基于單片機(jī)的避障智能車研究

王世明 王壯壯 胡祥宇 賀鑫源 杜曉翌

摘 要：隨著微處理器技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)以及先進(jìn)控制算法的發(fā)展，具備自動駕駛功能的智能車受到越來越廣泛的關(guān)注。本文基于STM32單片機(jī)，設(shè)計了具有避障功能的智能車，助力當(dāng)下的智能車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文設(shè)計的智能車?yán)眉t外傳感器追蹤行駛路線，利用超聲波傳感器檢測周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)模糊算法控制單元處理完成障礙物的辨識，并控制智能車的舵機(jī)和驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)智能車的避障。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);智能車;避障;紅外傳感器;超聲波傳感器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

無人駕駛作為汽車行業(yè)未來的發(fā)展方向，對現(xiàn)有汽車領(lǐng)域的智能化提出了更高的要求，其對交通運(yùn)輸業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。隨著先進(jìn)控制算法、傳感檢測技術(shù)等核心技術(shù)的突破和推進(jìn)，擁有無人駕駛技術(shù)的智能車將能處理更復(fù)雜的路況及突發(fā)狀況，能更好地保障交通秩序以及行人、乘員的人身安全，同時也能極大地推進(jìn)無人駕駛汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。無人駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個重要基礎(chǔ)是智能車的避障技術(shù)，這是保證車輛、行人安全的首要方式。本文設(shè)計制作的智能避障車的采集部分使用超聲波傳感器和紅外傳感器，處理和控制部分使用STM32單片機(jī)，執(zhí)行部分使用電機(jī)和舵機(jī);為調(diào)試方便，增加了顯示部分，包括0.96寸OLED顯示屏以及與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)相對應(yīng)的多個指示燈。

1 智能車的避障原理

為了實(shí)現(xiàn)智能車的避障功能，常用的避障算法包括模糊邏輯算法、環(huán)境地圖法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、機(jī)器學(xué)習(xí)法等[1]。其中，模糊邏輯算法將傳感器采集到的信息傳至控制器，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，輸入給模糊邏輯控制單元，依據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，輸出智能車電機(jī)、舵機(jī)的控制信號;環(huán)境地圖法是將已知的地圖信息輸入到智能車的存儲系統(tǒng)中，這樣在智能車行駛的過程中，不斷將采集到的外界信息和已存儲的環(huán)境信息進(jìn)行比對，原有環(huán)境信息中沒有存儲的信息將被排查出來，比如出現(xiàn)新的障礙物，這時候就需要分析并控制智能車避障，這種方法的應(yīng)用受限嚴(yán)重，適應(yīng)性較差，更適用于一成不變的情況，例如公園或景區(qū)游覽車等;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式融合傳感器信息，綜合多個傳感器的信息得到合理的避障方式，但是該算法的穩(wěn)定性較差，難以確保智能車系統(tǒng)的安全性;機(jī)器學(xué)習(xí)法可以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，能夠通過不斷地學(xué)習(xí)外界環(huán)境條件來逐漸優(yōu)化控制算法，本質(zhì)上是通過不斷嘗試將錯誤的方法篩除從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，但是該算法結(jié)構(gòu)過于龐大，難以直接用于智能車系統(tǒng)的實(shí)時控制。綜合來看，當(dāng)前的避障算法各有特點(diǎn)，仍有待完善。

對于智能車的避障功能來說，常用避障算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是傳感器信息的采集，從采用的傳感器角度，可以將避障方式分為激光測距避障、雷達(dá)測距避障、超聲波測距避障、紅外傳感器避障等。

激光測距基于光學(xué)三角原理：半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光到達(dá)障礙物體，反射后被線性CCD陣列接收器接收，信號處理器通過三角函數(shù)計算CCD陣列上的光點(diǎn)位置得到障礙物的間隔[2]。

雷達(dá)測距的原理為：發(fā)射器將強(qiáng)電磁能量經(jīng)發(fā)射天線發(fā)送到空中，如果有物體進(jìn)入到探測地區(qū)，該物體本身會散射一部分電磁波，這些電磁波中的一部分返回接收天線，此時接收器將接收的微弱信號放大后，再經(jīng)處理器計算，就能獲得物體的間隔、方向等信息。

超聲波測距是模仿蝙蝠的定位系統(tǒng)：向某一標(biāo)定目的地發(fā)射超聲波，并由單片機(jī)計時，超聲波遇到障礙物原路返回，當(dāng)超聲波返回到接收器時單片機(jī)停止計時，單片機(jī)處理這一段時間對應(yīng)超聲波的傳輸距離就可以推算出距離，該測距方式的方向性、穿透力強(qiáng)，精度高[3]。要完成超聲波測距，需要超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊。其中，超聲波發(fā)生器通常分為兩大類：一類是利用特定形式的電路或電子器件產(chǎn)生超聲波，另一類是通過機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波;兩種超聲波發(fā)生器的用途有所差異。綜合來看，現(xiàn)在常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，它是通過壓電晶體的諧振產(chǎn)生超聲波。

紅外傳感器利用物體的反射特性檢測障礙物：紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，以直線向前傳播，如果沒有障礙物，信號將一直向前傳播最后越來越弱直至消失;如果前方有障礙物，物體將反射紅外線并被紅外線接收管接收，這樣就能檢測到前方有障礙物。但是，由于光線的傳播速度過快，紅外傳感器難以跟超聲波測距一樣利用返回信號的時間間隔計算障礙物距離;因此，紅外傳感器只能檢測到前方有無障礙物，并不能檢測障礙物的間隔，只能輔助避障。

上述不同的測距、避障方法，各有特點(diǎn)和適用場合。相比較而言，激光測距的精度很高，但是測量范圍較小，通常只針對某一特定點(diǎn)進(jìn)行測距，并且難以識別不在激光平面上的障礙物，因此不適用于智能車的避障處理;而雷達(dá)主要適用于軍事領(lǐng)域，并且實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，難以滿足避障智能車對于器件經(jīng)濟(jì)性、簡單化的要求。因此，本文選用超聲波測距方法完成智能車的避障功能，如圖1所示，并利用紅外傳感器輔助避障。

2 智能車的輔助功能

為了控制智能車的行駛方向，本文設(shè)計了智能車的循跡功能。循跡過程為：控制光電對管向路面發(fā)射紅外信號，由于不同顏色的物體對光線的反射系數(shù)不同，智能車在接收到反射信號后，經(jīng)比較器處理，根據(jù)反射信號的強(qiáng)弱判斷智能車是否沿著既定的軌跡線行駛，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。本文設(shè)計所采用的傳感器是反射型光電探測器RPR220，如圖2所示，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個高靈敏度硅平面光電三極管;該傳感器有以下特點(diǎn)：采用塑料透鏡，可以提高傳感器的靈敏度;內(nèi)置可見光過濾器，可以減弱離散光的影響;該傳感器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。

除了循跡功能，為了確保超聲波傳感器、紅外傳感器故障的情況下，智能車仍可控，本文設(shè)計了智能車的遙控功能。遙控設(shè)備的連接方式有很多種，例如紅外、藍(lán)牙、WIFI等;其中紅外遙控方式使用普遍、成本較低。因此，本文設(shè)計所采用的是紅外遙控器HS-021，其接收管是HS0038B。

3 避障智能車的控制

本文設(shè)計的避障智能車的基本運(yùn)動控制方式主要有兩個備選方案：方案一是一個舵機(jī)搭配一個電動機(jī)，舵機(jī)用來控制智能車轉(zhuǎn)向，電動機(jī)提供前進(jìn)或后退的動力;方案二是用兩個電動機(jī)來完成行駛及轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時兩個電動機(jī)同時正轉(zhuǎn)，后退時兩個電動機(jī)同時反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎時操縱兩個電動機(jī)差速轉(zhuǎn)動。

方案一控制方式的優(yōu)點(diǎn)是指向精確、轉(zhuǎn)彎的角度確定;同時，其缺點(diǎn)也在于轉(zhuǎn)彎需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，當(dāng)距離障礙物較近的時候轉(zhuǎn)向，由于轉(zhuǎn)彎半徑的存在，可能會撞擊到障礙物;因此這種情況下轉(zhuǎn)彎通常需要后退一定距離再轉(zhuǎn)彎。相比之下，采用方案二時智能車行駛更加靈活，可以在狹窄環(huán)境、遇到障礙物或與前車距離太近時原地轉(zhuǎn)向，因此本文選用該方案。本文在制作智能車時采用了四個電機(jī)，每個車輪連接一個電機(jī)，每一側(cè)的兩個車輪的電機(jī)由一個信號控制，在這種運(yùn)動方式下設(shè)計了前進(jìn)、后退、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)、停車、原地左轉(zhuǎn)圈和原地右轉(zhuǎn)圈七個運(yùn)動狀態(tài)。

智能車的避障系統(tǒng)包含信息采集、信息處理和運(yùn)動控制三部分。其中，信息采集負(fù)責(zé)為整個系統(tǒng)獲取有效信息;信息處理部分是避障系統(tǒng)的控制核心，這一部分完成對信息的處理和分析，如濾波、判斷等;運(yùn)動控制部分是對控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。如果將避障系統(tǒng)看作一個人，信息采集部分是人的眼睛，信息處理部分是大腦，而運(yùn)動控制部分則是四肢，三部分相輔相成，各有功能和分工。

信息采集部分的主要功能是獲取有效的信息，主要包括通訊、ADC采集、信號前端處理等功能。對于信息采集部分，本文設(shè)計的智能車?yán)枚〞r器中斷函數(shù)來讀取超聲波傳感器接收模塊的高電平的時間，通過計算得到障礙物的距離。另外，紅外傳感器作為輔助避障功能器件，沒有測距的功能，但是可以檢測到前方是否有障礙，檢測固定距離之內(nèi)的障礙，這個距離閾值可以通過電位器的調(diào)節(jié)來變化。

信息處理部分是在采集到傳感器數(shù)據(jù)之后，通過濾波等處理，判斷智能車的周圍環(huán)境，并對運(yùn)動控制部分給出控制信號，完成智能車的避障行駛控制。在智能車的行駛過程中，超聲波傳感器用于檢測前方的障礙物距離，當(dāng)障礙物的距離達(dá)到警戒值時，智能車進(jìn)一步比較左前方和右前方的障礙物距離遠(yuǎn)近，向障礙較遠(yuǎn)的一邊運(yùn)動。此外，對于超聲波傳感器的檢測盲區(qū)，利用輔助避障的紅外傳感器進(jìn)行障礙物檢測、智能車轉(zhuǎn)向控制，輔助完成避障功能。

除此之外，為了便于進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、觀測測試數(shù)據(jù)更直觀，增加了系統(tǒng)的顯示功能：利用一塊OLED顯示屏，用于實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息。

4 總結(jié)

本文基于STM32單片機(jī)，設(shè)計了具有避障功能的智能車系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含循跡行駛、智能避障、遙控控制等功能和特色，本文的研究有助于具有自動行駛功能的智能車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王崇.汽車智能避障方法仿真研究[J].計算機(jī)仿真，2014，31（06）：183-186+413.

[2]胡揚(yáng)坡.輕武器動態(tài)參量測試系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究[D].南京理工大學(xué)，2014.

[3]孫艷玲.簡易高精度超聲波測距儀的設(shè)計[J].機(jī)械管理開發(fā)，2008，23（06）：102-103.