智能垃圾車自我控制裝置設(shè)計(jì)

殷鳳來 韓楊碩 雷歌

摘要：本文主要以STC98C52單片機(jī)為主控芯片，搭建了智能汽車自我控制裝置系統(tǒng)，論文主要闡述了自我控制裝置的基本組成部分和工作原理。智能汽車自我控制裝置主要包括傳感器、觸發(fā)裝置、控制系統(tǒng)等。智能汽車在工作環(huán)境內(nèi)主要通過紅外線感應(yīng)器檢查目標(biāo)位置信息，并將這信息不斷傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)信息的不同不斷調(diào)整狀態(tài)使下車到達(dá)目標(biāo)位置，此時(shí)啟動(dòng)觸發(fā)裝置控制機(jī)械臂進(jìn)行拾起工作。

關(guān)鍵詞：路徑識別;自動(dòng)駕駛;智能車;單片機(jī)

0? 引言

隨著旅游業(yè)的不多發(fā)展，越來越多的人喜歡上了旅游，可是好多旅客在景區(qū)游玩過程中總是在不經(jīng)意間亂丟垃圾，破壞環(huán)境衛(wèi)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)今年“十一”假期，黃山風(fēng)景區(qū)僅10月3日一天進(jìn)山的游客就接近四萬五千人。黃山風(fēng)景區(qū)黨工委宣傳部宣教科科長侯晏表示，黃金周不僅游客數(shù)量大增，景區(qū)垃圾量也幾乎有平日的兩倍。侯晏說：“平時(shí)15噸/日左右，周末20噸/日左右，黃金周長假最高峰可達(dá)30噸/日左右。”這樣給景區(qū)的環(huán)衛(wèi)工人帶來了巨大工作量，也大大降低了景區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，因此本文提出了一款智能車，本款智能車可以根據(jù)環(huán)境自動(dòng)清理工作范圍內(nèi)的流動(dòng)垃圾。這樣就可以及時(shí)清理旅客隨手丟掉的垃圾，減輕景區(qū)環(huán)衛(wèi)工人的工作壓力，同時(shí)又可以減少財(cái)力物力的浪費(fèi)提高旅游區(qū)的質(zhì)量等級。

1? 工作原理

智能垃圾車自動(dòng)控制裝置主要分為兩大板塊，如圖1所示，分別為紅外線與超聲波混合自動(dòng)駕駛板塊、單片機(jī)控制機(jī)械臂拾取板塊。

紅外線與超聲波混合自動(dòng)駕駛板塊主要有紅外線傳感器、超聲波傳感器、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。其中紅外線傳感器板塊和超聲波傳感器采用購買現(xiàn)成的產(chǎn)品，本板塊主要是通過紅外線與超聲波的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)來進(jìn)行工作。主要利用超聲波來探測周圍環(huán)境物體，再結(jié)合紅外線探測的移動(dòng)物體來對工作環(huán)境的確定以及目標(biāo)物體的定位，也是依據(jù)超聲波來檢測距離并通過紅外線進(jìn)行確定方向，電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的直流減速電機(jī)主要由L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制。[1]移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)為前輪確定以及控制轉(zhuǎn)向，通過STC98C52單片機(jī)主控芯片根據(jù)紅外線與超聲波傳感器接受的信號做出判斷，分析小車的動(dòng)作要求，發(fā)送相應(yīng)的動(dòng)作命令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制小車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時(shí)發(fā)送至顯示屏，并執(zhí)行命令完成相應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到目標(biāo)地點(diǎn)。在小車確定目標(biāo)后，小車主要依靠兩邊的紅外傳感器，如圖2所示，進(jìn)行對目標(biāo)位置的目標(biāo)移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中當(dāng)左邊檢測到運(yùn)動(dòng)障礙物時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，因?yàn)槎鏅C(jī)主要控制車軸旋轉(zhuǎn)，來促使小車向右方轉(zhuǎn)向，當(dāng)左邊檢測的障礙物消失時(shí)單片機(jī)會(huì)控制舵機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)相同時(shí)間使小車恢復(fù)最初狀態(tài)，如果移動(dòng)裝置的右邊傳感器檢測到運(yùn)動(dòng)障礙物時(shí)，主控芯片控制舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并計(jì)算時(shí)間向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)右邊檢測的障礙物消失時(shí)單片機(jī)會(huì)控制舵向同時(shí)間使小車恢復(fù)最初狀態(tài)，當(dāng)前面有運(yùn)動(dòng)障礙物時(shí)則規(guī)定車停止運(yùn)動(dòng)。直到障礙物消失，再開啟運(yùn)作以達(dá)到目標(biāo)地點(diǎn)。

單片機(jī)控制機(jī)械臂拾取板塊主要有觸發(fā)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和舵機(jī)組成。[2]工作原理是通過STC98C52單片機(jī)對多個(gè)舵機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的彎曲、張開、閉合、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作完成物體的抓放，主要機(jī)械臂的運(yùn)作全部取決于紅外線與超聲波混合自動(dòng)駕駛板塊是否完成，當(dāng)紅外線與超聲波混合自動(dòng)駕駛板塊完成之后控制系統(tǒng)向單片機(jī)控制機(jī)械臂拾取板塊的控制系統(tǒng)發(fā)出電信號激發(fā)觸發(fā)系統(tǒng)控制各各舵機(jī)旋轉(zhuǎn)及復(fù)位同時(shí)。其過程是固定不變的。當(dāng)單片機(jī)控制機(jī)械臂拾取板塊完成后通過觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)出電信號激發(fā)紅外線與超聲波混合自動(dòng)駕駛板塊啟動(dòng)使小車回到出發(fā)點(diǎn)。

機(jī)械臂簡圖如圖3所示，五路舵機(jī)控制機(jī)械臂，其中1、2、3、4、5表示為5路舵機(jī)，1路舵機(jī)主要控制轉(zhuǎn)向來對整個(gè)機(jī)械臂的控制，2、3、4路舵機(jī)主要是對機(jī)械臂在拾取過程中靈活度的控制，5路舵機(jī)主要是控制齒輪來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開與閉合。五路舵機(jī)對實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的抓取工作主要是依據(jù)智能車的高度以及每個(gè)舵機(jī)的位置來確定旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)拾取工作。

2? 組成結(jié)構(gòu)

智能垃圾車主要組成結(jié)構(gòu)有紅外線尋跡模塊、超聲波定位模塊、單片機(jī)主控制模塊一、單片機(jī)主控制模塊二、驅(qū)動(dòng)模塊這五大模塊組成，其垃圾車的運(yùn)作主要靠這五大模塊相互配合實(shí)現(xiàn)的。

2.1 單片機(jī)主控制模塊一

該模塊基于單片機(jī) STC89C52 設(shè)計(jì)的智能車，需供

+12V和+5V電源，為單片機(jī)及電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓。該模塊主要作用是給舵機(jī)以及傳感器提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，來確保在工作中的流暢性，其功能主要根據(jù)紅外線傳感器和超聲波傳感器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驅(qū)使電機(jī)駕駛小車到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)。[3]

2.2 紅外線尋跡模塊

本文采用E18-D80NK-N紅外線傳感器來充當(dāng)智能車的“眼睛”，當(dāng)紅外線檢測到前方無障礙時(shí)傳感器就會(huì)輸出高電平，當(dāng)紅外線檢測到有障礙時(shí)輸出口電平會(huì)從高電平變成低電平，傳感器檢測到這一信號就可以確認(rèn)正前方有障礙物，并傳送給單片機(jī)，我們通過這個(gè)原理來確定工作環(huán)境以及目標(biāo)點(diǎn)的確定。主要工作原理是通過紅外線傳感器接受外部信息，以5秒為計(jì)算單位，傳輸給單片機(jī)，當(dāng)工作環(huán)境出現(xiàn)目標(biāo)時(shí)以三個(gè)單位時(shí)間確定最終目標(biāo)，最后單片機(jī)通過輸入內(nèi)部的算法，協(xié)調(diào)小車兩輪工作，從而完成追蹤動(dòng)作。

2.3 超聲波避障模塊

測距模塊通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差計(jì)算距離。超聲波發(fā)射端在單片機(jī)前置電路的驅(qū)動(dòng)下工作，接收端的信號放大、整形后在單片機(jī)的中斷口產(chǎn)生中斷，通過發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出小車與目標(biāo)的的相對距離。這里為了單片機(jī)控制機(jī)械臂拾取板塊能夠?qū)崿F(xiàn)，我們設(shè)定當(dāng)相對距離在10-15cm時(shí)，發(fā)出終止程序傳遞信號給單片機(jī)主控制模塊二完成下一動(dòng)作。

2.4 單片機(jī)主控制模塊二

該模塊基于單片機(jī) STC89C51，該單片機(jī)可以有6個(gè)PWM脈沖輸出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對6個(gè)自由度機(jī)械臂的控制，其控制原理主要通過單片機(jī)發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行命令同 時(shí)反饋機(jī)械臂運(yùn)行現(xiàn)狀，來實(shí)現(xiàn)信號的控制。該板塊有程序簡單不需要收集外部信息，每一次觸發(fā)后各路控制都是唯一不變的。該模塊與單片機(jī)主控制模塊一需要的電壓電源一樣，工作環(huán)境相同。在控制舵機(jī)時(shí)主要通過直流電來控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)電流的正負(fù)值來對機(jī)械臂進(jìn)行復(fù)位，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)在抓取實(shí)物后可以恢復(fù)原有狀態(tài)。（圖5）

2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊主要由電機(jī)和舵機(jī)組成與單片機(jī)相連，主要負(fù)責(zé)小車的行駛方向以及機(jī)械臂的運(yùn)作，主要通過單片機(jī)處理后的命令來操控電機(jī)及舵機(jī)的運(yùn)作與停止實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛及自動(dòng)拾取作業(yè)。

3? 結(jié)語

本文對目標(biāo)物拾取工作的核心部件主要有紅外線傳感器，超聲波傳感器以及舵機(jī)，E18-D80NK-N紅外線傳感器具有很高的精度，價(jià)格成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn);超聲波傳感器其頻率高，波長短具有很強(qiáng)的方向性等特點(diǎn)以及舵機(jī)具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩可以對較重物體進(jìn)行抓放;STC98C52單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的結(jié)合，使單片機(jī)在工作中得到良好的工作環(huán)境，讓實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物拾取工作得到了保障，最后對該功能進(jìn)行了程序編寫，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了工作的可行性。

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