测量范围为
0.05~40m。

超声波距离测量系统的误差分析见表1。

由表可知,系统测量智能小车与障碍物之间距离的测量值x,标准值S及误差E。

根据误差分析的计算公式:
E=x-S S×100%(1)得到误差范围为0.00%~0.06%。

5结语
所设计的基于LabVIEW的智能WiFi小车控制系统,下位机选用STM32F105单片机作为主控芯片,包括减速电动机、L298N驱动模块、AR9331无线模块、水平垂直舵机、超声波传感器等主要模块。

上位机采用LabVIEW搭建控制平台,通过WiFi模块完成数据的实时通信。

系统经过测试,可以控制智能小车完成前后左右行进轨迹;云台舵机水平和垂直旋转角度范围分别为0°~180°,35°~90°;超声波测距范围为0~15cm;实时控制系统直观、便捷的控制小车运行轨迹,显示小车与障碍物之间的距离;有效降低了道路事故风险,提高了行车效率,方便了人们的生活。

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图6小车云台翻转的实物
Fig.6Car head flip physical
object
图7超声波避障模式
Fig.7Ultrasonic obstacle avoidance pattern
表1系统误差分析
Tab.1System error analysis
时刻标准值S/A测量值x/A误差E/(%) 15:30 6.35 6.00.05 15:309.859.50.03 15:317.507.00.06 15:318.158.50.04 15:357.057.50.06 15:368.458.00.05 15:388.709.00.03。