一种基于网格自主循迹的智能车系统及其自主循迹方法

技术领域

本发明属于基于网格自主循迹、避障领域，具体涉及一种基于网格自主循迹的智能车系 统及其自主循迹方法。

背景技术

智能车是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实 现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。它在军事、民用和科学研究等 方面已获得了应用，对解决道路交通安全提供了一种新的途径。随着汽车工业的迅速发展， 关于汽车的研究也就越来越受人关注。它所关联的电子设计涉及到多个学科，机械电子、传 感器技术、自动控制技术、人工智能控制、计算机与通信技术等等，是众多领域的高科技。

智能车的主要应用领域包含以下几个方面：

(1)军事侦察与环境探测。现代战争对军事侦察提出了更高的要求，世界各国智能车进 行侦查，监视敌情，情报搜集等任务。

(2)探测危险与排除险情。在战场或者工程中会遇到各种意外。这时，智能车便体现出 了巨大的优越性。战场上的排雷，工程上灭火等等。

(3)安全监测受损评估。在工程建设领域，可对高速公路自主循迹，进行道路质量检测； 对水库堤坝进行质量安全性检测。再制造领域，可用于工业管道中机械损伤的探寻等。

(4)智能家居。在家庭中，可以用智能车进行家居，远程控制家电等研究，也会成为未 来重点研究方向，并得到支持。

(5)民用领域。在居民区中，可以利用智能车进行快递及货物转移等。

世界各国在智能车领域进行了很多工作，已经应用于各个领域，在探测和军事领域方面 特别多。近年来，我国也开展了很多研究工作。全国各高校也很重视该题目的研究。例如， “飞思卡尔”智能车大赛等。然而很多研究的侧重点是基于单线循迹的。本发明则是依据智 能车在具有网格特性的地面上进行循迹行走，自助完成任务。如地砖间隔线等具有网格特性 的地面等场景。具有更加广泛的应用场景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于网格自主循迹的智能车系统及其自主循迹方 法。

本发明技术方案如下：

一种基于网格自主循迹的智能车系统，包括智能车、PC机、蓝牙模块、超声波模块、红 外传感器、摄像头和音频采集装置；

所述的PC机，用于将指定路径信息以数组形式进行保存并通过蓝牙模块传输至智能车， 同时根据智能车行驶前方的视频信息提供监控画面；

所述的智能车，用于利用三个红外传感器的路面网格循迹信息和PC机采集的指定路径 信息进行行驶，同时将智能车行驶前方的视频及音频信息通过智能车的wifi模块传输至PC 机，利用超声波模块的障碍物信息进行避障，到达指定地点；

所述的红外传感器，用于对路面网格进行循迹，将路面网格循迹信息实时传输至智能车， 红外线传感器有三个，其中，红外传感器C1和红外传感器C2竖直方向上平行安装于智能车 前端中央，用于识别网格的直线，红外传感器C3安装在智能车前端边缘处，用于识别网格 的交叉节点；

所述的蓝牙模块安装于智能车车顶部，用于实现PC机与智能车之间的通讯；

所述的摄像头安装于智能车车身前端，用于实时采集智能车行驶前方的视频信息，并传 输至智能车；

所述的音频采集装置安装在智能车顶部，用于采集智能车行驶前方的音频信息，并在智 能车返回时将音频信息传输至PC机；

所述的超声波模块安装于智能车上方，用于实时检测前方是否有障碍物，并把检测结果 传输至智能车。

所述的智能车与PC机通过蓝牙模块和智能车的wifi模块连接，三个红外传感器的输出 端分别连接智能车的输入端，超声波模块的输出端连接智能车的输入端，摄像头的输出端连 接智能车的输入端。

根据基于网格自主循迹的智能车系统进行自主循迹的方法，包括以下步骤：

步骤1：PC机将指定路径信息以数组形式进行保存并通过蓝牙模块传输至智能车；

步骤2：智能车根据PC机的路径信息开始行驶；

步骤3：三个红外传感器对路面网格进行循迹，将路面网格循迹信息实时传输至智能车； 音频采集装置和摄像头实时采集智能车行驶前方的视频和音频信息，同时将行驶前方的视频 信息通过wifi模块传输至PC机；

步骤4：智能车利用三个红外传感器的路面网格循迹信息和PC机的路径信息进行行驶；

智能车利用三个红外传感器的路面网格循迹信息和PC机的路径信息进行行驶：当路径 信息为直线行驶时，智能车通过红外传感器C1和红外传感器C2来识别路面网格，来避免智 能车偏离网格；当路径信息为到某个网格交叉节点进行拐弯时，智能车通过红外传感器C3 判断是否到达该网格交叉节点：是，则智能车向相应方向进行转弯，并且通过红外传感器C1 和红外传感器C2检测到智能车转至路面网格线上时，智能车继续行驶；当路径信息为到某 个网格交叉节点时为终点，智能车通过红外传感器C1和红外传感器C2检测到智能车到达指 定终点时，智能车到该指定终点停止，并根据PC机的指令按原路返回。

步骤5：PC机根据智能车的视频信息提供监控画面；

步骤6：超声波模块实时检测前方是否有障碍物，并把检测结果传输至智能车；

步骤7：智能车利用超声波模块的检测结果进行避障；

步骤7.1：超声波模块实时检测智能车前方是否有障碍物，是，则智能车原地停止，并等 待一段时间，否则继续行驶；

步骤7.2：再次检测智能车前方是否有障碍物，是，则该障碍物为固定障碍物，执行步骤 7.3，否则，该障碍物为移动障碍物，且已离开，执行步骤7.3；

步骤7.3：根据路径信息继续行驶。

步骤8：智能车根据红外传感器的路面网格循迹信息和PC机的路径信息，判断是否到达 路径终点，若是，则智能车按原路返回起点，将音频信息传输至PC机，否则，返回步骤2。

本发明的有益效果：

本发明一种基于网格自主循迹的智能车系统及其自主循迹方法，在循迹方面仅仅利用三 个红外传感器，就能够识别线路及交点，从而进行基于网格的循迹，大大的减少了硬件成本， 及智能车负载；本系统采用的循迹方法能够精确地识别地面网格及交点，并在行进的过程中 进行自我矫正，使得智能车在偏离轨迹后能够立刻自我修正；本系统采用超声波模块进行移 动障碍的识别，在传播时，方向性强，能量易于集中，并且能够传播做够远的距离，实现精 准的移动障碍物判断；本系统加入了蓝牙模块，能够实现设备间的无线通信，让智能车的自 主探测；本系统的智能车上安装了摄像头及音频采集装置，能够实现对目标地点相关信息的 采集，达到侦查和相关秘密操作的目的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中基于网格自主循迹的智能车系统结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中基于网格自主循迹的智能车系统连接图；

图3为本发明具体实施方式中采用基于网格自主循迹的智能车系统进行自主循迹方法的 流程图；

图4为本发明具体实施方式中智能车利用三个红外传感器进行循迹行驶示意图；

图5为本发明具体实施方式中智能车利用三个红外传感器进行循迹行驶流程图；

图6为本发明具体实施方式中超声波模块进行检测移动障碍物的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种基于网格自主循迹的智能车系统，如图1所示，包括智能车、PC机、蓝牙模块、超 声波模块、红外传感器、摄像头和音频采集装置。

本实施方式中，PC机，选用型号为Sony S15系列win8的PC机，用于将指定路径信息 以数组形式进行保存并通过蓝牙模块传输至智能车，同时根据智能车行驶前方的视频信息提 供监控画面。

本实施方式中，路径信息以数组形式进行保存，0表示开始，1表示左转90°，2表示右 转90°，3表示直走，4表示停止，在网格上完成从起点终点的指定路径的行走。智能车完 成任务后并可以根据实时传输的指令进行返程。

本实施方式中，智能车为arduino主板，18650锂电池(3.7v-4800mAh)，通过Arduino 核心控制板驱动L298P电机驱动板控制四个减速电机，用于利用三个红外传感器的路面网格 循迹信息和PC机采集的指定路径信息进行行驶，同时将智能车行驶前方的视频及音频信息 通过智能车的wifi模块传输至PC机，利用超声波模块的障碍物信息进行避障，到达指定地 点。

本实施方式中，红外传感器，用于对路面网格进行循迹，将路面网格循迹信息实时传输 至智能车，红外线传感器有三个，三个红外传感器均为品牌为Toeny、材料为金属、型号为 RE200B的光电红外传感器，其中，红外传感器C1和红外传感器C2竖直方向上平行安装于 智能车前端中央，用于识别网格的直线，红外传感器C3安装在智能车前端左侧边缘5cm处， 用于识别网格的交叉节点。

本实施方式中，蓝牙模块选用型号为arduino HC-06的蓝牙装置，用于实现PC机与智能 车之间的通讯。

本实施方式中，摄像头选用奥尼720P高清摄像头，安装于智能车车身前端，用于实时采 集智能车行驶前方的视频信息，并传输至智能车。

本实施方式中，音频采集装置选用为ISD1700语音录放模块，安装在智能车顶部，用于 采集智能车行驶前方的音频信息，并在智能车返回时将音频信息传输至PC机。

本实施方式中，超声波模块选用型号为HC-SR04的超声波传感器，超声波模块安装于智 能车上方前端5cm处，用于实时检测前方是否有障碍物，并把检测结果传输至智能车。

如图2所示，本实施方式中，智能车与PC机通过蓝牙模块和智能车的wifi模块连接， 红外传感器C1的OUT端连接智能车arduino主板P2中1引脚，红外传感器C2的OUT端连 接智能车arduino主板P2中2引脚，红外传感器C3的OUT端连接智能车arduino主板P2 中3引脚，红外传感器C1、红外传感器C2和红外传感器C3的另一个引脚连接到智能车arduino 主板的J1VCC引脚和GND引脚，超声波模块的四个接口分别对应连接到arduino主板SR04 上的GND引脚、ECHO引脚、TEIG引脚、VCC引脚，摄像头的输出端连接到wifi模块上的接 口，wifi模块引脚连接到arduino主板上的wifi引脚，蓝牙模块的输出端连接到arduino 主板上的BT引脚。

根据基于网格自主循迹的智能车系统进行自主循迹的方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：PC机将指定路径信息以数组形式进行保存并通过蓝牙模块传输至智能车。

本实施方式中，打开PC机和智能车的蓝牙模块，进行PC机与智能车的配对，PC机将 路径信息以数组形式通过蓝牙模块传输至智能车，保存至智能车内部存储器中。例如发送字 符串“01212334”。智能车将字符串处理转换成数组p[]＝{0，1，2，1，2，3，3，4}，本实施方式中规定： 0代表起始点，1代表在交点处左转，2代表交点处右转，3代表在交点处直走，4代表终点。

步骤2：智能车根据PC机的路径信息开始行驶。

步骤3：三个红外传感器对路面网格进行循迹，将路面网格循迹信息实时传输至智能车； 音频采集装置和摄像头实时采集智能车行驶前方的视频和音频信息，同时将行驶前方的视频 信息通过wifi模块传输至PC机。

步骤4：智能车利用三个红外传感器的路面网格循迹信息和PC机的路径信息进行行驶。

同时，PC机还可以根据视频图像对智能车发送信号控制智能车。

如图4所示，智能车利用三个红外传感器的路面网格循迹信息和PC机的路径信息进行 行驶：当路径信息为直线行驶时，智能车通过红外传感器C1和红外传感器C2来识别路面网 格，来避免智能车偏离网格；当路径信息为到某个网格交叉节点进行拐弯时，智能车通过红 外传感器C3判断是否到达该网格交叉节点：是，则智能车向相应方向进行转弯，并且通过 红外传感器C1和红外传感器C2检测到智能车转至路面网格线上时，智能车继续行驶；当路 径信息为到某个网格交叉节点时为终点，智能车通过红外传感器C1和红外传感器C2检测到 智能车到达指定终点时，智能车到该指定终点停止，并根据PC机的指令按原路返回。

如图5所示，本实施方式中，利用三个红外传感器进行循迹行驶的过程如下：

a：智能车开始行驶；

b：判断红外传感器C3是否检测到网格线，若是，则执行c，否者，执行d；

c：计数器加1，判断智能车接收的数组当前位是否为1，若则，则智能车左转90度，否 则，执行步骤4.7；

d：判断红外传感器C1是否检测到网格线，若是，则执行e，否则，执行f；

e：判断红外传感器C2是否检测到网格线，若是，则智能车直走，返回b，否则，智能 车左转，返回b；

f：判断红外传感器C2是否检测到网格线，若是，则智能车右转，返回b，否则，智能 车停止，返回b；

g：判断智能车接收的数组当前位是否为2，若是，则智能车右转90度，返回b，否则， 执行h；

h：判断智能车接收的数组当前位是否为3，若是，则智能车直走，返回b，否则，执行 i；

i：判断智能车接收的数组当前位是否为4，若是，则智能车到达终点，否则，异常停止。

步骤5：PC机根据智能车的视频信息提供监控画面。

步骤6：超声波模块实时检测前方是否有障碍物，并把检测结果传输至智能车。

步骤7：智能车利用超声波模块的检测结果进行避障

步骤7.1：超声波模块实时检测智能车前方是否有障碍物，是，则智能车原地停止，并等 待一段时间，否则继续行驶；

步骤7.2：再次检测智能车前方是否有障碍物，是，则该障碍物为固定障碍物，执行步骤 7.3，否则，该障碍物为移动障碍物，且已离开，执行步骤7.3；

步骤7.3：根据路径信息继续行驶。

如图6所示，在复杂的环境中，智能车能够通过超声波模块实现移动避障，由超声波模 块的发射器向某一方向连续发射超声波，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物返回，超声 波模块的接收器收到反射波后通过产生一个回应信号并反馈给智能车的单片机，超声波发射 器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障 碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。由于超声波在空气中的传播 速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，进而计算出发射点距障碍物的距离。并判断是否 为已知障碍物，如果不是已知障碍物，此时当距离在所设置的阈值范围之内，智能车停止运 动，等待移动障碍物经过，再继续前进。该检测过程为持续性。

步骤8：智能车根据红外传感器的路面网格循迹信息和PC机的路径信息，判断是否到达 路径终点，若是，则智能车按原路返回起点，将音频信息传输至PC机，否则，返回步骤2。