單片機(jī)技術(shù)在智能小車避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘? 要：提出了智能小車避障循跡系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)而分析了智能小車避障循跡系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提出有效設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊、主控制模塊、伺服電機(jī)模塊、避障模塊、循跡傳感器、循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出優(yōu)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，從硬件設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)運(yùn)行兩個(gè)角度進(jìn)行研究，由此論證智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中單片機(jī)的運(yùn)用方式，要求有效設(shè)計(jì)智能機(jī)器人基本動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)智能小車循跡功能，為智能小車避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定參考意見。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)技術(shù);智能小車;避障循跡系統(tǒng);伺服電機(jī)模塊

Abstract：The overall design ideas of the intelligent car obstacle avoidance tracking system are proposed，and then the hardware design of the intelligent car obstacle avoidance tracking system is analyzed，and the effective design of the drive module，main control module，servo motor module design，obstacle avoidance module，tracking sensor，tracking system design，proposed optimization system software design，researched from two perspectives of hardware design and software system operation，thus demonstrating the use of single-chip microcomputer in the design process of intelligent car obstacle avoidance system，which requires effective design of basic actions of intelligent robots to achieve intelligence car tracking function provides a certain reference for the design of the intelligent car obstacle avoidance tracking system.

Keywords：single chip microcomputer technology;intelligent car;obstacle avoidance tracking system;servo motor module

0? 引? 言

在目前信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，機(jī)器人研究成為國際上多個(gè)國家研究的重要課題之一，研究以機(jī)器人取代人工勞動(dòng)是目前相關(guān)信息技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。智能小車是機(jī)器人研究的重要項(xiàng)目之一，本文運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)提出智能小車避障循跡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選擇過程，智能小車達(dá)到了良好的運(yùn)行效果。

1? 智能小車避障循跡系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

人工智能機(jī)器人目前在多項(xiàng)領(lǐng)域中均有運(yùn)用，研究過程受到理論界的廣泛關(guān)注，在設(shè)備檢測與貨物搬運(yùn)過程中可以運(yùn)用機(jī)器人完成，在智能小車行駛過程中，要求能夠沿著系統(tǒng)設(shè)定的路線行駛，并正確避開障礙物。為了達(dá)到良好的運(yùn)行效果，要求積極加強(qiáng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。在無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院單片機(jī)相關(guān)理論研究與教學(xué)進(jìn)行過程中，對單片機(jī)在智能小車循跡避障系統(tǒng)中的運(yùn)用有了更深的理解與體會(huì)。

本次利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中主控芯片為STC89C52單片機(jī)，小車行駛信息與路況信息收集方面運(yùn)用LCD顯示器，小車與障礙物之間的距離測量上運(yùn)用超聲波測距進(jìn)行測量，小車的行駛速度與行駛方向，可以通過主控系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)與體現(xiàn)，小車運(yùn)行過程中能夠自動(dòng)地辨識障礙物，并以此指導(dǎo)小車的行駛行為，使得小車能夠沿著水平方向行駛。

STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中能夠在LCD顯示模塊中表現(xiàn)出智能小車的行駛速度與行駛方向，在綜合收集多項(xiàng)數(shù)據(jù)的前提下正確分析路況信息，并準(zhǔn)確避開障礙物，使得小車最終能夠沿著直線行駛。

本次在運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)的主要構(gòu)成包含了避障、前進(jìn)、液晶顯示模塊、主控制模塊、傳感器模塊、循跡感測模塊、轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)、底部部件等部分。智能小車車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本次智能小車避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中選擇AT89S52單片機(jī)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的時(shí)鐘電路、傳感器模塊、電源模塊、復(fù)位電路、伺服電機(jī)模塊等，不同模塊對系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)揮著不同作用。智能小車在黑色軌跡路線上行駛時(shí)需要依靠傳感器模塊，小車基本動(dòng)作的完成方面則需要依靠伺服電機(jī)模塊。智能小車為了能夠靈活循跡采用了三輪結(jié)構(gòu)車體，在小車運(yùn)行過程中要求能夠優(yōu)化硬件設(shè)置與軟件設(shè)置[1]。

2? 智能小車避障循跡系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)運(yùn)行過程中以電機(jī)來帶動(dòng)，在對系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向的把握上則采用電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，行進(jìn)中的路況信息能夠反映在單片機(jī)之中。H橋式驅(qū)動(dòng)電路是系統(tǒng)運(yùn)行過程中一般采取的主要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文研究中運(yùn)用的系統(tǒng)采用的同樣是H橋式驅(qū)動(dòng)電路，屬于L298N內(nèi)部集成運(yùn)行方式。在小車啟停與速度的掌握上則運(yùn)用L298N電路PWM信號進(jìn)行指導(dǎo)，單片機(jī)能夠?qū)Υ俗龀鱿鄳?yīng)控制與指導(dǎo)[2]。

2.2? 設(shè)計(jì)系統(tǒng)主控制模塊

主控制模塊是系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要根基，本次智能小車避障循跡系統(tǒng)運(yùn)行中的主控制模塊選擇8位微控制器STC89C52單片機(jī)，對系統(tǒng)運(yùn)行中的各個(gè)層面進(jìn)行指導(dǎo)。此次設(shè)計(jì)中的避障方案選擇超聲波-光電接近開關(guān)避障方案，STC89C52的I/O口能夠有效收集并處理系統(tǒng)運(yùn)行中的多種信號，以此優(yōu)化避障系統(tǒng)中的多個(gè)路徑，電機(jī)控制信號通過P0口輸出，以此對小車運(yùn)行起到良好的運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)效果[3]。

2.3? 優(yōu)化伺服電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)過程中伺服電機(jī)模塊選擇360°伺服舵機(jī)，以此使得循跡系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠準(zhǔn)確掌握路況，獲取較為連續(xù)的數(shù)據(jù)信息，從而進(jìn)行有效的速度管理與控制。360°伺服舵機(jī)具有三條輸入線，分別是紅、黑、白，其中紅色負(fù)責(zé)伺服機(jī)電源，黑色負(fù)責(zé)伺服機(jī)接地，白色負(fù)責(zé)伺服機(jī)的信號控制。伺服電機(jī)模塊運(yùn)行過程中為了加強(qiáng)對小車的有效控制，在伺服電機(jī)模塊運(yùn)行過程中安裝了一個(gè)比較器和一個(gè)基準(zhǔn)電路[4]。

2.4? 設(shè)計(jì)避障模塊

智能小車避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)為避障系統(tǒng)，也是系統(tǒng)運(yùn)行中最為核心的模塊，構(gòu)成了智能小車運(yùn)動(dòng)控制中最為核心的技術(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)劣情況的重要評價(jià)指標(biāo)之一是避障系統(tǒng)。本次避障過程中采用HC-SR04超聲波模塊，在2 cm～400 cm非接觸式距離中能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測距，具有3 mm的測距精度，運(yùn)行效果較為顯著。使用過程中既符合了系統(tǒng)運(yùn)行要求，同時(shí)其抗干擾性能與精度也相對較高。避障模塊的構(gòu)成部分包括接收器、超聲發(fā)射器、控制電路等部分。小車運(yùn)行過程中避障模塊能夠有效處理地面上一些不可穿越的障礙，對此進(jìn)行正確判斷，并給出相應(yīng)的應(yīng)對之策。

2.5? 設(shè)計(jì)循跡傳感器

傳感器設(shè)置過程中主要是基于循跡傳感器模塊的設(shè)置，設(shè)置過程中采用了紅外傳感器方式，以此能夠促進(jìn)反射光強(qiáng)度的吸收，以此探測不同顏色的物體，由此QTI傳感器能夠接收到系統(tǒng)運(yùn)行中不同的電平信號，優(yōu)化智能小車的運(yùn)行，在智能小車避障系統(tǒng)與循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中能夠有效接收不同信號，并對此進(jìn)行有效處理[5]。

小車循跡避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要求優(yōu)化伺服機(jī)電模塊，其中重要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一為循跡傳感器設(shè)計(jì)，要求優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)。本次智能小車循跡傳感器設(shè)計(jì)過程中采用了QTI傳感器，為紅外線傳感器，運(yùn)行過程中能夠接收不同的反射光強(qiáng)度，以此探測小車行進(jìn)過程中的物體，并探測得到的數(shù)據(jù)輸出為不同的電平信號。以此為智能小車避障系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持依據(jù)。

2.6? 優(yōu)化小車循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車運(yùn)行中的循跡系統(tǒng)則是采用紅外探測法，智能小車運(yùn)行過程中必然會(huì)遇到不同的物體，而不同顏色的物體表面通過紅外線能夠具有不同的反射規(guī)律，通過對此信息的整合能夠正確判斷出智能小車運(yùn)行過程中面對的不同物體。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用TCRT5000型光電對管進(jìn)行探測與循跡，運(yùn)行流程為小車運(yùn)行過程中向前方發(fā)射紅外光，在遇到白色地面時(shí)出現(xiàn)漫反射現(xiàn)象，智能小車上安裝了接收管，能夠在第一時(shí)間接收發(fā)射光。而在遇到黑線的情況下則能夠被黑線吸收，此時(shí)智能小車上不會(huì)接收到任何信號。為了加強(qiáng)對小車運(yùn)行過程中的信號檢測，運(yùn)用高低電平的操作方式，通過LM324來實(shí)現(xiàn)，以此達(dá)到良好的循跡效果[6]。

在循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，要求不斷優(yōu)化小車循跡策略，安裝QTI傳感器，此次設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中有效連接了智能小車平臺(tái)I/O口與QTI傳感器SIG信號線，使得系統(tǒng)運(yùn)行過程中能夠針對不同的系統(tǒng)采用不同顏色的信號線，以此能夠促進(jìn)智能小車運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，建立良好的錯(cuò)誤排查方式，并針對出現(xiàn)的錯(cuò)誤采取有效的應(yīng)對處理措施。在智能小車運(yùn)行過程中，在對傳感器信號控制方面建立了兩級方向控制方式，能夠有效接收到傳感器信號，并對其進(jìn)行有效處理。最終在兩級系統(tǒng)支持之下，有效控制智能小車的運(yùn)行軌跡，并對其中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤及時(shí)糾正，通過這一方式的實(shí)施顯著提升了智能小車的循跡性能。

3? 優(yōu)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要因素之一，以此優(yōu)化智能小車的軟件運(yùn)行，有效設(shè)計(jì)智能機(jī)器人基本動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)智能小車循跡功能。

3.1? 設(shè)計(jì)智能機(jī)器人基本動(dòng)作

在設(shè)計(jì)智能機(jī)器人基本動(dòng)作過程中，要求能夠結(jié)合智能小車運(yùn)行過程中輪子的旋轉(zhuǎn)情況，并以此優(yōu)化智能小車循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從左輪角度看，智能小車行進(jìn)時(shí)為逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，而從右輪角度看則為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由此能夠判斷出小車行駛速度與行駛方向，因此為了在運(yùn)行過程中對小車進(jìn)行加速與減速控制與管理，應(yīng)當(dāng)對小車車輪進(jìn)行有效設(shè)置。并將這一設(shè)計(jì)理念反映在小車的C語言的設(shè)計(jì)過程之中，并以right與left表示，以此完成智能機(jī)器人的基本動(dòng)作設(shè)計(jì)，優(yōu)化智能小車循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2? 實(shí)現(xiàn)智能小車循跡功能

智能小車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要求積極優(yōu)化避障循跡功能，應(yīng)當(dāng)對智能小車運(yùn)行建立QTI傳感器循跡策略表，以此在智能小車的自主循跡過程中運(yùn)用move函數(shù)，表1體現(xiàn)了QTI傳感器下智能小車運(yùn)行的循跡局部策略。通過這一局部策略的運(yùn)用能夠擴(kuò)展小車的其他運(yùn)行方式。

4? 結(jié)? 論

本文提出了單片機(jī)智能小車避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的硬件設(shè)施與軟件設(shè)施，硬件設(shè)計(jì)過程中要求有效設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊、設(shè)計(jì)系統(tǒng)主控制模塊、優(yōu)化伺服電機(jī)模塊設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)避障模塊、設(shè)計(jì)循跡傳感器、優(yōu)化小車循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求不斷優(yōu)化智能小車的軟件運(yùn)行，有效設(shè)計(jì)智能機(jī)器人基本動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)智能小車循跡功能。

在實(shí)際的測試運(yùn)行過程中取得了良好的運(yùn)行效果，所設(shè)計(jì)的智能小車達(dá)到了良好的識別效果，小車運(yùn)行的穩(wěn)定與可靠性較為良好。但是在實(shí)際具體運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)厲害或者無法循線現(xiàn)象，這主要是由于QTI傳感器的安裝高度問題。在智能小車以較高速度行駛過程中可能會(huì)出現(xiàn)突然翻車現(xiàn)象。小車行進(jìn)時(shí)需要設(shè)置引導(dǎo)線，引導(dǎo)線的顏色要求適宜，在顏色較淡時(shí)會(huì)影響循跡系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)過程中要求充分考慮到這一問題。

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作者簡介：馮喬（1981—），女，漢族，江蘇宜興人，實(shí)驗(yàn)師，工程碩士，研究方向：單片機(jī)、嵌入式等控制技術(shù)。