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基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究
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基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究 ......
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摘 要
智能小车运动过程中会遇到各种障碍物,这势必会对行驶安全造成影响,若能够提
早发现,并能够准确获得智能小车与障碍物间的距离,对智能小车的安全行驶以及搬运
货物会提供很大帮助,因此本文设计开发了一套基于 Arduino 测距的智能小车安全行驶
系统。经过对比发现 Arduino 和 Android 平台具有极强的耦合性,且符合市场流行趋势,
提出了在 Arduino 和 Android 两大开源平台进行设计开发,提供自动控制和智能手机指
令手动控制两种工作方式,利用超声波和红外线两种测距平台实现智能小车行进和倒车
过程中的实时测距,采用蓝牙 4.0 技术来完成无线通信的总体方案,然后从整体对软硬
件进行了设计,包括功能、选材、布线等。最后分别使用 Java 和 Arduino 语言实现了手
机通信软件和 Arduino 网关软件的开发,系统实现后,进行了详细的测试。鉴于以上,
论文做了以下工作:
首先,对 Duemilanove、Nano、Leonardo、Mini 和 Uno 等系列 Arduino 控制板的特
点、参数、改进等做了详细的阐述,决定采用最新的 Arduino Uno R3 控制板并与
ARDUINO XBEE V5.0 传感器扩展板结合成为硬件开发主控板。硬件电路分为 4 大模块:
执行模块、测距模块、报警模块和显示模块,辅以安全行驶算法策略,并使用 Arduino
语言实现详细设计。然后在蓝牙通信助手软件的基础上使用 Java 语言开发手机通信软件,
主要完成蓝牙设备搜索和配对、建立通信链路和智能小车控制指令设置等功能。最后由
蓝牙技术完成 Arduino 硬件和 Android 软件间的无线通信。
经过测试,本系统性能稳定、硬件电路响应快、操作简便,实现了智能小车的安全
行驶控制。蓝牙技术和 WiFi 技术逐渐融合的发展趋势,为本系统功能的优化奠定了基
础,有助于逐步实现汽车的安全行驶。
关键词:Arduino,Android,蓝牙,智能小车,测距,安全行驶
iv
目 录
第一章 绪论 .................................................................................................................................................. 1
1.1 开发背景、目的及意义 .................................................................................................................. 1
1.2 国内外研究 ..................................................................................................................................... 3
1.2.1 智能小车测距安全行驶系统主要技术 ............................................................................... 3
1.2.2 超声波测距安全系统研究 .................................................................................................... 8
1.2.3 红外线测距安全系统研究 ................................................................................................. 10
1.3 研究内容和流程介绍 .................................................................................................................... 10
1.4 本章小结 ........................................................................................................................................11
第二章 开发平台及技术简介 ..................................................................................................................... 12
2.1 Arduino 平台 .................................................................................................................................. 12
2.1.1 Arduino 简介 ....................................................................................................................... 12
2.1.2 Arduino 开发环境搭建........................................................................................................ 18
2.2 Android 平台 .................................................................................................................................. 19
2.2.1 Android 简介 ....................................................................................................................... 19
2.2.2 Android 蓝牙技术 ............................................................................................................... 19
2.3 Serial Port Profile ............................................................................................................................ 20
2.4 本章小结 ....................................................................................................................................... 21
第三章 系统总体设计................................................................................................................................. 22
3.1 无线智能网络设计 ........................................................................................................................ 22
3.1.1 无线智能网络组成 ............................................................................................................. 22
3.1.2 智能小车测距安全行驶功能设计 ..................................................................................... 23
3.1.3 工作模式的设计 ................................................................................................................. 23
3.2 无线智能网关工作原理 ................................................................................................................ 25
3.3 系统无线智能网络硬件设计 ........................................................................................................ 27
3.4 智能小车测距安全行驶系统硬件 ................................................................................................ 30
3.5 硬件线路连接................................................................................................................................ 31
3.6 本章小结 ....................................................................................................................................... 33
v
第四章 Arduino 与 PC 机通信 ................................................................................................................ 34
4.1 Arduino 连接 PC 机 ..................................................................................................................... 34
4.2 执行模块的实现............................................................................................................................ 36
4.3 测距模块的实现............................................................................................................................ 39
4.3.1 舵机模块的实现 ................................................................................................................. 39
4.3.2 超声波测距的实现 ............................................................................................................. 42
4.3.3 红外线测距的实现 ............................................................................................................. 45
4.4 显示模块的实现............................................................................................................................ 51
4.5 报警模块实现................................................................................................................................ 52
4.5.1 LED 指示灯 ......................................................................................................................... 52
4.5.2 蜂鸣器................................................................................................................................. 54
4.5.3 报警实现............................................................................................................................. 54
4.6 智能小车安全行驶的设计与实现 ................................................................................................ 55
4.6.1 智能小车安全行驶的算法策略及其实现 ......................................................................... 55
4.6.2 智能小车安全行驶系统的实现 ......................................................................................... 57
4.7 本章小结 ....................................................................................................................................... 61
第五章 Android 智能手机通信软件的开发 .............................................................................................. 62
5.1 手机蓝牙通信软件 ........................................................................................................................ 62
5.2 通信连接模块实现 ........................................................................................................................ 62
5.3 手机蓝牙通信软件 ........................................................................................................................ 65
5.4 应用程序签名和发布 .................................................................................................................... 67
5.5 本章小结 ....................................................................................................................................... 67
第六章 总结与展望 .................................................................................................................................... 68
6.1 总结 ............................................................................................................................................... 68
6.2 展望 ............................................................................................................................................... 69
参考文献 ...................................................................................................................................................... 70
致谢 .............................................................................................................................................................. 73
长安大学硕士学位论文
1
第一章 绪论
1.1 开发背景、目的及意义
随着现代社会经济的迅猛发展,汽车逐渐进入千家万户,伴随着汽车总量逐年大幅
上升,交通拥堵状况也日趋突出,撞车事件频频发生,造成了不可估量的经济损失和无
法避免的人身伤亡。据不完全统计,每年全球平均约有 120万人丧生于汽车交通事故中,
受伤人数高达 5000 万人
[1]
。在低收入国家汽车交通事故带来的直接经济损失约占到国民
生产总值(GNP)的 1%,在中等收入国家约占到 GNP 的 1.5%,而在高收入国家约占
到 GNP 的 2%。全球每年因汽车交通事故造成的经济损失约为 5180 亿美元,这其中低
收入和中等收入国家每年的损失就高达 650 亿美元
[2]
。以 2002 年为例,我国共发生约
77 万起与汽车相关的交通事故,其中死亡人数达到 109381 人,平均每天约有 300 人在
交通事故中死去。除此之外,仅 2002 年全国汽车交通事故就造成共 56.2 万人受伤,初
步估计直接经济损失约 33.2 亿元
[3]
。权威人士声称,在 2000 至 2020 年期间,高收入
国家死于汽车交通事故人数将下降大约 30%,相反低收入和中等收入国家将会大幅上
升。若再不采取合理举措,到 2020 年汽车交通事故伤害将跃升到引发全球疾病与伤害
的因素中的第 3 位
[1]
。
鉴于以上情况,世界各国政府都主动将解决汽车交通事故伤害问题作为各项工作的
的重中之重,许多国家和地区为此还制订了相应的政策和分解目标
[4,5]
。这些目标政策的
提出,助推了汽车安全技术的发展,但也对汽车安全性能提出了更严格的要求。汽车安
全技术由主动安全技术和被动安全技术构成
[6-8]
。
其中,智能安全辅助系统是世界各国研究汽车安全技术的重点对象。目前,国外已
经设计完成并开发成功的智能安全辅助系统有以下五种。
1.Eye Car 技术:2003 年沃尔沃公司推出的 Eye Car 概念车能够智能地将不同身形
驾驶员的眼睛调整到同一高度来帮助解决视见度的问题。首先使用眼位传感器来获取驾
驶员眼睛的位置,然后据此电机将座椅自动升降到最佳高度位置上,从而为驾驶员提供
最佳视线来掌握路面情况;并且电机会智能地调整方向盘、中央控制台、踏板甚至车内
地板高度,来实现最为舒适的驾驶位置;最后,重新设计了 B 立柱,将它移出驾驶员的
视线;这些结构上的改进有助于转移驾驶员受到的碰撞力,进而提高了汽车的碰撞安全
水平
[10]
。
第一章 绪论
2
2.CamCar 技术:2008 年福特公司研制的 CamCar 概念车采用微型摄像机和计算
机处理探测得到的路面情况,它包括三个视频显示屏:一个中心主显示屏和两个附加的
侧面显示屏。显示的图象会根据实时情况而变换,从而为驾驶员提供最实用的信息
[11]
。
汽车两侧装有两个铅笔大小的前向摄像机,能够开阔绕过障碍物的前方视野;通过精确
设计并安装在车后的 4 个微型摄像机来加强后向视野;倒车视野是由 NightEye(夜眼)摄
像机提供,一旦司机接通,中心主显示屏自动切换成由夜眼低照度摄像机显示,即使在
光线极暗的环境下它也能提供靠近车身后方区域的细致图像,从而保证倒车安全。
3.SensorCar 技术:马自达 SensorCar 概念车采用碰撞预警技术来防止碰撞行人和
追尾事故的发生。利用装在前脸格栅上的激光雷达装置来实时监测车前行人的举动,一
旦行人走入汽车行驶路线,仪表板上的警示灯会自动点亮,同时扬声器发声,警示驾驶
员小心驾驶。通过后保险杠中的传感器监测车后部的车流状况,在即将发生追尾时,预
警系统会启动电动安全带预紧器,自动拉紧安全带,仪表板上的警示图标亮起,后扬声
器报警,从而起到很好的保护和预警效果
[11]
。
4.预防驾驶疲劳:奔驰公司在 2009 年推出了一款预防驾驶疲劳汽车,它通过在方
向盘内部安装传感器,来感应司机对行驶方向纠正的速率和频度。若感应到司机对方向
的操控变的迟钝或突兀,且已经连续行驶超过 2 个小时,仪表盘中央的显示屏上会显示
一个小咖啡杯的图标,来提醒司机需要休息了,并且在停车熄火后这个图标才会消失
[12-15]
,在一定程度上预防了驾驶疲劳。
5. 防碰撞安全系统: 2015 年 1 月 6 日沃尔沃公司推出了一款配备全新的自行车防
碰撞预警系统的新车。配备的碰撞预警系统是一套双向通讯系统,它利用自行车骑行者
头盔上的智能模块与智能手机通信,通过智能手机上安装的相应 App 软件将骑行者的位
置信息发送到云端处理器,此时安装有这套预警系统的众多沃尔沃汽车将会共享这些数
据。若系统检测发现车与骑行者的距离太小或即将发生碰撞,司机和骑行者会及时接收
到碰撞预警提示,即便骑行者处在汽车的盲区范围内,这套系统效果也不错,可以有效
地减少汽车和骑行者之间的伤亡事故。
智能驾驶安全辅助控制技术融合了现代电子信息技术和传感技术,大大扩展了司机
的感知范围。首先将感知技术获得的外界信息(如车距、与障碍物的距离)传递给司机;
然后根据路况和车况的综合信息来辨别是否存在安全隐患;并在危急情况下,自动采取
有效措施来控制汽车,确保汽车能有效避开危险,且在事故发生瞬间有辅助装置来保护
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