基于單片機的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黃永濤 王功喆 劉春瑞

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊262700）

智能小車是機器人研究的一個重要方面，從目前的設(shè)計和研發(fā)情況來看，主要分為了藍牙遙控、超聲波避障、光電尋跡等，其中藍牙遙控小車使用手機串口軟件和小車上的藍牙芯片進行通信，可以控制小車轉(zhuǎn)向、前進、后退、停止、啟動等；超聲波避障則是在小車系統(tǒng)中設(shè)置超聲波避障模塊，提高小車運行的安全性。本文將結(jié)合單片機技術(shù)，提出智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)途徑，希望對智能小車研發(fā)提供必要的幫助。

1 智能小車避障系統(tǒng)的總體設(shè)計

智能小車在行駛中，需要沿著指定的路線運動，并實現(xiàn)對周圍障礙物的躲避。為了實現(xiàn)小車的避障功能，需要對智能小車車體進行總體設(shè)計。當(dāng)前，單片機技術(shù)在智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)用開始增多，本文在避障系統(tǒng)中采用的主控芯片為STC89C52 單片機，小車行駛中的影像資料收集在LCD 顯示器上，對于障礙物的測距則采用超聲波技術(shù)，行駛速度和方向通過主控系統(tǒng)進行體現(xiàn)。本文設(shè)計的智能小車避障系統(tǒng)，小車在運行中可以將前方的障礙物及時辨識，在距離障礙物一定范圍時，做出減速和轉(zhuǎn)向等動作。

基于STC89C52 單片機的小車避障系統(tǒng)，能夠及時將小車運行情況進行顯示，在收集各種小車運行數(shù)據(jù)之后，根據(jù)小車距離障礙物的距離和角度，準(zhǔn)確的避開周圍障礙物，滿足直線行駛的要求。本文設(shè)計的智能小車避障系統(tǒng)基本組成為避障模塊、前進模塊、液晶顯示模塊、主控制模塊、轉(zhuǎn)彎控制電機以及底盤部件等部分。小車車體的智能結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 智能小車車體結(jié)構(gòu)圖

本文智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計采用的單片機為AT89S52，與該單片機配套設(shè)計了傳感器模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、伺服電機模塊以及時鐘模塊等，這些模塊對系統(tǒng)運行起到了關(guān)鍵性的作用。小車在軌跡路線上運行需要依靠傳感器模塊，前進、后退以及轉(zhuǎn)向等則是依靠伺服電機模塊。

2 智能小車避障系統(tǒng)硬件組成

2.1 驅(qū)動模塊的設(shè)計

小車的行駛通過電動來驅(qū)動，在方向的調(diào)配上則是采用電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，利用單片機能夠反映小車在行進中的路況信息。電機驅(qū)動電路是驅(qū)動模塊的重要內(nèi)容，本文選用H橋式驅(qū)動電路，運行方式為L298N 內(nèi)部集成式。小車啟動與速度的控制上則是采用L298N 電路PWM 信號進行調(diào)制，在運行中單片機能夠做出控制和指導(dǎo)。

2.2 避障系統(tǒng)主控制模塊

主控制模塊協(xié)同控制避障系統(tǒng)高效發(fā)揮作用，是系統(tǒng)運行的核心。本文的智能小車避障系統(tǒng)選用的主控制模塊為8 位控制器STC89C52 單片機，可以實現(xiàn)對不同模塊的整體指導(dǎo)。由于本次設(shè)計的避障系統(tǒng)采用的是超聲波- 光電接近開關(guān)避障方案，選用的STC89C52 單片機能夠有效手機并處理系統(tǒng)多種信號，對小車的運行過程進行綜合的指導(dǎo)，而在電機控制信號上則是利用P0 輸出，這樣可以保證避障系統(tǒng)功能模塊之間更好的協(xié)調(diào)。該模塊的外圍電路原理圖如圖2 所示。

圖2 避障系統(tǒng)主控制模塊外圍電路圖

2.3 優(yōu)化伺服電機模塊

為了保證小車在運行中路況信息的清晰化，本文采用的伺服電機為360°伺服舵機，這樣可以保證避障系統(tǒng)在運行中更好的掌握路況信息，獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)，從而對實況進行管理和控制。360°伺服舵機主要包含三條輸入線，分別是紅、黑、白，其中紅色主要與伺服機電源連接，黑色與伺服機接地連接，白色則是負(fù)責(zé)伺服機的信號。為了讓伺服電機模塊更好的實現(xiàn)對小車的控制，本文在伺服電機模塊中增加了一個基準(zhǔn)電路和比較器，這樣可以對小車的運行路線和路況進行微調(diào)，保證小車前進中的安全性和靈活性。該模塊的外圍電路原理圖如圖3 所示。

圖3 伺服電機模塊外圍電路原理圖

2.4 避障模塊的設(shè)計

智能小車避障系統(tǒng)的核心模塊為避障模塊，這也是小車行進中避免周圍障礙物的核心系統(tǒng)。本次避障過程采用HC-SR04 超聲波模塊，可以實現(xiàn)3-500cm 內(nèi)非接觸時的準(zhǔn)確測距，誤差范圍在2.5mm 之內(nèi)，運行效果較理想。避障模塊的使用既滿足了系統(tǒng)運行的需要，同時其抗干擾性較強，可實現(xiàn)精確的測距。本文的避障模塊構(gòu)成主要有超聲波發(fā)射器、控制電路和接收器三部分，小車在實際運行中，能夠主動的規(guī)避一些不能穿越的障礙物，自動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和掉頭，并根據(jù)系統(tǒng)提示，重新選擇新的路線。

2.5 循跡傳感器的設(shè)計

本模塊設(shè)計的主要作用為利用紅外線探測不同顏色前方物體，幫小車更好的規(guī)劃線路。原理為通過設(shè)置紅外傳感器，接受系統(tǒng)中不同的電平信號，優(yōu)化小車的運行。在設(shè)計中充分將循跡傳感器與伺服電機模塊進行了融合，利用QTI 傳感器探測小車前方反射光的強度，，最終得到前方物體的具體情況，將探測得出的數(shù)據(jù)輸出為不同的電平信號。循跡傳感器外圍電路原理圖如下圖4 所示。

圖4 循跡傳感器外圍電路圖

2.6 優(yōu)化小車循跡系統(tǒng)的設(shè)計

雖然循跡傳感器能夠檢測到各種不同顏色的物體，但是由于這些物體的反射規(guī)律不同，小車在運行中并不能完全快速避障。本文在避障系統(tǒng)設(shè)計中，對小車循跡系統(tǒng)進行了優(yōu)化，采用TCRT5000 型光電對管進行探測和循跡，小車在運行中自主的向前方發(fā)射紅外光，針對白色光的漫反射現(xiàn)象，在智能小車上安裝了接收管，能夠在第一時間內(nèi)接收反射光。在循跡系統(tǒng)設(shè)計完成之后，我們在小車上安裝了QTI 傳感器，對智能小車I/O口與QTI 傳感器進行了SIG 信號測試，系統(tǒng)能夠及時對不同顏色的物體進行檢測，避免小車在運行中出現(xiàn)各種錯誤。此外，在智能小車運行中，在傳感器的控制上，采用了兩級控制策略，可以快速接受傳感器信號，并對其處理。通過兩級控制的方法，智能小車的運行軌跡更加合理，對于出現(xiàn)的錯誤及時調(diào)整，從而提升了小車的循跡能力。

3 智能小車避障系統(tǒng)軟件組成

3.1 智能小車避障動作設(shè)計

在智能小車基本動作的設(shè)計張，要結(jié)合其車輪的轉(zhuǎn)動情況，優(yōu)化智能小車循跡系統(tǒng)。從左輪角度來看，小車行進可以采用逆時針轉(zhuǎn)動，在右輪設(shè)計中則是順時針旋轉(zhuǎn)。通過這樣的設(shè)計，可以及時判斷小車的行駛方向和速度，便于對其進行加速和減速控制與管理。本文將這一設(shè)計理念通過C 語言進行反饋，用right 和left 來表示，這樣就能完成小車的基本動作設(shè)計，提高避障系統(tǒng)的可操控性。

3.2 小車循跡功能的實現(xiàn)

對于智能小車避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計要集中在避障功能優(yōu)化上，可以建立QTI 傳感器循跡策略表，在循跡軟件設(shè)計中運用move 函數(shù)，這樣就能通過對避障數(shù)據(jù)的逐步優(yōu)化，讓小車在人工的控制下，實現(xiàn)避障。QTI 傳感器智能小車循跡策略圖如下表1 所示，這種策略同樣可以拓展到到避障系統(tǒng)的其它模塊中。

表1 QTI 傳感器循跡指導(dǎo)

結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)的智能小車在設(shè)計中忽視單片機的作用，沒有設(shè)置超聲波模塊，導(dǎo)致對前方物體檢測能力不強，小車易出現(xiàn)碰撞。為了解決上述問題，本次設(shè)計的智能小車避障系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件包含驅(qū)動模塊、優(yōu)化伺服電機模塊、設(shè)計循跡傳感器模塊等組成，軟件模塊則是利用C 語言和move 函數(shù)等對小車基本運行動作進行細(xì)微調(diào)整。在實際的測試中，小車運行狀態(tài)較為平穩(wěn)，通過對QTI 傳感器安裝高度的調(diào)整，小車不再出現(xiàn)抖動和無法循線的情況，規(guī)避前方障礙物的能力有較大的提升。