基于紅外避障的無碳小車的結構與程序設計

艾雅茹　高俊　賀瑞博　張超

摘要：本文主要針對無碳小車的紅外避障功能存在的單點、單面障礙物檢測的缺陷，提出并設計了一種基于雙面三維檢測的智能避障系統(tǒng)，重點解決了小車“貼墻運行”、“死角危險”的紅外傳感器避障范圍的局限性問題，并相關算法經(jīng)過測試及反復調(diào)整參數(shù)后，達到了較好的避障效果。

關鍵詞：無碳小車；紅外傳感；避障算法

Abstract：In this paper， in order to the carbonfree car of infrared obstacles avoidance function which defects of single point， single obstacle detection.proposed and designed a kind of intelligent obstacle avoidance based on twosided threedimensional detection system， the key to solve the car "wall" and "blind Angle" limitations of the scope of the infrared sensor obstacle avoidance problem， and related algorithm is tested and after repeated adjustment parameters， achieved the good effect of obstacle avoidance.

Key words：Carbonfree car；infrared sensing；obstacle avoidance algorithm

隨著當今社會的進步發(fā)展，小車的智能化已然成為一種主流趨勢，然而如今市場上主要以有軌機械跟隨為主，暫時沒有大批量生產(chǎn)自動避障的小車[1]。紅外感知，自動避障等功能，使各種車輛在無法及時避障的情況下，運用這項技術自動避開障礙物，從而提高安全度。并且這項技術發(fā)展成熟后，可應用到無人駕駛領域，使盲人也有開車的機會。避障系統(tǒng)作為本項目整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其性能的好壞對整個系統(tǒng)起著至關重要的作用。本文給出了一種基于單片機的紅外可控與無碳小車的設計，從而實現(xiàn)所需的各項功能。

一、小車避障系統(tǒng)

由于該項目小車行進的能量全部由砝碼降落，重力勢能轉換為動能產(chǎn)生。所以本研究將只考慮該小車的傳感器檢測部分及舵機轉向部分。本研究要實現(xiàn)感知障礙物，并且自動進行避障的功能，進而實現(xiàn)小車能夠自動識別路線，正確地規(guī)劃行進路線，并檢測到障礙物能夠自動躲避?；谝陨纤龅囊螅瑐鞲袡z測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只需要對障礙物有粗略感知即可進行避障，所以本研究舍棄了昂貴的CCD傳感器而考慮使用便宜且結構簡單的紅外反射式傳感器。[2]對于無碳小車的轉向部分是由舵機帶動前輪，主要控制小車的行進方向，由于小車進行了減重處理，對舵機堵轉扭矩要求較低，選用MG996R舵機帶動前輪轉向。為了使電路盡量簡潔，并且為使硬件操作簡便，選用了單片機最小系統(tǒng)351—PDIP40。

（一）主控系統(tǒng)

采用單片機作為核心部件。本研究選用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制無碳小車的轉向部分，以實現(xiàn)其既定的性能指標。在多次研究討論并充分分析本研究適用的系統(tǒng)后，其關鍵在于實現(xiàn)小車的轉向控制，就這一點上，單片機具有極大的優(yōu)勢——其控制簡單、編程方便、運行快捷[3]。就其優(yōu)勢來看，單片機能夠充分發(fā)揮其資源豐富、性能優(yōu)質(zhì)、控制能力強且可靠性高、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。

（二）機械系統(tǒng)

本研究設計的無碳小車的僅靠機械系統(tǒng)為小車提供能量，且必須為三輪運動系統(tǒng)。

驅動部分：本研究通過滑輪機構和繞線軸，將1kg砝碼下降時產(chǎn)生的重力勢能轉變成提供小車行進的動能，并利用二級齒輪傳動機構，通過多次驗算與實驗，設計出合適的傳動比，確保小車前進的速度和力矩。

電池的安裝：由于砝碼位置略靠前，本研究將電池放置設計在車體的底板偏后處，這一做法可使小車的重心降低，進而提高其穩(wěn)定性，與此同時還能夠加強驅動輪的抓地能力，減小輪子空轉所引起的誤差。

（三）傳感器系統(tǒng)

從目前看來，本研究所運用到的避障傳感器主要為超聲避障傳感器和紅外避障傳感器。

超聲避障傳感器是一種十分常見的傳感器，其測距主要采用時間差測距法，測量時其發(fā)射接收信號間的時間差T2T1，即其可以利用時間差進行計算進而獲得障礙物的距離[4]，并把該信號傳送給單片機，單片機發(fā)出控制信號進而改變小車的轉向，使小車不與障礙物發(fā)生接觸，但是其成本相對較高，并且電路設計復雜。

紅外避障傳感器利用光學反射原理，通過對發(fā)射紅外線的反射進行檢測，從而判斷前方是否存在障礙物，并且其信號強度與小車距障礙物的距離成正比，即紅外接收器將接收的信號有無或強弱作為避障的依據(jù)。其具有操作簡單、技術成熟、成本低等特點，且本研究對檢測障礙物成像要求不高，于是選擇了反射式紅外傳感器。

（四）電源電路的選擇

方案一：所有元件均采用單一電源（6節(jié)5號電池）[5]。

供電方式簡單，但電源開關閉合瞬間產(chǎn)生的瞬時電流較大，造成電路電壓不穩(wěn)定，舵機會產(chǎn)生“抖動”現(xiàn)象，嚴重時甚至會導致單片機系統(tǒng)掉電的情況。

方案二：采用多電源（舵機3節(jié)5號電池，單片機4節(jié)5號電池）。

供電方式較為復雜，且不如單一電源方便靈活，但可完全消除舵機產(chǎn)生的“抖動”現(xiàn)象，無需另外添加穩(wěn)定元件提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

二、主控制單元

（一）整體思路

經(jīng)過方案論證的過程之后，本研究選定了僅采用單片機作為核心部件的方案。其系統(tǒng)總方框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)在基于89S52單片機控制舵機轉向的智能小車基礎上對紅外避障方案和算法進行了優(yōu)化設計。在智能小車的前端共設置4個紅外避障傳感器，小車左前端、右前端、左端和右端分別安裝一個紅外避障傳感器，用來檢測4個點的障礙物[6]。它們的探測方向不再平行于小車的行車路線，而是各成一個角度同時探測，通過算法判斷4個傳感器的不同狀態(tài)組合以調(diào)節(jié)小車前輪舵機轉向角度和方位。

（二）主控部分

智能小車系統(tǒng)電路圖如圖3，由單片機最小系統(tǒng)電路和傳感器部分電路，舵機信號控制電路組成。傳感器選用Gaston E18D80NK 、舵機選用MG996R ，當傳感器信號引腳為1時，表示無障礙，為0表示右障礙，單片機通過端口讀取傳感器檢測信號，從而判斷障礙物情況。通過軟件避障算法，輸出轉向信號給舵機，控制舵機旋轉不同角度。

（三）主程序設計

程序主要由一個主程序和兩個中斷服務子程序組成，主程序功能是循環(huán)掃描4個傳感器的工作狀態(tài)，根據(jù)傳感器的不同狀態(tài)信號判斷小車所處的環(huán)境，單側有障礙物，反向旋轉一個小角度，處于角落位置調(diào)整一個較大角度，繞過障礙物及走彎道時，調(diào)整一個合適的角度，保證小車順利通過[7]。中斷子程序是兩個定時器的定時中斷，其作用是定時器合作產(chǎn)生舵機的轉向信號，通過改變高低電平的持續(xù)時間參數(shù)來調(diào)節(jié)舵機轉向角度。

四個紅外傳感器分別檢測小車左右和前方四個角度的障礙物，單片機軟件算法中避障算法判斷小車左方障礙、右方障礙、左角落、右角落、前方障礙、彎道運行及繞過障礙等各種情況下該如何轉向，調(diào)用轉向子程序，并給出信號控制舵機轉角，從而保證小車順利避開障礙物。

三、總結與創(chuàng)新

（一）總結

經(jīng)反復對比研究選擇使用單片機最小系統(tǒng)，并選擇反射式紅外傳感器。起初本研究選用的傳感器檢測距離較近，多次出現(xiàn)遇到死角的情況，并且小車貼邊而行極易碰到障礙物，于是本研究選用檢測距離為80cm的傳感器，其感應距離調(diào)節(jié)較遠，小車可在較遠距離做出反應，并且在多次試驗后，本研究將起初的2個傳感器換為4個傳感器，用以補充小車的轉向角度，避免了可能出現(xiàn)的危險情況。另外在選擇算法時，本研究最初選擇的算法較為復雜，考慮了多種情況，但是效果并不是特別理想，本研究吸取教訓，更改程序，在先實現(xiàn)基本功能的情況下再根據(jù)實際情況復雜化，并在實踐中更改傳感器的檢測距離、放置角度，及小車的轉向角度、延時時間，最后確定最終程序。

（二）創(chuàng)新

本系統(tǒng)創(chuàng)新特色主要在于通過算法判斷4個傳感器的不同狀態(tài)組合以調(diào)節(jié)小車前輪舵機轉向角度和方位，由傳統(tǒng)的單點、單面障礙物檢測轉變?yōu)殡p面三維檢測，解決小車貼墻運行和死角危險問題。重點解決了紅外傳感器的避障范圍的局限性問題。

參考文獻：

[1]王天濤.基于雙目視覺的移動機器人室內(nèi)導航方法[D].山東大學，2014：35.

[2]王建飛.基于單片機控制的自動往返小汽車的新設計[J].現(xiàn)代與電子技術，2006.

[3]董濤，劉進英，蔣蘇.基于單片機的智能小車的設計與制作[D].連云港工貿(mào)高等職業(yè)技術學校，2009.

[4]蔡磊，周亭亭，郭云鵬，陳素芳，吳漢幫.基于超聲波定位的智能跟蹤小車[D].長春理工大學，2013.

[5]強彥，葉文鵬，屈明月，趙涓涓.基于紅外避障的智能小車的設計[D].太原理工大學，2013.

[6]華蕊，郝永平，楊芳，超聲波定位系統(tǒng)的設計[J].國外電子測量技術，2009.

[7]董剛，智能小車運動控制系統(tǒng)研制[D].西安科技大學，2009：2628.

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程智能寵物喂食器（項目編號：201711654002）

作者簡介：艾雅茹（1996），女，建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)。

通訊作者：高?。?988），男，助教，主要從事機電液一體化研究。