摘 要： 基于S3C2440嵌入式處理器的自主移動智能小車系統(tǒng)能在安卓客戶端發(fā)送目的地位置信息后，完成路徑規(guī)劃并自動避障。處理器將小車上搭載的功能傳感器所采集到的實時數(shù)據(jù)信息反饋到客戶端，實現(xiàn)對室內(nèi)質(zhì)量狀況（實時視頻監(jiān)控、溫度、濕度和煙霧指數(shù)）的動態(tài)環(huán)境監(jiān)測，并于定點位置安裝功能傳感器，采用ZigBee無線模塊實現(xiàn)定點的環(huán)境數(shù)據(jù)采集與運動系統(tǒng)交互，進(jìn)而反饋到客戶端。而當(dāng)運動系統(tǒng)電量不足時，在自動充電單元控制下自動完成充電過程。測試結(jié)果表明，該運動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，具有良好的實時性。
關(guān)鍵詞： S3C2440；嵌入式；自主移動；路徑規(guī)劃；自動充電；環(huán)境監(jiān)測
0 引言
目前市場上的環(huán)境監(jiān)控攝像頭大多采用定點安裝，通過攝像頭的轉(zhuǎn)動來采集室內(nèi)環(huán)境的實時情況，其不足在于不僅存在監(jiān)視死角，且需要多個定點安裝[1]；而對于室內(nèi)的溫度、濕度和煙霧環(huán)境質(zhì)量狀況的監(jiān)測則是通過定點安裝傳感器來采集實時數(shù)據(jù)，從而反映出環(huán)境質(zhì)量的實時狀況。因此，該方案需要定點安裝數(shù)量不少的攝像頭和傳感器，極大地浪費了人力物力[2]。雖然國內(nèi)外已有采用基于路徑規(guī)劃算法[3]（大多采用的是蟻群算法、遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）的機(jī)器人來無線監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境以及監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)信息，然而這些算法具有一定的復(fù)雜性，并且與起點位置和障礙分布有關(guān)，可能造成路徑迂回。
本設(shè)計基于導(dǎo)航組件，對使用智能小車作為載體的運動系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃；采用超聲波測距模塊自動避障；當(dāng)智能小車電量不足時，可在自動充電單元的控制下自動完成充電過程。從而實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的自主移動監(jiān)控和溫度、濕度、煙霧指數(shù)的數(shù)據(jù)采集。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
圖1為本設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)以S3C2440嵌入式處理器作為控制中心，采用安裝有導(dǎo)航組件、電機(jī)驅(qū)動模塊和特定功能傳感器的智能小車作為運動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；通過ZigBee組網(wǎng)通信，將運動系統(tǒng)采集到的視頻數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)以及固定節(jié)點采集到的傳感數(shù)據(jù)匯總到運動系統(tǒng)的嵌入式服務(wù)端，用戶可以使用安卓客戶端，通過WiFi來無線實時操控和監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境狀況；而運動系統(tǒng)電量不足時，在自動充電單元控制下，小車自動完成充電過程。
2 運動系統(tǒng)設(shè)計
2.1 智能小車路徑規(guī)劃
路徑規(guī)劃算法是在導(dǎo)航組件的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，該導(dǎo)航組件由GPS模塊數(shù)字羅盤和霍爾傳感器組成[4-5]。
如圖2所示，假定作為運動系統(tǒng)載體的智能小車位于一平面上，將其起始位置用平面坐標(biāo)XY上的S點標(biāo)記，圖中箭頭方向即為小車的車頭方向，E點為安卓客戶端所輸入的目標(biāo)終點。
在XY平面上連接起點S和終點E，直線SE與x軸方向（假定x軸方向地理位置為正東方向）之間的夾角為α：
α=tan-1（（y1-y0）/（x1-x0））=tan-1（y/x）
式中，x=x1-x0；y=y1-y0；（x0，y0）為小車當(dāng)前點S的坐標(biāo)；（x1，y1）為安卓客戶端所輸入的目標(biāo)終點E的坐標(biāo)。
在不考慮障礙物的情況下，形成一條理想化的直線路徑，即小車從當(dāng)前位置S（x0，y0）直線運動到目標(biāo)位置E（x1，y1）。GPS模塊數(shù)字羅盤能夠測出智能小車的車頭起始位置與正北方向（y軸方向）之間的夾角為β，則車頭方向與SE直線間的夾角φ=β+（90°-α）。通過嵌入式處理器測算，調(diào)整車頭方向，使小車正對方向朝目標(biāo)點E駛?cè)?。而在小車行走過程中，采用霍爾傳感器記錄小車行走的路徑。小車在行走的過程中可能會遇到各種各樣的障礙物，因此必須檢測并順利躲避障礙物，使得小車可以安全準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)設(shè)目標(biāo)點。如圖3所示，箭頭所指方向為小車車頭方向，在小車的右前方、正前方、左前方、右后方、左后方安裝5個超聲波測距避障模塊。
若相應(yīng)方向的超聲波模塊測距后檢測到障礙物（圖2中不規(guī)則陰影部分為障礙物），則嵌入式處理器給小車下達(dá)執(zhí)行避障的命令。當(dāng)小車處于前進(jìn)狀態(tài)，且前方的3個超聲波模塊均檢測不到障礙物時，則認(rèn)為已避開障礙物[6]。這時，處理器重新讀取小車當(dāng)前的GPS坐標(biāo)E′（x1′，y1′），以當(dāng)前即時位置E′的坐標(biāo)更新原始位置S的坐標(biāo)，便得到更新后的x、y值；而后再設(shè)置理想化直線E′E，重新規(guī)劃導(dǎo)航路徑。如此反復(fù)，直到x、y的值小于預(yù)設(shè)的閾值后，則認(rèn)為在誤差范圍內(nèi)，小車已到達(dá)目標(biāo)終點E（x1，y1）；然后通過嵌入式控制中心給客戶端一個反饋，從而客戶端可以監(jiān)測該位置的視頻信息、溫度、濕度和煙霧指數(shù)值以及報警模塊反饋的安全狀態(tài)（客戶端顯示的信息同時也包含了用戶關(guān)心的固定節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息）。
智能小車在從S（x0，y0）向E（x1，y1）行進(jìn)的過程中，遵循以下原則：
?。?）在外部環(huán)境條件允許的情況下，運動軌跡僅是理想化路徑的近似曲線。
?。?）當(dāng)外界存在障礙物時，小車先進(jìn)行避障任務(wù)，避開障礙物或遠(yuǎn)離障礙物后（即圖2中E′點），再讀取即時GPS坐標(biāo)，重新規(guī)劃導(dǎo)航路徑。
2.2 智能小車自動充電設(shè)計
在充電電源處放有強(qiáng)光，而小車上安裝有趨光模塊（由5個光敏電阻組成的趨光電路），模塊的光敏電阻阻值隨光強(qiáng)而變化。為了減小外界無關(guān)的光線影響，在每個光敏電阻上，套上用黑膠帶做成的桶行冒[7]，其目的是可較準(zhǔn)確地檢測出各個方向的光強(qiáng)，方便處理器的控制，減小檢測誤差。通過對光敏電阻檢測到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換電壓與預(yù)設(shè)的閾值比較，完成小車追蹤光源的任務(wù)。
每個光敏電阻檢測一特定扇形區(qū)域，如圖4所示，該區(qū)域角度為α。經(jīng)過測試，α在32°左右即可。在尋光過程中，當(dāng)光敏電阻追蹤到光時，其阻值發(fā)生變化，處理器檢測變化信號并產(chǎn)生相應(yīng)的指令來驅(qū)動電機(jī)，從而改變小車的行進(jìn)路線。當(dāng)小車路線改變后，相應(yīng)地光敏電阻接受到的光強(qiáng)也隨之發(fā)生變化；在電源處放著一塊強(qiáng)力磁鐵，而小車上放有一塊金屬片，當(dāng)小車通過尋光行駛到電源處，停止前進(jìn)，在電源處的磁鐵實現(xiàn)電源與小車的對接功能，從而實現(xiàn)自動充電；而處理器一旦監(jiān)測到小車電池電壓達(dá)到電量充滿的閾值時，驅(qū)動電機(jī)使小車與磁鐵脫離吸合狀態(tài)。因此，該運動系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測過程中不用考慮電量不足的問題，能更好地實現(xiàn)人性化的環(huán)境監(jiān)測。
2.3 智能小車避障策略
智能小車在行進(jìn)過程中遇到障礙物時所采取的策略如表1所示。當(dāng)超聲波模塊檢測到障礙物時，相應(yīng)模塊的電平為“1”，否則為“0”；“X”為任意狀態(tài)；D1和D3分別為1號和3號測距模塊所測障礙物距離。
3 實現(xiàn)結(jié)果
在空曠的操場上自動規(guī)劃智能小車行走路徑。圖5為小車的實測行走路徑，小車從S點出發(fā)，先后經(jīng)過預(yù)設(shè)目標(biāo)點E1、E2、E3；在行進(jìn)過程中，小車遇到了障礙物，需進(jìn)行自動避障，因此整條路徑行成了S型，而非理想的直線路徑，S到E3之間的直線距離為25 m。
小車從起始點出發(fā)的行進(jìn)過程中，通過GPS模塊數(shù)字羅盤能夠測出智能小車的車頭起始位置與正北方向之間的夾角為β，因此在不同的時間內(nèi)，車頭方向與小車當(dāng)前位置到目標(biāo)點直線間的夾角φ=β+（90°-α）可通過處理器測出。由此可獲得智能小車方向角φ與時間的關(guān)系圖，如圖6所示。小車在出發(fā)點S處與目標(biāo)點E1，開始存在一個方向角，設(shè)置好目標(biāo)點E1后，小車迅速調(diào)整車頭位置，使車頭正對目標(biāo)點，并前進(jìn)；在行進(jìn)過程中，由于沒有遇到障礙物，方向角在0°左右波動，在誤差允許的范圍內(nèi)；當(dāng)小車行走到目標(biāo)點E1時，隨即獲取到前往目標(biāo)點E2的命令，在E1位置存在障礙物，因此方向角變化需要一定的時間。當(dāng)車頭方向調(diào)整到正對目標(biāo)點E2時，方向角在0°左右波動，在誤差允許的范圍內(nèi)。從圖中也可以看出，從E2到E3也滿足設(shè)計的需求。小車在28 s內(nèi)，自主移動，成功到達(dá)終點。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)使用安卓客戶端遠(yuǎn)程無線控制運動系統(tǒng)，并監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和安全狀態(tài)，智能小車可自動充電。對于室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測有兩種模式：一種是智能小車完成路徑規(guī)劃和自動避障動態(tài)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境狀況（視頻監(jiān)控、溫度、濕度及煙霧指數(shù)），質(zhì)量狀況超過安全值時自動報警并反饋給客戶端；而另一種模式是使用客戶端實時控制智能小車走向，并且安卓手機(jī)上實時顯示所有傳感器的實時傳感數(shù)據(jù)，對特別關(guān)心的地點可拍照傳回，保證一些安全隱患早發(fā)現(xiàn)早預(yù)防，對保護(hù)人身財產(chǎn)安全等起到至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)具有很大升級空間，可以擴(kuò)展功能，實現(xiàn)更為復(fù)雜的控制。
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