基于單片機(jī)的無(wú)人避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

凌宇翔　高韋　吳昊

【摘? 要】隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，電子技術(shù)迎來(lái)了前所未有的重大發(fā)展機(jī)遇，采用機(jī)器人替代人工來(lái)探知一些危險(xiǎn)區(qū)域或人類不能直接到達(dá)的地域，要求探測(cè)機(jī)器人在行進(jìn)中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍的障礙物，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)行軌跡，保證機(jī)器人可以安全抵達(dá)任何位置。本文以自動(dòng)避障功能為主要研究對(duì)象，選取合適的障礙物探測(cè)方式及避障控制算法，完成整個(gè)無(wú)人避障小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人小車;單片機(jī);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃和決策于一體的多維度輔助駕駛集成系統(tǒng)，重點(diǎn)研究計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，是新技術(shù)與高新技術(shù)的典型結(jié)合。智能小車可以用于在不利條件下進(jìn)行無(wú)人檢測(cè)和操作，這種控制技術(shù)可應(yīng)用于像智能物流這樣的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。為了更深入的認(rèn)識(shí)和了解智能化汽車，可通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能小車來(lái)進(jìn)一步研究智能汽車的控制理念和方式。傳統(tǒng)的智能尋跡小車只能運(yùn)行在簡(jiǎn)單的賽道上，對(duì)復(fù)雜的賽道元素缺乏處理能力，具有很大的局限性，且不能將舵機(jī)轉(zhuǎn)向與電機(jī)速度控制有效結(jié)合，在尋跡路徑上還有很大的提升空間。

1單片機(jī)技術(shù)

單片機(jī)在1990年代得到了快速的發(fā)展，技術(shù)應(yīng)用更加成熟，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，并成為推動(dòng)人類文明發(fā)展的抓手。伴隨智能技術(shù)得到應(yīng)用與普及，單片機(jī)獲得了新的發(fā)展空間和渠道，能夠被廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)控制、通信交流、自動(dòng)測(cè)量、智能儀表等電子領(lǐng)域。可以通過(guò)與電子技術(shù)的充分融合，提升單片機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量與效率。由于單片機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的關(guān)鍵分支，因此其應(yīng)用的廣度和深度，能夠提升產(chǎn)品的實(shí)效性和有效性，使智能化產(chǎn)品得到真正的普及和推廣。在概念界定上，單片機(jī)主要指單片微控器，具體包括隨機(jī)儲(chǔ)存器、只讀儲(chǔ)存器、中央處理器及終端系統(tǒng)等部分，能夠形成多種數(shù)據(jù)控制與采集系統(tǒng)，完成各類復(fù)雜的運(yùn)算任務(wù)。譬如運(yùn)算指令的下達(dá)與運(yùn)算信號(hào)的控制等。單片機(jī)是種集成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的智能芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的高速而精準(zhǔn)的處理。在硬件特征上。單片機(jī)擁有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完備、集成度高、故障率低、低耗能、高控制性等特征，可以廣泛地應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品中，提升電子產(chǎn)品的智能化、自動(dòng)化及信息化水平。而在單片機(jī)的具體應(yīng)用中，單片機(jī)能夠使普通的電子產(chǎn)品擁有智能化特征。如將單品機(jī)應(yīng)用在電飯煲中，可以使電飯煲擁有自動(dòng)定時(shí)、自動(dòng)控制、食材識(shí)別、時(shí)間選擇等智能化功能。而將其應(yīng)用在傳統(tǒng)的智能化電子產(chǎn)品中，譬如定位系統(tǒng)中，可以提升數(shù)據(jù)收集、可視化應(yīng)用、自動(dòng)定位等功能的效益，使其擁有自動(dòng)化的特征。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1障礙物檢測(cè)設(shè)計(jì)

本文采用了超聲波傳感器和紅外傳感器，超聲波傳感器采用HC-SR04，該傳感器探測(cè)距離為2cm～450cm，探測(cè)角度為15°，工作電壓為5V，可以由單片機(jī)直接供電。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人避障小車180°的測(cè)距，增加了可旋轉(zhuǎn)360°伺服舵機(jī)來(lái)帶動(dòng)超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別設(shè)計(jì)為0°、90°、180°，使得超聲波測(cè)距范圍形成一個(gè)封閉的半圓形結(jié)構(gòu)。由于超聲波測(cè)距有一個(gè)測(cè)距周期，當(dāng)沒(méi)有達(dá)到該測(cè)距周期時(shí)就使用紅外傳感器來(lái)代替超聲波傳感器進(jìn)行障礙物的檢測(cè)，這是對(duì)超聲波傳感器的一個(gè)時(shí)間上的補(bǔ)償，這樣就能更加精確地對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。

2.2電機(jī)控制設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的無(wú)人避障小車系統(tǒng)采用4個(gè)直流電機(jī)，控制芯片為L(zhǎng)293D，它是一款雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，本文采用了兩個(gè)L293D，1個(gè)控制左側(cè)兩個(gè)直流電機(jī)，另一個(gè)控制右側(cè)兩個(gè)直流電機(jī)，然后通過(guò)輸入信號(hào)控制直流電機(jī)執(zhí)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，具體的設(shè)計(jì)如下：（1）當(dāng)檢測(cè)到?jīng)]有障礙物時(shí)，左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車直行。（2）當(dāng)檢測(cè)到左側(cè)有障礙物時(shí)，左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車右轉(zhuǎn)。（3）當(dāng)檢測(cè)到右側(cè)有障礙物時(shí)，左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車左轉(zhuǎn)。

3基于單片機(jī)的無(wú)人避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人避障小車控制部分軟件包括主程序、超聲波測(cè)距子程序、顯示模塊子程序、電機(jī)調(diào)速子程序和按鍵控制子程序等5個(gè)部分。小車啟動(dòng)后朝正前方前進(jìn)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)小車停止，這時(shí)單片機(jī)會(huì)先采集超聲波測(cè)量的正前方障礙物的距離并顯示，然后舵機(jī)左轉(zhuǎn)采集左側(cè)障礙物的距離并顯示，再讓舵機(jī)右轉(zhuǎn)測(cè)量右側(cè)障礙物的距離并顯示，如果三個(gè)方向的距離都小于10cm說(shuō)明空間極其狹窄，小車會(huì)原地左轉(zhuǎn)然后繼續(xù)檢測(cè)直至小車檢測(cè)到有一條合理的路線離開(kāi)這個(gè)空間;如果小車左側(cè)的距離大于右側(cè)小車就原地左轉(zhuǎn)，如果右側(cè)的距離大于左側(cè)小車就會(huì)右轉(zhuǎn)。然后小車?yán)^續(xù)前行，直到再次遇到障礙物進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

3.2圖像采集

攝像頭就好比智能車的“眼睛”，為微控制器提供當(dāng)前道路信息，并可將獲取的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M(jìn)行處理。為了更加符合真實(shí)汽車比例，系統(tǒng)的攝像頭安裝在車輛縱向平分線上，高度距地面10厘米。系統(tǒng)采用DMA方式采集圖像，DMA采集速度快且不經(jīng)過(guò)微處理器，使單片機(jī)能獲得更多的有效數(shù)據(jù)。圖像采集的原始灰度圖像共186×70個(gè)像素，在視野廣、前瞻長(zhǎng)的前提下，圖像采集速率能達(dá)到50fps，基本滿足系統(tǒng)尋跡高速穩(wěn)定的要求。

3.3電機(jī)轉(zhuǎn)速整體控制思路

尋跡小車在直道設(shè)定較高的轉(zhuǎn)速，在彎道設(shè)定稍慢的轉(zhuǎn)速使小車能夠流暢的跑完整個(gè)賽道，其中直道速度能決定小車的整體速度，合適的彎道速度能夠提升小車的穩(wěn)定性。由于直道入彎的過(guò)程是關(guān)鍵，系統(tǒng)采取了特殊的減速策略，即先根據(jù)小車當(dāng)前速度給出相應(yīng)減速需要的圖像場(chǎng)數(shù)，當(dāng)減速場(chǎng)數(shù)較高時(shí)設(shè)定速度可較低，當(dāng)減速場(chǎng)數(shù)較少時(shí)設(shè)定速度可較高，并隨著減速場(chǎng)數(shù)的減少設(shè)定速度可逐漸接近彎道速度，使小車能夠流暢的進(jìn)入彎道，避免出現(xiàn)“猛加猛減”的情況。

結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展使工業(yè)領(lǐng)域在工作環(huán)境、工作效率和生產(chǎn)質(zhì)量等方面都有所改善。單片機(jī)與工業(yè)智能技術(shù)融合后，可以利用單片機(jī)的過(guò)程控制與數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程控制，讓人工操作變?yōu)槿斯た刂?，保證流水線作業(yè)體系，單片機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用保證了工業(yè)生產(chǎn)的安全及效率，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于流水線作業(yè)系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等行業(yè)。單片機(jī)作為電子技術(shù)嵌入式系統(tǒng)的典型代表，給我們的生活帶來(lái)了極大的便利，滲透到了生活的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化控制意義重大，其開(kāi)發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)得到了人們的高度重視。

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（作者單位：武漢東湖學(xué)院）