基于Arduino单片机控制的WiFi智能小车Word文档格式.docx
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2011级计算机科学与技术一班
指导教师:
陶锐
完成时间:
2015年5月22日
摘要
本次设计wifi智能小车主要采用Arduino作为底层硬件控制核心,接收来自路由器的指令执行相关操作;
采用PWM脉冲调节小车速度、舵机控制以与灯光亮度;
采用定时器实现小车数据的发送、小车的避障与计算小车的行驶速度;
运用简单的PID算法实现轮胎直接的差速控制;
采用路由器发射无线wifi,使用Lua脚本实现了接收单片机数据与发送操作指令,设计了web页面控制小车的B/S模式结构。
关键字:
Arduino;
PWM脉冲;
PID算法;
web控制
Abstract
Thedesignofwi-fismartcarsmainlyadoptstheArduinoasthecontrolcoretoreceiveinstructionsfromtherouterperformrelatedoperations;
UsingPWMpulsetoadjustthevehiclespeed,steeringgearcontrolandlightingbrightness;
usingtimertorealisethetransmissionofcardata,thebreakdownofthecarandcalculatethecarspeeds;
UsingthesimplePIDalgorithmtyredirectdifferentialcontrol;
Usingwirelesswifirouterlaunch,usingtheLuascriptimplementsreceivingMCUdataandsendoperationinstructions,andatlast,itdesignsawebpagetocontrolthecarB/Smodestructure.
Keyword:
Arduino;
PWMPulse;
PIDarithmetic;
Webmanage
第1章绪论
1.1论文选题背景
21世纪是一个遍布智能化设备的时代,我们身边充满了各式各样的智能化设备,智能电视,智能冰箱,智能洗衣机等,然而这些设备都离不开嵌入式系统与单片机系统。
并且现如今又出现了物联网这一个概念使得无线控制、无线传输变的更加火热,因此物联网将会是我们说有设备之间连接通信不可缺少的一部分。
也许有人会问什么是物联网。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是“信息化”时代的重要发展阶段。
[9]英文名称:
“Internetofthings(IoT)”。
物联网是物与物相连的互联网。
它的两种含义:
一、物联网其实仍然是互联网,只是互联网的一种延伸和扩展的网络;
二、其用户互联网络伸展到了任何物品与物品之间,并且进行信息交互和通信,这可以称为物物相息了。
物联网通过各种通信感知技术(智能感知、识别技术、普适计算)广泛应用于网络的融合中,也被称为继计算机。
对于我们的家庭设备来说物联网的核心设备与出口就是路由器,而路由器的系统Openwrt更是这个网络控制的主脑设备。
Openwrt是一个嵌入式的Linux体统,它的特点是高度自动化、模块化,并且拥有强大的网络组件与扩展性。
在智能家居、小型机器人、工控设备、VOIP设备与路由器中通常可以见到它的身影。
如果对Linux体统有一定的了解,对于想学习嵌入式Linux的人来说openwrt是一个不错的选择。
它的好处在于对于开发人员,OpenWrt拥有完整的框架来构建应用程序,并且无需建立一个固件来支持,同时还支持很多种不同芯片的路由器以与源码开放;
对于用户来说,可以完全制定想要的功能,互联网上提供很多应用程序,可以以不一样的方式玩转设备。
这意味着其拥有完全定制的能力,可以用前所未有的方式使用该设备。
对于现代的智能设备来说远程无线遥控已成为一种趋势,我们可以通过远程遥控家里的电源开关,网络摄像头,空调等。
在军用方面我们可以通过远程遥控无人侦察机查看军情,可以遥控智能机器人拆除炸弹等,这可以减少人员的伤亡。
1.2论文选题的意义
但当我们出门在外时家里缺少一位智能管家,他可以监控管理我们的房屋与家具设备,而他的前身就是由WiFi智能小车,WiFi智能机器人发展而来。
同时其他的远程遥控设备,如无人机,智能机器人与其他远程智能设备都离不开单片机,无线模块等设备。
而wifi智能小车的研究可以学习了解到这些技术,同时通过wifi小车的精准控制等研究可以也可以运用到其他的远程设备上。
wifi小车可以实现室内的室外的远程监控,使得网络视频监控更加灵活。
1.3论文论述
本系统能够实现通过摄像头远程监控周围环境,对小车的运动状态进行实时监控,系统要求控制灵活、可靠、精准度高、可实现与其他设备的连接与通信。
本系统采用的单片机是ArduinoUno。
它是ArduinoUSB接口系列的最新版本,作为Arduino平台的参考标准模板。
UNO的处理器核心是ATmega328,同时具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出),6路模拟输入,一个16MHz晶体振荡器,一个USB口,一个电源插座,一个ICSPheader和一个复位按钮。
ATmega328内置的UART可以同数字口0(RX)和1(TX)与外部实现串口通信。
14路数字输入端口工作电压为5v、最大电流为40mA。
外部中断端口为数字口2号和3号,触发条件为上升沿、下降沿或同时触发。
由于ArduinoUnoR3的性能满足wifi小车的数据传输与时间精度的要求,而且产品为开源硬件提供相当完善的硬件结构,产品来源丰富应,用也相当成熟,是一款适合大学生学习研究的性价比很高的产品。
本设计中要研究的内容是基于Arduino开源硬件与WR703N路由器设计的一部wifi智能小车。
小车能够实现前方物体自动避障,超声波车辆距离,无线视频监控,小车差速控制,摄像头灯光控制等。
Wifi智能小车系统包括了两路电机、两个光电测试模块、Arduino单片机控制板、电机驱动模块、超声波测速模块、无线路由器、usb灯光摄像头等硬件设备。
本项目主要论述的是wifi小车设计方案的选择、硬件设计、软件设计以与测试方法等。
在第2章我们主要涉与到的内容就是系统方案的整体设计与选择,以与选择这种方案的原因与优缺点;
第3章我们主要讲到的是单片机的详细电气特性,各个引脚接口的使用,路由器ttl串口的查找与增益天线的焊接,电机驱动与测距模块的详细说明,各个设备之间的电源供给情况,以与模块的电路图简单说明与整体的电路图设计。
第4章我们主要讲到的是单片机的软件编程,路由器的软件安装与选择,Android控制端的软件设计等,在路由器中通过lua脚本、stty串口软件等配合控制单片机。
第5章我们主要讲到的是软件与硬件的测试与调试,以与在在调试过程中的问题解决。
第2章系统方案选择与总体设计
2.1设计任务
本设计主要是通过无线网络或者远程连接WiFi小车实现小车的前进、后退、转弯、监控视频采集、其他数据的采集以与前方距离探测等功能。
本设计要求通过web浏览器端进行控制。
1.实现pc端、手机与小车wifi的连接。
2.能够通过web网页对小车进行实时控制。
2.2设计中考虑到的问题
1.由于设计中的小车底层硬件控制是通过单片机控制,单片机与无线模块的通信如何实现,启动设备时如何初始化。
2.如果前方有障碍物时小车行驶速度太快,如何避免撞到前方障碍物,以与小车如何转弯时角度的测量与小车当前方向。
3.各元件之间额定电压与电流各不相同如何控制各元件电压与电流的供给以与整个系统电源的稳定性。
4.由于单片机IO口的电流为mA级的,无法直接驱动电机,如何进行电机的驱动。
5.对于通过Android客户端控制wifi小车是如何进行通信,选择何种协议进行通信,在软件设计方面如何实现不同手机设备之间的兼容性。
2.3系统方案的选择与比较
1.通过设计任务与要求,设计前考了到的问题等,在网上搜索大量资料提炼出以下几种设计方案。
方案一:
选择网上最典型的且容易上手的TP—LINKWR703N无线路由器作为wifi小车的wifi通信模块,使用51系列单片机作为wifi小车的底层控制芯片。
该方案路由器功耗小相关资料齐全。
方案二:
选择网上比较耗电功率大性能较好的大亚db120-wg无线路由器作为wifi小车的wifi通信模块,使用STC11F02F单片机(核心为8051)作为wifi小车的底层控制芯片,需要电源稳定容量大。
方案三:
网上购买直接与单片机相连的wifi控制模块作为wifi小车的通信模块。
使用近几年出现的开源硬件arduino单片机作为wifi小车的底层控制芯片,缺点是要求单片机性能较高、成本高,需要编写大量的驱动程序,设计复杂,优点无线设备与单片机联系紧密且之间通信较好。
2.通过上述方案的比较以与我们对于成本制作性的考虑设计出方案四,下面为方案四的选件理由
方案四:
我们选择TP-LINKWR703N无线路由器,特点是功耗小性能比较强大,相关资料齐全,不需要编写大量的驱动程序;
wifi小车的控制芯片我们选择ArduinoUno单片机,特点是:
Arduino系列的单片机为开源硬件,相关硬件软件资源齐全,单片机烧写容易,无需其他的编码器下载器等,而且ArduinoIDE中工具可以通过图形界面进行编程。
2.4总体设计方案
Wifi智能小车包含的模块有:
wifi模块、电机驱动模块、单片机控制模块、摄像头模块、超声波测距模块、光电测速模块、舵机模块等构成。
2.4.1整体系统
系统整体设计方案如下图2-1
项目系统包括路由器、ArduinoUno单片机、电机驱动电路、电机、电平转换电路、光感测速电路、舵机电路、电源电路、摄像头、摄像头灯光电路,超声波感应电路等。
路由器用于接收PC或手机等终端设备发来的指令和将采集到的视频信号传送到pc或手机登终端设备;
ArduinoUnoR3单片机是整个小车的控制核心,控制着各个模块统一协调工作;
电机驱动电路用于驱动电机转动,可以使电机产生正转、反转,从而使车体产生前进、后退、转弯等动作;
电机的作用就是使整个车体运动;
电平转换电路是将路由器输出的3.3V串口电平转换为单片机能判断的高低电平;
电源电路作用是为整个小车系统供电;
摄像头用于采集视频信号;
摄像头灯光电路通过单片机控制调节灯光亮度方便为小车在夜间行驶提供照明;
超声波感应电路用于防止小车行驶速度过快撞到前方物体以与测量前方障碍物距离;
光感测速电路用于测量小车左右轮胎的差速,防止小车不能正确向前行驶;
舵机电路用于控制摄像头的旋转方向。
2.4.2整体工作原理
指令传送,由pc等终端,通过WIFI无线网络连接到路由器,再通过web网页向路由器发送控制命令与数据。
路由器接收到数据后通过内部的串口发送软件,将接收到的命令和数据通过路由器串口发送到ArduinoUno单片机的串口端,单片机接收到这些命令后执行相应的指令,如:
驱动小车运动、调节照明灯光电路、调节小车行驶等。
信息采集,通过测速模块测量行驶速度,超声波感应测量前方距离、舵机等获取到数据传输给单片机,再由单片机通过串口发送给路由器,再由路由器将这些数据与视频信息,发送到pc或手机终端,并在其应用软件中显示摄像头采集到的视频信号和行驶速度等信息。
第3章硬件介
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- 基于 Arduino 单片机 控制 WiFi 智能 小车