基于89C51單片機(jī)的智能尋跡避障小車設(shè)計(jì)

謝曉敏,閔 銳

(安徽新華學(xué)院,安徽 合肥 230088)

引言

隨著科技智能化的飛速發(fā)展,如今無(wú)人駕駛技術(shù)已成為全球的焦點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的控制核心采用的是89C51單片機(jī),結(jié)合光電傳感器、紅外傳感器、避障開關(guān)等器件構(gòu)成多功能智能小車系統(tǒng)[1-3]。根據(jù)裝在車頭的光電傳感器模塊對(duì)黑膠帶進(jìn)行尋跡,判斷直行還是左右轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)單片機(jī)的PWM通道的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)小車的左右轉(zhuǎn),從而使小車沿軌道行駛;紅外避障開關(guān)主要是判斷小車在匯合點(diǎn)以及彎道上行駛時(shí),避免相撞或保持一定的安全距離。智能尋跡避障小車可以幫助人們?cè)趯?shí)現(xiàn)無(wú)人工即可自動(dòng)運(yùn)輸避障的愿望。智能服務(wù)更是人們所需求的,因?yàn)橹悄芊?wù)帶給人類不僅僅是方便快捷,更是安全保障。

1 總體思路設(shè)計(jì)

智能尋跡避障小車以89C51單片機(jī)為控制核心,通過(guò)單片機(jī)輸入/輸出口檢測(cè)信號(hào),輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)(高低電平信號(hào))使電機(jī)正常工作,從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)控制其前進(jìn)、后退、停止、左右轉(zhuǎn)向等。通過(guò)紅外光電傳感器的對(duì)管(即發(fā)射管和接收管)作為檢測(cè)信號(hào)工具,小車的車道主要為白色跑道,在白色跑道中間粘貼黑色膠帶;當(dāng)小車在白色跑道正常行駛時(shí),裝在車頭底部的紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外檢測(cè)信號(hào),當(dāng)該檢測(cè)信號(hào)照射到白色跑道后會(huì)反射回來(lái),若紅外接收管能接收到反射回的檢測(cè)信號(hào)則通過(guò)輸入/輸出口輸出低電平,致使小車?yán)^續(xù)前行;否則,接收不到發(fā)射管發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)則通過(guò)輸入/輸出口輸出高電平,會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)小車狀態(tài)做出相應(yīng)調(diào)整。其中,單片機(jī)控制系統(tǒng)主要根據(jù)輸入/輸出口的高低電平的狀態(tài)來(lái)判斷小車的行駛狀態(tài)。當(dāng)輸入/輸出口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí),說(shuō)明檢測(cè)信號(hào)被地上的黑色膠帶部分所吸收,表明小車行駛在黑色膠帶線上或即將偏離正常跑道;同理,當(dāng)輸入/輸出口檢測(cè)到信號(hào)為低電平時(shí),表明小車行駛在白色地面上,處于正常跑道范圍內(nèi)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)流程圖

本控制系統(tǒng)的工作流程:先對(duì)單片機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置,通過(guò)單片機(jī)的輸入/輸出口來(lái)控制小車的前進(jìn);在行駛過(guò)程中,主控系統(tǒng)不斷判斷識(shí)別小車是否偏離跑道,如果偏離正常跑道,則需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)整或停車操作,本系統(tǒng)主流程圖如圖2所示。紅外光電傳感器部分工作流程:先對(duì)各紅外對(duì)管(即紅外探頭)進(jìn)行初始化,小車在行駛過(guò)程中,怎樣保證在正常軌道上行駛而不跑偏,主要通過(guò)左右紅外探頭不斷發(fā)射、接收信號(hào)來(lái)判斷是否偏離軌道。若發(fā)現(xiàn)左偏,則會(huì)使小車向右偏轉(zhuǎn)一定角度;反之,則使小車向左偏轉(zhuǎn)一定角度。紅外探頭傳感器工作流程圖如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 系統(tǒng)主流程圖

圖3 紅外探頭傳感器工作流程圖

2.2 循跡避障可行性實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)到的反饋信號(hào)可分為以下幾種情況見表1。具體實(shí)驗(yàn)分析如下:

1)情況1說(shuō)明四個(gè)紅外光電傳感器接收到的檢測(cè)信號(hào)都是低電平(即檢測(cè)到的都是白色跑道),說(shuō)明小車即將偏離跑道行駛,則可通過(guò)PWM占空比使單片機(jī)控制小車斷電,迫使小車停止下來(lái)。

2)情況2如圖4所示,表明左2、左1、右1接收到的是低電平信號(hào),只有右2接收到的是高電平信號(hào)(即右2紅外對(duì)管檢測(cè)到黑色膠帶線),說(shuō)明小車出現(xiàn)左偏且幅度較大,此時(shí)需控制小車向右大轉(zhuǎn),加大左輪轉(zhuǎn)速,使小車向右轉(zhuǎn)。

3)情況3、4、7三種情況說(shuō)明左2對(duì)管接收到的都是低電平信號(hào),右1接收到都是高電平信號(hào),右2接收到的電平信號(hào)不完全一樣,說(shuō)明小車左偏幅度不是很大,右1能夠檢測(cè)到黑色膠帶線,右2檢測(cè)不到是左偏幅度最小,這兩種情況可按一種處理,小車向右微調(diào),此時(shí)的占空比與第2種情況不同。

4)情況5、9、10三種情況比較相似,不同的是左2接收到電平信號(hào)相反,其他三個(gè)紅外接收管接收到的信號(hào)是一致的,表明小車右偏幅度不是很大,與情況3、4相反。

5)情況6當(dāng)左1、右1同時(shí)檢測(cè)到黑線時(shí),說(shuō)明小車沿直道行駛?cè)鐖D5所示;情況8只有左1接收到低電平,其他都是高電平,需要作出向左大轉(zhuǎn)調(diào)整;最后一種特殊情況則是所有紅外接收管接收到都是高電平信號(hào),說(shuō)明是遇到分岔路口情況。

表1 循跡情況分析表

圖4 向右大轉(zhuǎn)示意圖

圖5 直行示意圖

3 實(shí)物制作與測(cè)試

3.1 電路原理圖設(shè)計(jì)

智能小車電路原理圖設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、智能循跡模塊(即紅外傳感器控制部分)、單片機(jī)控制模塊以及電源模塊等[4]。其中,單片機(jī)控制模塊主要采用的是89C51型號(hào)單片機(jī)作為控制核心,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是L298N芯片,該芯片的驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)則是用功率型三極管,智能循跡模塊主要采用的是ST178或GK178紅外對(duì)管進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收,并通過(guò)LM339比較器來(lái)判斷信號(hào)電平的高低。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。

圖6 智能小車電路原理圖

3.2 小車設(shè)計(jì)與實(shí)物演示

經(jīng)過(guò)綜合考慮論證,小車模型設(shè)計(jì)采用的是三輪結(jié)構(gòu)型,即后兩輪是電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪,車前部采用單輪萬(wàn)向輪[5]。后兩輪(電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪)的物理參數(shù)要求完全一樣(如力矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù))。通過(guò)后兩輪可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、停止以及左右轉(zhuǎn)向等功能。比如,要實(shí)現(xiàn)小車的大轉(zhuǎn)彎,可以通過(guò)控制左右兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪按照方向相反的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)向,也可以實(shí)現(xiàn)小車的原地旋轉(zhuǎn)等姿態(tài)。小車采用三輪結(jié)構(gòu)主要考慮在快速行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性,但在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要考慮后兩輪具有同軸性。其中,前輪使用一個(gè)萬(wàn)向輪主要考慮小車重心偏移問(wèn)題,因?yàn)槿f(wàn)向輪轉(zhuǎn)向十分靈活。這種三輪結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)。小車車體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。智能小車實(shí)物圖以及測(cè)試效果圖如圖8所示。

圖7 小車車體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本智能小車設(shè)計(jì)主要采用STC89C51單片機(jī)作為小車硬件的控制核心,通過(guò)ST178或GK178紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)小車行駛的智能循跡,即利用紅外探測(cè)法來(lái)判斷檢測(cè)信號(hào)是否被反射回或被吸收,通過(guò)LM339雙電壓比較器來(lái)采集高低電平,輸出高低電平到單片機(jī)控制模塊;再結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,即利用L298N芯片來(lái)控制后兩輪的轉(zhuǎn)速與方向。在軟件設(shè)計(jì)方面,主要采用C程序作為編程控制語(yǔ)言,在小車設(shè)計(jì)、安裝好后,將控制程序通過(guò)下載端口下載到單片機(jī)中,再對(duì)小車進(jìn)行各功能的測(cè)試和調(diào)試,能夠達(dá)到智能循跡、避障等功能,達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

圖8 智能小車實(shí)物圖以及測(cè)試效果圖