智 能 小 车 设 计
实 验 指 导
王 恒 编
2011年4月
书
目
录
目
录 .....................................................................................................I 实验阶段一
智能小车路径规划 .......................................................1 实验阶段二
智能小车环境感知与控制 ...........................................6 实验阶段三
智能小车行为控制 .....................................................12 附录: 库函数 ......................................................................................17
I 实验阶段一
智能小车路径规划
一．实验目的
1．熟悉智能小车的硬件开发平台与软件开发环境。 2．掌握智能小车路径规划程序设计。
二．实验内容
1．熟悉智能小车硬件设计。
2.学习智能小车的软件使用方法，学会软件的编写、调试与下载。 3.编写第一个智能小车程序。 4.编写智能小车移动程序。
5.编写复杂的智能小车路径规划程序。
三、实验设备及工具
硬件：能力风暴AS-UII开发平台，程序下载线。
软件：PC 机操作系统Win2000 或WinXP、VJC开发平台。
四、实验原理与步骤
智能小车实验平台配备有5种传感器，对环境的感知能力很强。执行器配备有二只高性能直流电机、一只喇叭和一只2*16 字符的液晶显示器。整个小车通过Motorola 公司8位单片机来进行控制。智能小车的硬件结构如下图所示：
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2、让智能小车动起来
下面我们就尝试着让智能小车动起来。
在VJC1.5 开发版执行器模块库中有一专门控制智能小车“移动”的模块，这里我们就用
它来编写一个智能小车直线行走的程序。要求：先让智能小车以速度100 前进3 秒，再让智能小车 以速度-60 后退5 秒，再在原地以功率80 旋转1 秒。（如图4-2 所示）
示范操作步骤如下：
2.1 在 VJC1.5 开发版窗口中编写流程图
a) 编写流程图：用鼠标将“执行器模块库”中的“移动”模块移到流程图生成区并与 主程序模块连接上；
b) 设置时，右击“移动”流程图模块，在弹出框中输入移动速度为 100、时间为3； c) 再用鼠标将“执行器模块库”中的“移动”模块移到流程图生成区并连接； d) 在流程图的末端位置；
e) 设置第二个“移动”流程图模块，点击右键在弹出框中输入移动速度为-60、时间 为5；
f) 再将“执行器模块库”中的“转向”模块连接到程序中，点击右键进入设置对话框， 分别设置速率和时间为：80 和1
g) 再将“程序模块库”中的“任务结束”移入到流程图生成区并连接在程序的末尾。
- 3drive(0,60); wait(0.2); } stop(); } 能力风暴逆时针走约一米见方的正方形路径。其中wait(0.2)是能力风暴转90度弯所需要的 时间。该值和转弯速度以及能力风暴的电机有关，需要实际调整，此外地面的摩擦力也有影 响。利用wait()函数是控制电机工作的常用方法。
五、实验考核
编写智能小车程序，实现下列连续的路径规划： （1） 智能小车走两遍1.5米直径的圆；
（2） 原地停止1秒后，智能小车走三遍等边三角形（或等腰直角三角形）；
（3） 再次原地停止1秒后，智能小车走一遍8字形。（或9字形、D字母型、B字母型等，每组的考核指标由指导老师随机抽选）。
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我们也可以点击“工具栏”中的“编辑JC 程序代码”按钮，切换到JC 代码界面，对 JC 代码进行修改。
1.2 保存程序
点击工具栏中的“保存”按钮，文件名输入：感光，按“确定”。此时，“感光.flw” 流程图程序文件已被保存。
1.3 程序下载
此时，能力风暴要处于开机状态，并串口连接线已与计算机连接。点击“工具”中的“下 载当前程序”按钮，就会出现下载对话框，等待出现“下载成功！”字样，说明程序已经下 载到能力风暴里了。
1.4 运行程序
将串口连接线取下，将智能小车带到安全的地方，按智能小车身上的“运行”键，在智能小车 的LCD 上就会显示出外界光线的平均值。
2、JC 程序的基本程序结构
下面是JC 程序中最常见的一种程序模式。
while(1) /*循环检测*/ { ir=ir_detector(); /*对环境采样*/ if(ir>0) /*条件判断*/ { 语句1; /*做相应的处理*/ 语句2; } else {
- 7试窗口一行编辑框中输入如下程序块：
{while(1) {printf(\"bump=%d\\n\",bumper());wait(0.1);}} 按回车，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上显示： bump=0 （表示此时没有碰撞）
按左前碰撞环，LCD 上显示：bump=5。在其他方向施加碰撞，显示的值将不同。各个方 向发生碰撞时返回值对应关系如下：
无0,左前1，右前2，左后4，右后8
下面结合智能小车“台球”程序来学习碰撞传感器的使用。
void main () { int bill_trans=0; int bill_rot=0; int bmpr=0; while(1) /*无限循环检测*/ { bmpr=bumper(); /*检测碰撞传感器*/ if(bmpr!=0) { if(bmpr==0b0011) /*正前方发生碰撞*/ { bill_trans=-80; /*后退*/ bill_rot=0; } else if(bmpr==0b1100) /*正后方发生碰撞*/ { bill_trans=80; /*前进*/ bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b0101) /*左侧发生碰撞*/ { 51 bill_trans=0; bill_rot=-80; drive(bill_trans,bill_rot); wait(0.5); /*顺时针转一个角度*/ bill_trans=80; /*前进*/ bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b1010) /*右侧发生碰撞*/ { bill_trans=0; bill_rot=80; drive(bill_trans,bill_rot); wait(0.5); /*逆时针转一个角度*/ bill_trans=80; /*前进*/
- 9void main() { int ir; while(1) { ir=ir_detector(); if(ir!=0) /*判断有否障碍*/ { motor(-80,-40); /*执行语句，即倒退0.5秒*/ wait(0.5); } 26 motor(100,0); /*前进*/ } } 运行此程序可知当前方有障碍时，能力风暴智能智能小车有反应。
五、实验考核
编写智能小车跟随前方物体的程序，实现下列要求：
智能小车可以跟随前方移动的人或物；如果撞上前方的物体，就停一停；如果前方红外系统探测范围内没有物体，它就停下来。
六、思考题
1、实验中碰到哪些故障或问题？解决方法是怎样的？将实验中碰到的问题及解决方法写入实验报告中。
2、如果要对智能小车双轮的转速实现带反馈的控制，需要在硬件上添加什么部件？为什么？
- 11bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b0101) /*左侧发生碰撞*/ { bill_trans=0; bill_rot=-80; wait(0.5); /*顺时针转一个角度*/ bill_trans=80; /*前进*/ bill_rot=0; } else if(bmpr & 0b1010) /*右侧发生碰撞*/ { bill_trans=0; bill_rot=80; wait(0.5); /*逆时针转一个角度*/ bill_trans=80; /*前进*/ bill_rot=0; } } } 54 } void billiards_drive() { while(1) drive(bill_trans,bill_rot); /*驱动电机*/ } void main() { start_proce(billiards_drive()); /*创建电机驱动进程*/ start_proce(billiards()); /*创建碰撞处理进程*/ } “台球”改成多进程后，运行的效果没变，但结构已经完全不一样了。电机驱动进程 billiards_drive()专门设置电机速度，碰撞处理进程billiards()判断碰撞并改变电机速 度。两个进程之间通过全局变量bill_trans 和bill_rot 进行通讯。能力风暴的操作系统自 动调度两个进程，给它们分配时间片。从执行效果来讲，就相当于这两个进程并列运行。这 样的结构非常方便增加新的进程，同时处理更多的外部信息。
2、进程间通信
我们给前面的程序增加一个红外避障进程，改变它的行为，而其它部分不需要做大的变动。改动后的程序如下。
int bill_trans=0; int bill_rot=0; int bmpr=0; int forward=0;
- 13{ bill_trans=20; bill_rot=80; /*逆时针转*/ } else if(ir==1) /*左侧有障碍，向右绕*/ { bill_trans=20; bill_rot=-80; /*顺时针转*/ } else if(ir==0) /*前方没有障碍，恢复直行*/ { bill_trans=80; bill_rot=0; }} wait(0.1); }} 56 } void billiards_drive() { while(1) { running = bill_trans; /*能力风暴正在运动*/ drive(bill_trans,bill_rot); /*驱动电机*/ } } void main() { start_proce(billiards_drive()); /*创建电机驱动进程*/ start_proce(billiards_ir()); /*创建避障进程*/ start_proce(billiards()); /*创建碰撞处理进程*/ } 改动以后的程序增加了避开侧面障碍物的行为。比较一下，增加的代码除了红外避障进 程外，就是用于进程之间的通讯。进程间的通讯和同步是多进程编程的难点，不解决好这个 问题，多进程程序可能会产生一些奇怪的行为。在这个程序里，由于碰撞处理进程和红外避 障进程都要修改设置电机速度的两个全局变量（bill_trans,bill_rot），这是进程间发生冲 突的根源。如果不加以限制，两个进程同时修改电机速度，必然会出现一片混乱，能力风暴 下一步的运动方向将无法预知。
本程序中把bmpr 改为全局变量，通过bmpr 来划分两个进程生效的时间。即发生碰撞时， 只有碰撞处理进程可以修改电机速度；在其他时间里碰撞处理进程只是在不断检测碰撞传感 器，只有红外避障进程才有可能修改电机速度。我们可以看到，在本程序里碰撞处理进程的 优先级高于红外避障进程。增加的另两个全局变量是出于红外避障行为逻辑的需要。全局变 量running 是能力风暴开始运动的标志，红外避障进程要等待这一事件发生后才能起作用。 forward 反映能力风暴当前运动方向，用于避免红外避障进程在后退时候处理前方障碍。
3、智能小车的行为控制
借助于多进程功能，可以方便实施目前处于研究前沿的行为控制方法。
行为控制的基本思想是建构行为能力，而非功能模块。首先把要设计机器人的行为特点描述下来，表达成基本的行为构成，如要做一只模拟机器飞蛾的智能小车，一边到处找食物，一边向较
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附录: 库函数
1.执行器输出
void stop() 关闭左右两个电机，停止运动；
void stop_motor(int m) 关闭电机m，0为所有电机，1为左电机, 2为右电机, 3为扩展电机； void motor(int m, int speed) 以功率级别speed(-100到100)启动电机m(1为左电机, 2为右电机, 3 为扩展电机)；
void drive(int move, int turn) 同时设定两个电机的速度，move 为平移速度，turn 为旋转速度。
2.传感器输入
int photo() 光敏传感器检测。photo(1)为检测左光敏, photo(2)为检测右光敏，返回值为0～ 255的数字量；
int microphone() 声音传感器检测。返回值为0～255的数字量；
int ir_detector() 红外传感器检测。返回值的意义：0=> 没有障碍, 1=>左边有障碍, 2=>右边有 障碍, 4=>前方有障碍；
int bumper() 碰撞传感器检测。返回值的意义：0=>无碰撞，1=>左前受碰，2=>右前受碰，4=> 左后受碰，8=>右后受碰。
int rotation(int index) 光电编码器脉冲累计读数，rotation(1)为检测左光电编码器，rotation(2)为 检测右光电编码器。
int digitalport(int channel)读数字口上传感器的值。channel的范围是0~7。返回值：从传感器数字硬 件读到的值为零伏或逻辑零时，返回1；否则返回0 int analogport(int channel) 读模拟口上传感器的值。channel的范围是0~7。返回值是0到255间的整数 值
int encoder(int index) 读取光电编码器的当前状态。0为低电平/1为高电平（分别对应光栅的通光缺口 /遮光齿）。
3.时间
void wait(float sec) 延时等于或稍大于指定的sec时间(秒)后再执行后面的语句。sec是一个浮点数 void resettime() 将系统时间复位清零
float seconds() 以秒的形式返回系统时间，它是一个浮点数，精度为0.001秒
4.声音
void beep() 产生一段0.3秒500赫兹的音频信号。发声结束后返回。
void tone(float frequency, float length) 产生一个length秒长音调为frequency赫兹的音频信号。
5.电池
int battery() 检测电池电量，返回值为0～255的数字量；
116 6.其他函数
void asosreset() 软件复位函数。与按下能力风暴的复位开关的效果一样，ASOS操作系统重启动， 程序停止运行。
int runbutton() 读运行键状态。运行键在能力风暴智能智能小车的头顶上，可以在程序中使用该 按钮。返回值：0没按，1按下 int abs(int val) 取整数val的绝对值 int max(int x, int y) 求两个整数的最大值 int min(int a, int b) 求两个整数的最小值 float rand() 返回0~1之间的随机浮点数
int random(int scale) 返回0~scale之间的随机整数
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