四輪小車自動避障系統(tǒng)設(shè)計

杜俊杰，胡思琪，伍馮潔，鄭振勤，鄧柏鋒

（1.廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣東 廣州 510006）

0 引 言

在四輪小車設(shè)計過程中，避障系統(tǒng)的設(shè)計是非常關(guān)鍵的一環(huán)[1]。精準(zhǔn)靈敏的避障系統(tǒng)將使小車實(shí)現(xiàn)快速無障礙的自主行走，而靈敏度低、誤差大的避障系統(tǒng)將導(dǎo)致小車在行進(jìn)過程中多走彎路、誤碰障礙物，甚至走進(jìn)某個死角，嚴(yán)重影響小車自主行走效果。目前，四輪小車避障功能一般采用1個或2個超聲波，或少量紅外線傳感器來實(shí)現(xiàn)[2]。由于單個超聲波的測距角度存在局限性，紅外傳感器又往往易受光線干擾，導(dǎo)致常規(guī)避障設(shè)計方法效果不理想，容易出現(xiàn)偏離預(yù)定軌跡、觸碰到障礙物、局部范圍兜圈等問題。

為解決四輪小車常用避障設(shè)計方法存在的不足之處，本文將超聲波、舵機(jī)與紅外線傳感器相結(jié)合，在四輪小車的頭部均勻分布2個由超聲波與舵機(jī)組成的模塊，在車體兩側(cè)分別安裝1個超聲波及1個紅外傳感器，通過綜合分析處理4個超聲波及2個紅外傳感器測量的結(jié)果，自動判斷小車運(yùn)動狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)其自主行走及自動避障。

1 避障系統(tǒng)原理

四輪小車的自動避障系統(tǒng)主要由超聲波傳感器、舵機(jī)與紅外傳感器組成[3]，其空間分布情況如圖1及圖2所示。如圖1所示，1號和2號點(diǎn)位各安裝一個由舵機(jī)與超聲波傳感器組成的模塊，主要負(fù)責(zé)小車前方障礙物的多角度檢測；3號和4號點(diǎn)位各安裝一個超聲波傳感器，負(fù)責(zé)檢測車體兩旁的障礙物，提高避障的能力。如圖2所示，5號和6號點(diǎn)位各安裝一個紅外傳感器，負(fù)責(zé)檢測圖1中1、2號點(diǎn)位超聲波模塊的盲區(qū)，其中5、6號點(diǎn)位位于車體底部，可有效減少光線對紅外傳感器檢測效果的影響。

圖1 超聲波傳感器分布情況

圖2 紅外傳感器布置情況

對于超聲波傳感器，其檢測到障礙物與車身的距離稱為障礙物距離d，當(dāng)障礙物距離小于一個閾值時，小車需要進(jìn)行避障操作，這個閾值稱為安全距離D，而對測量范圍較大的小車頭部區(qū)域，還通過引入舵機(jī)以實(shí)現(xiàn)多個角度a的超聲波障礙檢測[4]；同時設(shè)定1號與2號點(diǎn)位的超聲波模塊障礙物距離分別為d1與d2，安全距離為D1與D2，兩點(diǎn)位舵機(jī)每次轉(zhuǎn)動角度為a1與a2；3號與4號點(diǎn)位的超聲波模塊障礙物距離分別為d3與d4，安全距離為D3與D4。對于5號與6號點(diǎn)位處的紅外傳感器，其檢測的有效直線距離定義為n，在有效距離內(nèi)若有障礙物，小車也需要進(jìn)行避障操作。小車在行駛過程中，動態(tài)地分析超聲波和紅外傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)，計算出小車在遇到障礙物時需要轉(zhuǎn)動的角度值φ，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動避障[5]。

小車轉(zhuǎn)動角度值φ的具體計算過程如下，設(shè)φ初始值為0，“+”表示轉(zhuǎn)向右方向，“-”表示轉(zhuǎn)向左方向，有：

（1）1，2號位中，當(dāng)d＜D，表示障礙物過于靠近，此時小車停止，需要進(jìn)一步判斷d1與d2的數(shù)值。

（2）若d1＜D1，表示小車左邊有障礙物，則1，2號點(diǎn)位的舵機(jī)往右轉(zhuǎn)動a，兩側(cè)的超聲波重新獲取障礙物距離d1，d2，并再次與安全距離進(jìn)行比較；若d1＞D1并且d2＞D2，表示此時小車轉(zhuǎn)動φ度即可避開障礙物，用公式φ=+(a+φ)表示，而其他情況，記錄為φ=φ+a，并重新執(zhí)行步驟（2），直到計算出轉(zhuǎn)彎角度；當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度到達(dá)上限時，則默認(rèn)φ=+90°。

（3）同理，若d2＜D2，表示小車右邊有障礙物，則1，2號點(diǎn)位的舵機(jī)往左轉(zhuǎn)動a，重復(fù)步驟（2），最后得到小車車身向左轉(zhuǎn)φ的角度值。

（4）5，6號位中，紅外傳感器主要用于檢測底部超聲波的盲區(qū)，從而保護(hù)車體底盤的安全，所以當(dāng)在有效距離內(nèi)檢測到障礙物時，則默認(rèn)小車轉(zhuǎn)動角度φ=+30°。

（5）3，4號位中，車身兩側(cè)的超聲波模塊主要用于檢測小車轉(zhuǎn)彎時兩旁的障礙物，其轉(zhuǎn)彎的角度默認(rèn)為φ=±30°。

2 避障電路設(shè)計

小車在行進(jìn)過程中需要不斷地檢測所有傳感器的狀態(tài)，并對傳感器反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后形成有效的避障方案。為了提高小車避障的靈敏度和準(zhǔn)確性，本文選用STM32F407VGT6型32位ARM芯片作為避障系統(tǒng)的微控制器，并以該單片機(jī)為核心進(jìn)行避障系統(tǒng)控制單元及外圍電路、傳感器接口模塊、舵機(jī)接口模塊及工作狀態(tài)指示等電路的設(shè)計[6]。超聲波、紅外線傳感器及舵機(jī)接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 避障系統(tǒng)接口電路設(shè)計

如圖3所示，小車的1～4號超聲波傳感器均包含TRIG、ECHO、VCC和GND 4個引腳。其中這 4個超聲波的VCC、GND由STM32單片機(jī)統(tǒng)一供電，分別與STM32的3.3 V、GND相連，而1～4號超聲波的TRIG、ECHO引 腳 則 分 別 與 STM32的 PB5-PB6、PB8-PB9、PC8-PC9、PD14-PD15引腳相連。當(dāng)小車在行進(jìn)過程遇到障礙物時，先由單片機(jī)發(fā)出44 μs的TTL觸發(fā)信號，然后超聲波的TRIG連續(xù)發(fā)送8個40 kHz方波，并檢測是否有信號返回，當(dāng)有信號返回時，超聲波ECHO給出一個高電平。超聲波從發(fā)射到返回的時間即是高電平持續(xù)的時間，那么超聲波測距的距離=（高電平時間×聲速（340 m/s））/2。

對于5、6號紅外線傳感器，其輸出端口OUT分別與STM32的PC6、PC7引腳連接，VCC、GND分別與STM32的3.3 V、GND相連。小車在行進(jìn)過程中，當(dāng)5號或6號紅外傳感器檢測到前方障礙物信號時，相對應(yīng)的OUT端口將持續(xù)輸出低電平信號。STM32單片機(jī)通過電平檢測來判斷前方是否有障礙物。當(dāng)PC6或PC7引腳為低電平時，表示小車前方遇到障礙物；反之，當(dāng)PC6及PC7引腳為高電平時，小車前方不存在障礙物。

對于1，2號舵機(jī)，其PWM端口分別與STM32的PA6、PA7引腳連接，VCC、GND分別與單片機(jī)供電電源5 V、GND相連。STM32單片機(jī)通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來控制1，2號舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，其對應(yīng)控制關(guān)系為：0.5 ms-0°，1.0 ms-45°，1.5 ms-90°，2.0 ms-135°，2.5 ms-180°。小車在行進(jìn)過程中，通過控制1，2號舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，來實(shí)現(xiàn)1，2號超聲波角度轉(zhuǎn)動的控制，從而實(shí)現(xiàn)小車前方寬角度、實(shí)時性的障礙檢測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在小車避障系統(tǒng)設(shè)計中，通過STM32單片機(jī)采集1～4號超聲波及5～6號紅外傳感器的測量數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計算出小車的最佳轉(zhuǎn)彎角度，使小車在行進(jìn)過程中及時、準(zhǔn)確地避開障礙物[7-9]，系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

如圖4所示，在系統(tǒng)初始化完成后[10]，小車開始行進(jìn)，1～4號超聲波及5～6號紅外傳感器發(fā)出障礙物檢測信號。當(dāng)1，2號超聲波檢測到安全距離內(nèi)有障礙物時，即把該障礙物的距離返回給STM32單片機(jī)，單片機(jī)收到距離數(shù)據(jù)后給小車發(fā)送停止前進(jìn)命令，同時通過調(diào)節(jié)PWM多次控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)1，2號超聲波的多角度掃描，從而得到小車合適的轉(zhuǎn)彎角度。在小車轉(zhuǎn)彎過程中，利用小車兩側(cè)的3，4號超聲波檢測障礙物是否在安全距離外，當(dāng)障礙物在安全距離內(nèi)時，需及時給單片機(jī)反饋信息調(diào)整合適的轉(zhuǎn)彎角度，以防止因轉(zhuǎn)彎角度不精確而導(dǎo)致撞到障礙物。此外，利用5，6號紅外傳感器對前方低處的障礙物進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到障礙物處于安全距離內(nèi)時，將及時通知單片機(jī)控制小車停止前進(jìn)或轉(zhuǎn)動合適的角度，以避免低處的障礙物與小車底盤相撞。

圖4 系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

該四輪避障小車設(shè)計完成后，通過以下方法進(jìn)行避障參數(shù)及避障效果的測試，測試過程如下：

（1）在小車的正前方20 cm處放置3個障礙物，左右兩邊20 cm處各放置一個障礙物；

（2）設(shè)定小車1，2號點(diǎn)位超聲波的安全距離D1，D2為15 cm，舵機(jī)初始角度都對準(zhǔn)正前方，且每次轉(zhuǎn)動角度為5°；

（3）設(shè)定小車3，4號點(diǎn)位超聲波的安全距離D3與D4為15 cm，5，6號點(diǎn)位紅外傳感器的安全距離x5與x6為5 cm；

（4）所有傳感器與舵機(jī)參數(shù)設(shè)置完成后，小車開始行走，記錄小車成功壁開的障礙物數(shù)；

（5）調(diào)整傳感器與舵機(jī)參數(shù)，對于D1～D4，x5與x6，每次測試的增量都為1 cm，舵機(jī)每次轉(zhuǎn)動角度的增量為1度，再重復(fù)步驟（4）。

在以上測試過程中，以避開的障礙物數(shù)作為參考值，避開的障礙物越多，說明該組參數(shù)越好。在得到一組較好的數(shù)據(jù)后，再改變障礙物的距離重新測試。通過多次的測試，最終得到D1，D2各為20 cm，D3，D4各為15 cm，舵機(jī)每次轉(zhuǎn)動角度為5°，x5與x6各為10 cm的效果最好。

在此將該四輪小車應(yīng)用在本校電信專業(yè)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中，2017—2019年間，電信16級、17級及18級共9個班級（每屆3個班），合計約400學(xué)生使用該小車開展STM32單片機(jī)進(jìn)行綜合性、設(shè)計性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。按照本文的設(shè)計方法，97%以上學(xué)生能順利完成四輪避障小車的制作與程序設(shè)計，92%以上學(xué)生的設(shè)計能獲得較好的避障效果。該實(shí)踐調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的積極性與主動性，較好地滿足了不同層次學(xué)生的單片機(jī)課程學(xué)習(xí)需要，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果。

5 結(jié) 語

本文基于STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多種傳感器有效的協(xié)同工作，對其傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分析與計算，實(shí)現(xiàn)了四輪小車寬角度有效避障。該設(shè)計彌補(bǔ)了單個超聲波測距角度有限及紅外傳感器往往易受光線干擾等不足，對四輪小車在行進(jìn)過程中偏離預(yù)定軌跡、觸碰到障礙物、局部范圍兜圈等問題提供了一種有效的解決方案。