智能避障小车系统设计研究

设计研发2021.01
智能避障小车系统设计研究
周涛
(电子科技大学成都学院工学院，四川成都，611731)
摘要：针对传统避障小车的避障能力、应用场景局限性、功能单一等问题，本文提出了一种全新的智能避障小车。

智能避
障小车系统在传统避障小车设计基础上，增加各种不同类型的传感器,采用物联网方式设计，增加OTA功能，以满足不同
场所、不同使用环境的需求,提高避障能力。

实验测试结果验证了该智能避障小车系统有益效果和方案的可行性。

该智能
避障小车系统具有实际意义和应用价值。

关键词：智能避障小车；OTA在线升级；物联网
Design study of intelligent obstacle avoidanee vehicle system
Zhou Tao
(Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China College of Engi­
neering,Chengdu Sichuan,611731)
Abstract:This paper proposes a new intelligent obstaele avoidance cart for the problems of tradi-tional obstaele avoidance cart's obstaele avoidance ability,limited application scenarios and single function.Based on the traditional obstaele avoidance car design,the intelligent obstaele avoidance
car system adds different types of sensors,adopts Internet of Things(IOT)design,and adds OTA func-tion,so as to meet the needs of different places and environments and improve the obstaele avoidance ability.The experimental test resuIts have verified the beneficial effect of the intelligent obstaele avoidance cart system and the feasibility of the scheme.This intelligent obstaele avoidance system has practical significance and application value・
Keywords:Intelligent obstaele avoidance carts；OTA online upgrade；Internet of Things(IoT)
0引言
在大数据时代背景下，每个人的生活方式和习惯都受到T巨大影响，智能设备逐渐丰富我们的生活，在餐厅、酒店、医院、办公楼、快递站等地方，智能避障小车的使用也更加普及。

智能避障小车系统在传统避障小车设计基础上，增加各种不同类型的传感器，釆用物联网方式设计，增加0TA功能,以满足不同场所、不同使用环境的需求，提高避障能力。

根据产品功能设计理论，智能避障小车的功能方法主要包括：自动避障设计、联网在线升级设计以及多传感器联合避障设计等。

从上述三个方面的设计综合结果来看,采用多角度设计的智能避障小车，能够实现自动避障、语音报警、图像处理以及在线升级等信息交互功能,智能避障小车的外形通常需要根据应用场合设计，例如具备防水功能的水下探测避障小车；兼顾货物运输的运输避障小车;辅助盲人的辅助避障小车等。

综上所述，就常用的避障小车来说，以特定的受众对象为基础，功能单一，早已无法满足市场需要。

采用三种设计方法综合得出的设计方法,通过多角度进行设计，可以明显提高避障小车的避障能力,还可以非常直观地表达设计师的理念，而且具有良好的市场前景和经济价值。

1智能避障小车系统方案设计
系统主控芯片基于STM32F4平台,智能避障小车系统完成的主要功能是能够自动驾驶或按照指定路线驾驶,实现循迹、自动避障、自动复位驾驶、语音提示播报、联网升级等功能。

能够在道路中稳定行驶，且在检测到岔路、障碍物时能按程序设计进行正确操作。

传感器釆用红外传感器模块、超声波传感器模块、雷达传感器、摄像头模块等传感器获取周围环境、障碍物的信息，经过相关算法计算，对小车的运动方向和运行速度进行精确控制。

对整个智能避障小车系统的硬件进行设计制作、软件进行设计和程序的编写以及程序的调试，软硬件联合调试最终完成软件和硬件的融合，实现智能避障小车系统的目标功能。

智能避障小车系统结构图如图1所示。

（红外传感器模块]
[HC-SR04\
I超声波模块J
!|语音播报|1
~*51屏幕显示|;
雷达传感器模块
[OpenMV4H7]
I摄像头模块J电源模块
ATK-ESP8266
WIFI模块
图1系统结构图
1.1硬件选型方案
系统设计中，硬件选型方案的关键部分为主控芯片、摄
甲耳测
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像头模块、WIFI 通信模块。

主控芯片采用STM32F429IGT6嵌入式单片机。

拥有
1024K FLASH, 256K SRAM, 176个引脚，容量大。

芯片内嵌资 源丰富：8个串口，3个ADC 共24通道，16个定时器，2个
DAC 通道,2个CAN 总线,全速USB 0TG1个,DCMI 摄像接口等,
能够满足设计需求。

WIFI 模块采用ATK —ESP8266o 模块与主控芯片使用串
口建立通信，内部设置有TCP/IP 协议栈，能够建立WIFI 与
串口之间的通信。

模块拥有串口转WIFI STA 功能、串口转AP
功能、WIFI STA+WIFI AP 功能，实现快速建立串口转换WIFI
的数据传输通道的功能。

模块还以接入云服务器，实现远端
远程管理，在线下载固件程序、联网升级等功能。

WIFI 模块 实物图如图2所示。

摄像头模块采用0penMV4 H7摄像头模块。

该模块采用
Cortex-M7 处理器，拥有 480MHz 主频，IM RAM, 2M Flash, 其中的单个SPI 总线速度就可以达到54Mbs,能够把图像流 采集数据传输给LCD 扩展板或WIFI 扩展板或其他主控制器。

图2 WIFI 模块正反视图
2功能设计方案
智能避障小车系统程序分为三层，分别为：用户层、中间
层、硬件层。

在硬件层固定的情况下，编写程序改变中间层算 法、程序、设计思路，充分发挥中间层的作用,对多种复杂环 境，不同的应用场景、使用需求建立数学模型,建立数据库文 件，充分发挥中间层的作用，实现对不同用户层的程序支撑,
达到应对多种应用场景、使用环境、使用需求的要求。

智能避 障小车系统程序运行结构图如图3所示。

环境，满足不同工作的使用需求。

同时，当程序算法更新/进
一步提升后,能够及时上传安装到硬件端，大大节约了时间。

智能避障小车系统实现OTA (空中下载技术)的功能，需
要云端服务器与客户端两种设备相互配合。

可以有一个或多
个云端服务器，可以有一个或多个客户端。

云端服务器通过 串口建立通信通道与PC 机连接，将需要下载的升级文件储存
在PC 机内,相应的机制给服务器发送相关命令及镜像文件。

工作过程简述：相应的机制操纵云端服务器，发送最新 可用的镜像文件，客户端在接收到文件后会进行分析、判别、
甄别，如果存在与客户端相匹配的镜像文件,客户端就向云
端服务器请求数据。

云端服务器收到请求指令后向相应的机 制索取固定大小的文件，再点对点、线对线、面对面的传送镜
像文件给客户端。

镜像文件发送完成后，客户端需要进行校
验,校验完成后会返回一个结束信号到云端服务器,云端服 务器关闭镜像文件传输通道。

在智能避障小车系统设计中，主要采用OTA 中的基于浏 览的方式和推出的方式两种方式进行数据交互。

(1) 基于浏览的方式。

客户端访问云端服务器，查找服务
器内应用菜单，根据客户端需要利用网络从后台访问云端服
务器，并下载其中相应的数据到客户端。

用户可以根据需要,
下载需要的功能的数据包，下载采用WIFI 的方式传输，传输 速率更高，顺应大数据时代的发展趋势。

随着5G 技术的普及,
移动终端设备需要与云端服务器交互速度将更加快速。

(2) 推出的方式。

智能避障小车系统可以根据功能类别、
市场需求,通过信息或邮件方式向客户端用户发送新功能数
据下载的链接通知推送服务，客户端通过该消息的信息提示
进行相应操作,就可以实现远程数据更新、程序更新。

这种方 式比传统PC 端有线下载方式更加操作简便、升级流程简单,
与其他交互方式相比，减少网络资源消耗，降低了客户端与 网络数据的频繁往来。

环境信息获取
人机界面
-
信息处理分析
获取识别结果避障提示用户层中间层
连接避障提示
硬件层
图3智能避障小车系统程序运行结构图
2.1自动避障设计
采用避障小车系统搭载的硬件传感器与软件相互配合,
设计实现当遭遇障碍物时能够有效躲避障碍物的预期功能。

2. 2联网在线升级设计
利用系统搭载的硬件ATK —ESP8266 WIFI 模块与云端
服务器结合，配合不同的应用场景下建立的数学模型、数据
库,筛选对应的使用环境，下载匹配的固件版本，升级最新版 本的固件，实现OTA 在线升级功能，实现有效应对不同的使用
申耳测
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综上所述，采用OTA 能够完成修改节点上运行的系统程
序的任务。

云端服务器能够向客户端发送程序镜像文件，然
后由客户端内部简单短暂的响应之后,镜像程序将覆盖更新 原来的程序。

新的镜像升级文件通过无线下载存储到空闲空
间,要求客户端的存储空间可同时容纳新的镜像文件程序和 当前运行程序。

云端服务器、客户端运行流程图分别如图4、
图5所示。

2. 3多传感器联合避障设计
利用系统搭载的不同类型传感器完成检测:
（1） 红外传感器感应周围环境中障碍物辐射的红外线，
进而返回相应的数据，为智能避障小车系统的软件运行提供 相关的数据支撑。

（2） 超声波传感器在运行时会发射出超声波，分界面或 杂质会让超声波出现反射现象,形成反射回波，超声波传感 器的返回值经过一定计算能精准反应障碍物到检测点的距
离,进一步提升智能避障小车系统的避障精度、灵敏度。

（3） 毫米波雷达传感器在运行时，可以进行连续的全方 位扫描，扫描频率快，范围以圆形呈放射状。

它的体积更小、
集成度更高、空间分辨率更高。

它比摄像头传感器、激光传感
器、红外传感器等光学传感器，穿透烟、雾、灰尘的能力更强，
抵抗干扰的能力更强，具有全天候（雷暴天气等极端恶劣天 气除外）全天时的特点。

（4） 摄像头传感器能够对障碍物进行图像识别，通过OTA 升级存在云端的识别算法和模型，同时云端数据可以不断更
新更先进的算法和模型,故能不断提高障碍物的判断效率和
准确率，有效减少误判/错判的几率，提高智能避障小车系统
的避障能力。

数据交互测试数据如表1所示。

表1 OTA 数据交互测试数据数据大小数据交互时间（平均值）
数据交互成功概率
15M 60s 98%30M 110s 97%50M
200s
98%
3结论
在智能避障小车系统的设计中，通过自动避障设计、联 网在线升级设计以及多传感器联合避障设计等设计角度综
合分析得出的设计方案，研发、设计、制造出的智能避障小车
系统在传统避障小车的基础上，解决了功能单一、避障灵敏 度等问题,利用多种类似的传感器进行信息采集测量，配合 大量的数据分析,有效提高了避障小车的精度、灵敏度以及
避障能力，扩宽了智能避障小车的应用场景，满足了目前的
市场需求。

参考文献
[1] 耿韶光.基于嵌入式设备与深度学习模型的智能小车的
设计与研究[D],天津电子信息技术学院，2020.05.25[2] 李威，卫超奇.基于嵌入式巡检小车的控制系统设计[D],
太原科技大学机械工程学院，2019.06.25.
⑶李楠，王帝.基于单片机的无线数据传输系统设计[D],吉
林化工学院信息与控制工程学院，2019.07.25.
[4]周恒，王民慧.基于嵌入式智能小车控制系统设计[D],贵
州大学电气工程学院2019.07.01.
（上接第28页）
图5复位电路
2基于AT89C51单片机数字时钟电路的软件程序
流程图
模拟计时器（采用正计时方式），4位数码管分别显示
“分”和“秒”。

流程图如图7所示。

3结束语
电子线路的设计、制作与调试是一个极其复杂、综合性
很强的过程，涉及到本专业的各门学科，应用到很多新的知
识与技能,包含单片机、Protel DXP 和Multisim 、Proteus
仿真软件等等。

在设计、制作与调试过程中，理论联系实际, 将所学知识综合运用，这是提高自身的专业技能与各种能 力、积累经验、为今后的工作打下扎实基础的重要途径。

图7 60分60秒程序流程图
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础数字部分（第六版）[M].北京：高
等教育出版社,2014.
[2] 张毅刚，赵光权，刘旺编著.单片机原理及应用（第三版）
[M].高等教育出版社,2016.
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申耳测说。