循跡避障智能小車設(shè)計及分析

中圖分類號：U462.1 收稿日期：2025-04-12 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.011

Design and Analysis of Smart Cars for Obstacle Avoidance

Qiu Chenxi Fuzhou Polytechnic Institute of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China

Abstract：Inordertodesignacarthatcandriveautonomously，sensetheenvironmentandavoidobstacles，thispaperprovidesa hardware modelandsoftwarealgorithm.Thesensormeasurement module，controlermoduleandelectricdrivemoduleareadopted， andtheinfraredlightcontroltubeisusedtomeasureandidentifythepathofthebarier-freeblackline，andtesteeigoftheelectric vehicleiseguatedwithorwithoutightreception，soastochievethefunctioofutomatictrackingpositioniformatio.Thisdesign canrealiethefunctionofautomaticrackingpositioninformation，andhashighreliabilityItprovidesanewideaandmetodfortere search of intelligent vehicle for tracking obstacle avoidance.

Keywords：Line following;Obstacle avoidance;Smart car;Microcontroller;Sensor;Module

1前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進展，有關(guān)人工智能的問題正日益被人重視。智能小車在社會各個領(lǐng)域中具有廣泛的使用前景，它能在惡劣條件下代替人們進行物品搬運和儀器檢查等工作。對于智能小車而言，其在選擇的道路上合理行駛并避免與其他車輛碰撞至關(guān)重要。因此，對智能小車的循跡避障系統(tǒng)進行設(shè)計與研究變得非常重要。

目前，智能車輛已應(yīng)用于工業(yè)、軍隊國防建設(shè)、物流運輸?shù)刃袠I(yè)和民眾的生活中。李成勇等1使用擁有高性能STM32F427單片機的OpenMV（機器視覺模塊）作為MCU（微程序控制器），設(shè)計了一輛基于機器視覺的循跡避障智能小車系統(tǒng)，能夠從標(biāo)記的指定位置出發(fā)，迅速找尋規(guī)定場內(nèi)隨機點亮的信號表示燈。楊瑞東等[2]基于Android系統(tǒng)設(shè)計了一款智能循跡避障小車用于研究無人駕駛。

基于以上背景，本文主要研究設(shè)計一款采用STC89C52系列微機控制系統(tǒng)的智能小車，其核心功能（自主循跡與避障）是自動化導(dǎo)引運輸車（AutomatedGuidedVehicle，AGV）、服務(wù)機器人等專用移動平臺的基礎(chǔ)。該小車可應(yīng)用于倉儲物流（沿地標(biāo)線搬運）生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運及醫(yī)院/餐廳（室內(nèi)避障）等場景，為開發(fā)低成本、高可靠的專用平臺提供技術(shù)路徑與原型驗證[3]。

2總體方案選擇

智能小車采用STC89C52單片機作為控制芯片，在其硬件配置中包括紅外傳感器循跡模塊、自動導(dǎo)引循跡功能和避障功能。為了保證小車能夠有效地進行循跡，并減少外部光線對其的干擾，采取了一系列機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先，在小車底盤上安置了道路檢測電路板和紅外傳感器，以確保循跡功能的正常運行。同時，在小車的左前部放置了循跡模塊，而在右前部則安裝了超聲波探測與定位系統(tǒng)。為了保持小車的平衡度，將單片機控制板置于小車的正前方。此外，還將直流電機和電源模塊放置在車輛的中部位置，以方便控制和有效控制小車的電源。要盡量保持這些組件在一條豎線上的布局，以便既能減小小車轉(zhuǎn)彎時的慣性，也能增強其穩(wěn)定性。圖1為該智能小車的系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。

圖1小車的總體框架設(shè)計圖

在硬件設(shè)計中，選用STC89C52單片式微型計算機，這是一種CMOS（ComplementaryMetal OxideSemi-conductor）架構(gòu)的八位微控制器，具備低功耗和高性能的特點。該微控制器內(nèi)置了8KB的可編程Flash存儲器，并且通過8個靈巧的CPU以及在系統(tǒng)內(nèi)的可編程Flash存儲器，賦予STC89C52在許多嵌入式控制應(yīng)用操作系統(tǒng)中更高的靈活性。

2.1驅(qū)動模塊選擇

L298N是一種簡便的電動機控制器，不需要進行電路隔離。通過利用單片機的輸入/輸出接口，改變芯片輸入端的電平，可以輕松地實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)和停止操作。這種控制方式非常便捷，同時也能夠滿足直流減速電動機對于高輸出電壓的需求。在運行后對應(yīng)程序表用程序輸人相應(yīng)的代碼值，就可以完成相應(yīng)的操作，調(diào)試通過。

2.1.1PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速原理

PWM直流調(diào)速原理，即為保持脈沖電壓頻率恒定，通過改變脈沖寬度（導(dǎo)通時間）調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。由于電機具有慣性，其電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)平滑。施加高頻PWM電壓序列時，其平均效果等效于直流電壓，脈寬變化即對應(yīng)電壓變化，如圖2所示。脈沖寬度的調(diào)節(jié)可以導(dǎo)致電壓的變化。

圖2PWM等效圖示意圖

2.2循跡方案選擇

使用兩個紅外線接收器接受紅外線探測到的黑色軌跡，實現(xiàn)轉(zhuǎn)大小彎，直角（因為直角處軌跡寬度超過了探測器的寬度，所以需要一些額外處理），但是無法通過銳角。

在彎道處，車輛應(yīng)將直行速度控制在彎道的安全速度上限值以下以防止車輛沖出曲線。當(dāng)彎道剛結(jié)束時，小車保持直行暫不加速，之后小車在設(shè)定時間內(nèi)加速至最高速度，以提升車輛的平均速度。持續(xù)記錄上一個轉(zhuǎn)向狀態(tài)，當(dāng)傳感器全為黑色時執(zhí)行保存的轉(zhuǎn)向操作，以成功通過直角彎道。利用STC89C52中的定時器輸入捕獲功能對速度脈沖信號進行處理，從而準(zhǔn)確計算車輛的行駛速度[4]。

slow%指一個小于 100% 的百分比數(shù)值，表示彎道時的安全速度。

串口通信程序：小車硬件平臺預(yù)留一個串口通信接□，通過STC89C52的串口可以方便地與其他串行接口設(shè)備進行無線通信和數(shù)據(jù)傳輸。

方案一：采用簡易的光電傳感器以及相應(yīng)的外圍線路檢測設(shè)備，然而實際效果卻明顯不如人意。此外，該系統(tǒng)對車輛行車時的地面穩(wěn)定性要求相當(dāng)高，而且存在較大的錯誤概率，其受光照條件和周圍道路介質(zhì)的干擾影響也極易發(fā)生故障。在安裝過程中，頻繁出現(xiàn)錯誤的現(xiàn)象十分普遍，甚至可能因某些組件缺陷而導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法達到平衡狀態(tài)。因此，這一方案最終沒被選擇。

方案二：使用兩個紅外線對管，將它們放置在小車機身內(nèi)導(dǎo)軌的兩端。利用兩個光電子開關(guān)與白線和黑條紋接觸的情況，來實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向和車向調(diào)節(jié)。經(jīng)過測試，只需要正確設(shè)置兩個光電子接近位置的情況，就可以有效地實現(xiàn)循跡的控制。

方案三：當(dāng)使用三只紅外傳感器，即一只放在黑色軌跡線中央，兩只放在黑色軌跡線外邊，當(dāng)小車離開黑色軌跡線后，或當(dāng)置于中央的一個電光開關(guān)脫離黑色軌跡線后，或在最外邊的另一個探測到黑線時，則通過控制左右輪速度差來轉(zhuǎn)動車身，調(diào)整車身方向，直至在中央的光電接近開關(guān)再次探測到黑線時。而實踐證明，由于三個紅外傳感器小車在尋跡進程中，雖然能找回軌道，但左右搖擺現(xiàn)象過于明顯，同時容易翻車，故采用方案二。

2.3避障方案選擇

將紅外傳感器循跡模塊與超聲波相結(jié)合，并通過軟件編程實現(xiàn)，智能小車能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：在超聲波探測到障礙物時，小車會停止前進；若超聲波未探測到任何障礙物，則會依據(jù)紅外傳感器循跡模塊所探測到的軌跡繼續(xù)前進。這種配置使智能小車具備了避障和循跡的能力。這樣的設(shè)計方案展示了將紅外傳感器和超聲波相結(jié)合的可行性，并且通過軟件編程有效地實現(xiàn)了所需功能[5-6]。

方案一：使用一個紅外對管放在車輛中部，它設(shè)置簡單，并且能夠偵測到障礙物的存在，但是難以確定小汽車在水平方位上是否會和障礙物碰撞，也無法使小汽車作出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。

方案二：將兩根紅外傳感器分別放置于車輛的前部兩側(cè)，與車輛行進的方向平行，以實現(xiàn)對車輛與障礙物相對位置和方向的精確判斷與準(zhǔn)確響應(yīng)。這種方法主要依賴于硬件設(shè)備，成本相對較高，且缺乏創(chuàng)新性，同時車輛左側(cè)的紅外傳感器的應(yīng)用潛力也極為有限，因此并未得到實際的應(yīng)用。

方案三：選擇一個紅外對管并放在車輛右側(cè)，通過測試，這個方法就可以很好地實現(xiàn)車輛躲避障礙物，并充分地利用資源而不會浪費，所以采用方案三。

3硬件設(shè)計與說明

3.1小車的硬件分配

本系統(tǒng)的小車硬件主要包括兩個部分，一部分是機械設(shè)計，一部分是電路設(shè)計。機械設(shè)計主要是對小車的機械部分進行選件和裝配；電路設(shè)計指的是對核心單片機以及復(fù)位工作模式、晶振頻率、感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、電源控制模塊、驅(qū)動系統(tǒng)等加以介紹。

3.1.1機械部分材料清單

材料清單分為：電動機芯裝配材料清單、小車裝配清單與電路板硬件材料清單。

a.電動機芯裝配材料清單如表1所示。

表1電動機芯裝配材料清單

b.小車裝配清單如表2所示。c.電路板硬件材料清單如表3所示。

3.2循跡 + 避障模塊

小車循跡模塊采用TCRT5000紅外反射傳感器，集成紅外發(fā)射管與光電晶體管。工作原理：發(fā)射紅外光，白面漫反射使接收管導(dǎo)通輸出低電平；黑線吸收致反射微弱，輸出高電平。典型探測距離為 2.5～25mm （本設(shè)計安裝高度 5～10mm ），響應(yīng)時間約為 15μs 。輸出信號經(jīng)LM324比較器整形為數(shù)字電平，增強抗干擾能力與狀態(tài)判別可靠性7]。相關(guān)的實物如圖3、圖4所示。

3.3控制模塊

本設(shè)計的主控模塊是以嵌入式數(shù)字單片機為內(nèi)核，并使用了STC89C52型單片機芯片。它具備了體積較小、低功耗、效率高、抗干擾能力較強且售價相對低廉等優(yōu)勢，并使用了DIP40的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式[8]。另外還在智能小車的底板上安裝了相應(yīng)的單片機存儲器接口，以便在用戶燒錄程序時插拔單片機。

表2小車裝配清單

表3電路板硬件材料清單

確保其運行的安全性與穩(wěn)定性。L298N芯片既能夠?qū)﹄妱訖C實現(xiàn)直接控制，并利用主要控制器芯片的I/O輸入對其調(diào)節(jié)電平加以設(shè)置，同樣也能為電動機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)或逆向控制驅(qū)動，操作簡便、穩(wěn)定性好，也能夠適應(yīng)直流電機的大電壓驅(qū)動要求9，且一個L298N芯片能夠同一時間分別操控二臺直流電機，作為電源驅(qū)動模塊，該芯片的操作簡便，同時具備卓越的性能與良好的穩(wěn)定性。電機實物如圖5所示。

圖5超聲波和紅外對管實物圖

3.5電源模塊

圖3小車上的循跡紅外對管實物圖

采用電池組提供，并使用2支 1.5V 電池雙電源，分別提供給單片機STC89C52與電機，讓小車都能夠?qū)崿F(xiàn)其功能，且電池電量比較足，也可以充電以便重復(fù)利用，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求。電池實物如圖6所示。

圖4超聲波和紅外對管實物圖

3.4電機驅(qū)動模塊

在電機方面，本小車主要使用直流電機，而針對直流電機使用分立元件構(gòu)成的控制回路，構(gòu)造簡便，且價格相對低廉，在實際使用中運用普遍。不過這個電路結(jié)構(gòu)在工作時的性能并不穩(wěn)定，所以本文采用了智能小車專用的L298N芯片作為小車的電機驅(qū)動芯片。L298N芯片是一種能夠承受較高電壓的電機驅(qū)動芯片，由直流電機和步進電機均能夠驅(qū)動。每一個驅(qū)動器電芯都能夠同步操控兩臺直流減速電機的各種運動特性，使其在電流范圍從6～46V內(nèi)提供最大2A輸出電流的能力。此外，這兩臺電機還具備過熱自斷和反饋檢測功能，以

圖6小車上的電源模塊實物圖

4軟件設(shè)計與說明

4.1系統(tǒng)軟件流程

具體的電循跡避障流程如圖7所示。

小車在行進過程中的避障決策如圖8所示。

4.2系統(tǒng)程序

循跡避障程序如下：//#include//#include//包含52單片機頭文件，內(nèi)部有各種寄存器定義。#include //包含HJ-4WD藍牙智能小車驅(qū)動IO口定義等函數(shù)。

//主函數(shù)

圖7循跡避障流程圖

圖8小車在行進過程中的避障決策示意圖

void main（void）

{

Unsigned char i;

P₁=0×00 ；/小車停止。T_MOD=0×01 ·

T_H0=0×F_c;//1ms 定時。T_L0=0×18

T_R0=1

E_T0=1 ·

E_A=1

while（1）//無限循環(huán)。{//白線有信號為0，黑線沒有信號為1，amp;amp;與運算，2

個條件同時成立才有。if（Left_X_led == 0amp;amp;Right_X_led ==0 ）//當(dāng)左右傳感

器同時在白線上。run;/調(diào)用小車前進函數(shù)，小車往前走。//delay（20）；Else{if（Left_X_led 1amp;amp;Right_X_led ==0 ）//L左邊檢測

到黑線。廣leftrun;//調(diào)用左轉(zhuǎn)函數(shù)。}if（Left_X_led ==（ 0amp;amp;Right_X_led ==1 ）//R右邊檢測

到黑線{rightrun;//調(diào)右函數(shù)}}//避障簡單算法。if（Left_B_led == 0amp;amp;Right_B_led 1==0 //兩個傳感器

同時檢測到物體時。{stop;//調(diào)用停止函數(shù)delay（10）；}}}

4.3軟件算法與硬件協(xié)同

軟件算法通過輪詢讀取連接在單片機I/O口上的左右兩個TCRT5000傳感器的數(shù)字輸出狀態(tài)（Left_led，Right_led）。其核心控制邏輯（如3.2節(jié)主程序所示）是一個基于狀態(tài)機的決策樹：

（0，0）：表示雙白線，小車直行。

（1，0）：表示左黑右白，小車左轉(zhuǎn)。

（0，1）：表示左白右黑，小車右轉(zhuǎn)。

硬件（傳感器 + 比較器）負責(zé)精確感知路徑信息并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，軟件（單片機程序）則根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則解析這些信號，生成相應(yīng)PWM控制指令（通過L298N驅(qū)動模塊）調(diào)節(jié)左右電機轉(zhuǎn)速差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向調(diào)控。這種“感知-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)協(xié)同機制是實現(xiàn)穩(wěn)定循跡的關(guān)鍵。

4.4系統(tǒng)測試過程

該小車具有循跡避障能力，它可按照當(dāng)?shù)氐暮谏窂叫凶咄瓿裳E操作，還可探測到鐵軌二端的擋板，并順著擋板行走，完成檢測定位操作。尋跡避障小車軌道示意圖說明：鐵軌主要由循跡部門（黑線）和避障部門（路線二側(cè)加擋板）兩部門構(gòu)成，車輛首先駛?cè)胙E鐵軌，沿黑線行進，在兩個部門連接的探測與定位鐵軌則沿擋板行進，并以此進行尋跡與探測定位能力的展示[10]。小車的循跡和避障示意如圖9、圖10所示。

圖9小車的循跡示意圖

圖10小車的避障示意圖

4.5系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

簡單場景下的小車循跡功能測試在室內(nèi)的循跡地圖上進行，小車循跡功能測試結(jié)果具體如圖11所示，結(jié)果表明，小車可以根據(jù)預(yù)期進行探測定位動作完成循跡功能。

圖11小車循跡功能測試

簡單場景下的小車避障功能測試在室內(nèi)進行，選定墻壁和門作為障礙物。測試過程中小車都能快速識別障礙物并進行自動轉(zhuǎn)向重新規(guī)劃路徑，小車避障功能測試結(jié)果具體如圖12所示，結(jié)果表明，該小車能在較高車速下實現(xiàn)避障功能，且穩(wěn)定性高。

5結(jié)語

本文詳細介紹一個基于單片微型計算機和傳感器基本原理的系統(tǒng)總體設(shè)計。該設(shè)計采用STC89C52單片微型計算機作為主控制芯片，并搭配L298N芯片和12V直流電機作為主要驅(qū)動元器件。通過軟件編程使小車功能模塊化，具備反應(yīng)敏捷的循跡避障能力。經(jīng)過對小車循跡避障的測試結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)該小車能夠出色地實現(xiàn)預(yù)期的避障循跡功能，并表現(xiàn)出出色的動作響應(yīng)靈敏性和操作穩(wěn)定性。

圖12小車避障功能測試

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