集成智能小车（二...2）整体设计之谋

说明：

1）此章节将讲述下我对各个环节的考虑，详细的选型和资源分配会在《二.3》节展开，软硬件设计会在设计部分讲。如果对智能小车熟悉的同学可以一带而过，看《二.3》最终选型和资源分配。

2）因为是写博客，不是设计文档，所以语言不会那么严谨，有些地方我会直接把结果放在功能需求里，希望大家理解

既然确定了要做一款自己的智能小车，那么问题来了：

Q1：车子要做多大尺寸

Q2：需要实现哪些功能

Q3：成本控制在多少预算

Q4：计划多久完成

Q5：哪些功能板载、哪些功能外扩

Q6：上位机和终端APP具备哪些功能

Q7：是否要接入到scratch

确认小车尺寸

最初想法是准备在小车上直接盖个PC材质的车模盖子，这样外壳也有了，在某宝上搜了一圈，最后选定了一款恺司玛[1]的外壳。

买回来卡尺量一下，画个CAD图纸，打印出来实际对比下，顺便拿实际车轮试验下效果，最终确定的板子尺寸为292*114mm，轴间距为185mm，用直径60mm的车轮，考虑成本，优先考虑TT-130电机。

小车功能规划

避障功能

智能小车的基本功能之一。但是需要部署几路传感器，传感器的位置如何放置，传感器的值如何获取呢？综合了现有成熟传感器部件COTS(Commercial Off-The-Shelf)的用法，决定在车头和车尾各放3路红外，组成左-中-右的检测网络，传感器数据采集用直接ADC采样的方式，既可以省器件，减少占用PCB面积，在外部光线干扰的情况下，可以通过ADC采样值设置检测门限。

循迹功能

智能小车的基本功能之一。通常的做法是放置左-中-右三路循迹红外，后来又有了左-中-中-右四路红外方式，我没有试过4路是否更好，但考虑到循迹难处理的是转弯时的减速和脱离轨迹的判断，在车身中部预留了红外循迹，这样就能构成了左-中-右-中后的循迹检测网络。传感器数据采集也用直接ADC采样的方式。

测距功能

智能小车的基本功能之一。常用的做法是超声波测距（HC-SR04）、红外测距（GP2Y0A21YK0F）或者激光测距(VL53L0X)，成本最低的是超声波测距，一路HC-SR04价格约4元钱；GP2Y0A21YK0F价格约30元，VL53L0X价格约15元。

型号	工作电压	检测范围	数据接口	价格(￥）
HC-SR04	5V	2cm~45cm	GPIO	4.00
GP2Y0A21YK0F	5V	10cm~80cm	模拟电压输出	30.00
VL53L0X	3.3V/5V	200cm	I2C	15.00

这些模块集成了专用IC，适合直接使用商用成品模块。

实测HC-SR04距离可以到800mm，所以我一开始是把超声波安装位置放在车身中间，这样，我买的车壳就比较容易安装，后来发现实际操作比较困难，而且舵机安装在后面，因为舵机出线原因，导致有安装问题，后来我又移到车头部位了。

舵机功能

智能小车的基本功能之一。舵机功能考虑如下，超声波测距需要左右转动，就需要一路舵机；如果配置摄像头，需要2轴转动，这样2路舵机就属于标配；

舵机有2种备选：SG90/MG90s和S3003，因为小车不用转向舵机，不需要很大的扭矩，通过测试，我发现MG90s(180度转向）够用了。

电机驱动功能

智能小车的基本功能之一。电驱配置有三种典型方案（不考虑平衡车2路方式）

方案1：4轮结构：独立四驱

方案2：3轮结构：独立前置2驱 + 后轮万向轮

方案3：4轮结构：独立后置2驱 + 前轮转向轮（2轮）

方案2与选的车壳整体外观不符，直接筛掉

方案3尽管能节约2路电机，但是我规划电机是直接安装在PCB板上，这个方案需要再做个抓向用的支架，在安装上比方案1更复杂，也筛掉了。

最终选定的是方案1，方案1还可以做冗余设计，就是可以把TT-130电机的内部电机和减速齿轮挖掉，直接挂从动轮就变成2驱车了：）

编码器测速功能

智能小车的基本功能之一。在我的规划里，小车不需要准确的转速和行驶路程，本来不想加的，但是作为基本功能，还是保留了前驱的2路码盘测速功能

方位计功能

可选功能。因为对MPU6050稍微熟悉一点，方位计首选的MPU6050，通过DMP的姿态计算，MPU6050能够提供必要的yaw值，可以用来小车行驶纠偏，也可以用来计算车速（实际这一块没搞定，四元素没吃透，直接积分出来的速度和距离值偏差很大，无法直接使用）。

本地状态显示功能

可选功能。通过本地显示可以直接展示小车必要的状态信息如电量、模式等信息。我主要评估了1602液晶和OLED屏，后者尽管贵一点，但是占地面积小，可以与MPU6050共用I2C总线

通信功能

智能小车的基本功能之一。在通信方案上有多种方案：有线通信：TTL/RS232/RS485/CAN，无线通信：Bluetooth/NRF24L01/WIFI。有线在初期调试和作为后期操作维护（OM）时常用，无线的优势也很明显。一般的小车方案都会用有线加无线的方案，但是我自己没怎么玩蓝牙和NRF24L01，对WIFI和TCPIP协议更熟悉，所以我优选的自己熟悉的方案，wifi模块选择的是ESP82266中的ESP-07模块。蓝牙和NRF24L01预留接口需要用到时再说。

多说几句ESP-07这个WIFI模块，当初选这个模块时是有些担忧的，它对发送帧间隔是有固定要求的，手册是20ms。个人实测最快收包和发包间隔要大于130ms，否则就会丢包。看网友讲这个可以通过修改固件可以优化，我就用了此模块作为我的通信方案。其实到现在我都没去动这个模块的固件，通过软件收发协议和策略来优化通信链路。

蓝牙模块和NRF24L01通过接口外扩。

车身指示功能

智能小车的基本功能之一。除了必要的行驶指示灯外，小车必须有固定的灯光颜色或者闪烁来指示小车当前状态。增加了RGB全色灯，作为车身指示灯，这样就预留了一个功能通过颜色识别小车的功能。

碰撞检测功能

可选功能。因为有红外避障和超声波避障，这个功能显得不是很重要，没有考虑在板上直接部署。如果需要，用现有成熟模块如KY301扩展，是否板上部署，还要看最终的MCU资源是否够用。

颜色识别功能

可选功能。网上看到过国外发布的用颜色识别做循迹的小车，不同颜色组合代表不同指令，蛮有意思的，但是已经超出我设想的功能范围了。所以颜色识别我没考虑，如果要用智能通过商用成品接线或者单独做个小板子扣上去用了。

光强检测功能

可选功能。光强检测最简单的方法就是使用光敏电阻，高级点方案用光强传感器如KY031。这个功能我原来的设想是用来判断是白天还是晚上的，但是后来发现，家里灯光开亮点跟大白天传感器反馈结果差别不大，想想真要这么用的话，软件增加一项设置，把红外传感器的设定门限跟该项值联动就行了，所以板子上我就留了一路光敏，作为备用。

语音控制功能

可选功能。设想的基本功能是通过语音可以控制小车，再高级点语音功能我觉得超出小车功能范围了。实现方案有2种备选，一种通过APP语音识别后，将命令通过WIFI下发到小车执行；另一种方案直接用离线语音识别模块，通过该模块接口接收语音指令。其实还有一种是直接用MCU的I2S接口，我觉得这样做会加大我的投入时间，能用现成的就用现成了，也不是一定需要这个功能。

视频功能

可选功能。这个功能的想法来源是看过国外一个玩家发的视频，他把高清摄像头安装在车上，然后把回传的视频通过投影仪投放在墙面，用方向盘操控小车行驶，感觉跟第一视角的VR现场一样，挺震撼的。这个功能曾让我在MCU选型上犹豫过，是否直接用ESP32 CAMERA套件来做。简单分析了下，这个套件的图像分辨率和帧数有可能达不到预期，干脆也做成用成熟商用部件扩展，直接用wifi直连做数据回传，图像不经过小车，这样可以节省大部分的MCU处理开销，MCU也能选择更便宜点的。其实，我在小车做好后，用家里的高清摄像头装载车上，然后投屏到电视上，发现抖帧很厉害。有网友说这是网络原因或者摄像头原因，用FPV摄像头就没有这个问题，我同意您的看法。

定位功能

可选功能。这个功能我觉得对小车来说是鸡肋，玩小车时会用终端控制，如果需要位置信息，可以直接终端的位置信息就可以，如果需要用GPS位置信息做巡航，通过成熟单工模块外扩即可。

供电功能

必备功能。从使用简单的角度，我觉得用可充电电池直接板载安装，通过USB口充电这种方式更简单易用。选用18650电池，是因为到某宝一搜“电池支架”，基本都是18650电池的支架，对电池容量简单估算下，假如2节2400mA容量18650的电池，无论串联使用或者并联使用，总容量约为4800mA，能量消耗主要在电机，TT130/N20/370电机工作电流和堵转电流差别很大，而且电池合理使用也有讲究的，4800mA毛估估可以玩1个小时左右。

高级扩展功能

在我的规划中，如果智能小车只具备上述功能是不够的。小车能否像无人机编组那样实现编队行驶（我记得UBTECH可以让几百个机器人同步跳舞），能否像智能驾驶那样在行驶过程中插队或者离队。。。。。。

另外，如果在小车上长个机械臂，舵机数量是否需要预留或者复用？

等等，还有哪些不一样的地方呢？

预算与成本控制

我计划把每辆小车成本控制在200元以内

时间计划

阶段	计划投入	投入说明
方案	7天
原理图/PCB	7天
加工	4天
基本功能调测	7天	硬件、通信和传感器基本功能
上位机	7天
APP	7天	上位机调完后开始
功能完善	14天	增加业务功能
调优	14天	做必要的实时性优化

大致一估摸，把基础部分做好大概都要个把月，平时还要赚奶粉钱。计划时间也就是大概吧

功能板载和外扩功能

需要根据MCU资源才能最终确定，需求规划直接购买商用部件的有超声波、舵机、声控、摄像头等，在设计时要考虑PIN-TO-PIN直插，并且留够安装孔。

上位机和终端APP功能

这个有点多。先不讲

是否要接入到scratch

一开始没准备折腾，后来小孩子提了这个问题，我就弄了下，现在只打通了scratch->node 代理->tcpserver -> 小车的单向通道，还没有真正实现。没太大动力：）

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