楊久春 徐愷 朱雙鋒 徐彥偉 李德勝 邱明

【摘要】本文介紹了一種接近覺智能小車，該智能小車基于接近覺和STC89C52CR微處理器，采用模塊化設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建平臺和維修，測量精度高，可靠性好。該智能小車能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、被動控制、自動循跡、自動避障、測速、調(diào)速、速度顯示、無線藍牙通訊等功能，既能實現(xiàn)自動控制巡航，若用相關(guān)通信系統(tǒng)又可完成人工在線控制的功能。另外，對智能小車的超聲波測距進行了溫度補償，有利于提高測距精度。接近覺智能小車的研制有助于研究以智能小車為模型的自動化駕駛技術(shù)，對智能車輛的研制與開發(fā)、現(xiàn)代化交通工具的智能化、多功能化發(fā)展提供了一個可行的參考方案。

【關(guān)鍵詞】智能小車;循跡避障;無線通訊;溫度補償

Design of the Proximate Sensor Intelligent Automobile

Abstract：In this paper，the author introduces a design of the Proximate Sensor Intelligent Automobile，which is based on single chip microcomputer of STC89C52CR and Proximate Sensor.The intelligent car system adopts modular control，which has simple structure，high accuracy and good reliability and is also easy to build and repair.The intelligent car has the functions of automatic control，passive control，automatic tracking，automatic obstacle avoidance，speed measurement，speed adjust，speed display，Bluetooth wireless communication and so on.The intelligent vehicle can realize the automatic control of the cruise，and it can also complete function of artificial online control，if the related communication system is used.In addition，the ultrasonic ranging on intelligent car for the temperature compensation is conducive to improve the ranging accuracy.The research of Proximate Sensor Intelligent car is helpful for the development of the Automatic driving technology，which is based on the intelligent vehicle，and also provides a feasible reference plan for the development of the intelligent vehicle research，the modern intelligent transportation，and multifunctional.

Key words：Intelligent Automobile;Obstacle Avoidance by Tracing;Wireless Communication;Temperature Compensation

1.引言

近年來，智能自動化的發(fā)展已經(jīng)遍及到機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等各個領(lǐng)域，發(fā)展速度迅猛，越來越多的國家把智能自動化的發(fā)展擺在了國家性戰(zhàn)略的高度?，F(xiàn)在，隨著隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外對各種小型智能系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，種類也越來越多。

智能小車又稱輪式移動機器人，由于在軍事偵察、反恐、防爆、防核化及污染等危險與惡劣環(huán)境作業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景，具有體積小、成本低、生存能力強等特點，智能小車得到了飛速發(fā)展[1]，被廣泛用于國防軍事、航天航空、安全防護、工業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，其中“玉兔號”月球小車就是其眾多領(lǐng)域的一個應(yīng)用特例。智能小車的研究對于自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等智能化器械的設(shè)計都具有一定的參考意義。同時，智能小車還可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國高端玩具技術(shù)的提高進行一定的彌補。智能小車形式多樣，控制方法多變，創(chuàng)新性強，因此在電子競賽和科技創(chuàng)新方面一直受到熱捧，每年的“飛思卡爾”智能小車比賽也備受關(guān)注。

本文以智能小車的手動控制、自動控制、自動循跡、自動避障、測速、調(diào)速、速度顯示、無線藍牙通訊等功能方面進行相關(guān)研究，重點研究了智能小車超聲波模塊在測距時，溫度對波速的影響，進行了溫度補償，以達到精確測距的目的。

2.總體方案設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

（1）智能小車行駛過程中，利用車體下方的紅外對管對黑線檢測跟蹤，利用超聲波模塊對前方路況進行檢測避障;

（2）當智能小車距障礙物小于30cm時，智能小車自動左轉(zhuǎn)且在轉(zhuǎn)彎運動中，加速前進;

（3）當智能小車左轉(zhuǎn)后，向前行駛15cm，智能小車右轉(zhuǎn)，然后繼續(xù)利用車體下方的紅外對管以黑線為目標進行檢測、跟蹤。

2.2 實現(xiàn)的基本功能

制作的智能小車具有手動控制和無線藍牙控制兩種模式，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）智能循跡：通過車體下方的紅外對管對黑線進行檢測，實現(xiàn)尋跡功能保證智能小車沿著黑線行駛;

（2）超聲避障：通過超聲波傳感器實現(xiàn)測距和自動避障功能，障礙物在規(guī)定的距離內(nèi)，蜂鳴器產(chǎn)生報警;

（3）測速與調(diào)速、速度顯示：通過輪子處測速碼盤實現(xiàn)測速，在行駛過程中實時檢測并顯示車速，通過單片機編程，產(chǎn)生PWM 控制信號，通過L298控制電機的轉(zhuǎn)速;

（4）無線藍牙通訊：通過通信協(xié)議，利用手機藍牙對智能小車進行手動控制;

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線遙控智能小車分為：手持設(shè)備、自身車體兩部分[2]。根據(jù)設(shè)計要求，為了便于調(diào)試和改進，采用模塊化設(shè)計。其中，手持設(shè)備使用無線藍牙通信模塊，利用藍牙手機進行控制;自身車體部分分為：車體機械系統(tǒng)模塊、電池模塊、電機驅(qū)動模塊、主控系統(tǒng)模塊、自動循跡模塊、自動避障模塊、測速與調(diào)速模塊、顯示模塊等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

智能小車采用四輪驅(qū)動，每個輪子各用一個直流電機驅(qū)動，通過控制四個輪子的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的。例如，智能小車右轉(zhuǎn)時，前輪的右輪反轉(zhuǎn)，左輪正轉(zhuǎn);智能小車左轉(zhuǎn)時，前輪的左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)，以此達到轉(zhuǎn)向的目的。車頭下方根據(jù)需要選取紅外對管的個數(shù)，本智能小車裝有四個紅外對管傳感器。當智能小車檢測黑線較細時，只需兩路紅外對管即可，其系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。

3.硬件設(shè)計

3.1 車體構(gòu)架設(shè)計

有很多專業(yè)電子公司提供專門的智能小車開發(fā)的成品車架，它們具有易于控制、工作可靠、價格低廉、裝配緊湊、外形美觀、電路安裝方便等優(yōu)點，為了節(jié)約成本，直接購買的一個成品車架，組裝成用于自動避障智能小車。

3.2 電機驅(qū)動模塊

3.2.1 驅(qū)動電源

采用充電電池提供電源，本方案采用6支1.2V鎳氫充電電池，提供7.2V左右的電壓，為電機驅(qū)動提供能源動力。其他芯片只需采用+5v的工作電壓采用降壓芯片即可。

3.2.2 電機驅(qū)動原理

電機驅(qū)動采用L298N芯片，供電電源為+5V標準電壓，驅(qū)動電路有4個輸入端與4個輸出端，每臺電機由2個輸出端控制[3]。單片機口輸出控制信號，通過驅(qū)動電路連接到電機，實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

電機伺服電路采用L298N專用電機驅(qū)動芯片，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，通過單片機對L298N電路提供PWM信號來控制智能小車的速度（包括起、停）。電機驅(qū)動芯片L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其OUTI、OUT2和OUT3、OUT之間分別接2個電動機。5、7、10、12腳接MCU的PAUl，輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，利用單片機產(chǎn)生PWM信號接到ENA和ENB端子，對電機的轉(zhuǎn)速進行控制。而直流電機由于其轉(zhuǎn)動力矩小、速度較為均勻、重量輕、機械強度高，使用操作簡單方便等特點，通常在智能車設(shè)計過程中得到較為廣泛的應(yīng)用。電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼和電機驅(qū)動原理圖分別如表1、圖2所示。

表1 電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼

左電機 右電機 左電機 右電機 智能小車運行狀態(tài)

IN1 IN2 IN3 IN4

1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行

1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)

1 0 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)

0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)

1 1 1 0 停 正轉(zhuǎn) 以右電機為中心原地左轉(zhuǎn)

0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退

圖2 電機驅(qū)動原理圖

3.3 主控模塊

3.3.1 概述

主控制電路是以STC89C52CR單片機控制核心，完成傳感器轉(zhuǎn)換電路信號的接收、路況和車速信息處理以及智能小車運動速度、方向控制等功能。

3.3.2 微處理器

本智能小車采用STC89C52CR單片機。該單片機選用超低功耗、抗干擾能力強、低電磁輻射和超低價的8位單片機STC89C52RC[4]。該單片機與8051單片機兼容，正常工作模式下典型功耗為4～7mA，內(nèi)置8K的Flash程序存儲器、512B的RAM和2K的E2PROM，內(nèi)部有3個定時器/計數(shù)器，可進行8、13、16位的定時/計數(shù)，寬工作電壓（3.4～6V），內(nèi)部看門狗電路自動執(zhí)行，可省去外部電路，支持匯編語言和C語言編程。

3.4 自動循跡模塊

3.4.1 循跡模塊原理

紅外對管由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成。當智能小車沿著規(guī)定的軌道行駛時，紅外線發(fā)射管發(fā)出紅外線，處于底端的紅外接收管接收紅外線。智能小車行駛在黑色路徑時，由紅外發(fā)射管發(fā)出的信號大部分被吸收，導致紅外接收管接收不到紅外線信號而斷開，使得STC89C52RC單片機的輸出端口為高電平。當智能小車行駛出黑色路徑的時候，紅外接收管能接收到發(fā)射管發(fā)出的紅外線信號，紅外接收管導通，對應(yīng)的單片機端口為低電平。通過發(fā)射管和接收管之間紅外線信號的對接，實現(xiàn)對電路的控制，紅外對管的紅外發(fā)射部分和接收部分分別如圖3、圖4所示。

圖3 紅外對管的發(fā)射電路原理圖

圖4 紅外對管的接收電路原理圖

3.4.2 循跡模塊的選擇

循跡模塊為智能小車、機器人等自動化機械裝置提供一種多用途的紅外線探測系統(tǒng)的解決方案。該模塊使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，并使用LM339電壓比較器（加入遲滯電路），防止臨界輸出抖動作為核心器件構(gòu)成中控電路。此系統(tǒng)具有的多種探測功能，可以極大的滿足各種自動化、智能化的微型系統(tǒng)的應(yīng)用。

該模塊4路分別獨立工作，工作時不受數(shù)量限制，中控板與探頭分開，安裝位置不受限制，模塊高度≤4cm，安全工作電壓范圍在4V～6V，4路全開工作電流范圍30mA～40mA。

3.4.3 靈敏度調(diào)試

靈敏度根據(jù)四路尋跡的電位器進行調(diào)節(jié)（以適合其環(huán)境，主要是光線明暗的影響），具體調(diào)試方法：首先，手持智能小車離地，左右晃動，當從左到右第一對紅外對管離開黑線時，中控板指示D3燈應(yīng)會亮。當紅外對管進入黑線時，中控板指示D3紅燈應(yīng)會滅，調(diào)節(jié)中控板R17使其工作在上述狀態(tài)。然后，調(diào)節(jié)其它三對探頭，使整個智能小車正常工作。

3.5 自動避障模塊

3.5.1 超聲波避障原理

避障模塊采用超聲波避障，其基本原理是通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)射一束超聲波，在遇到障礙物時反射回來后，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差與超聲波的速度，可以計算與障礙物的距離。超聲波檢測障礙物具有精度高，反映靈敏，受外界干擾小，計算簡單、易于做到實時控制等優(yōu)點。

3.5.2 超聲波模塊選擇

超聲波模塊采用US-100超聲波測距模塊，該模塊可實現(xiàn)0～4.5m的非接觸式測距功能，具有2.4～5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，內(nèi)置看門狗電路，工作穩(wěn)定可靠。

3.5.3 超聲波測距修正

在常溫下，超聲波的傳播速度為340m/s，但在空氣中傳播時的傳播速度易受溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中溫度的影響最大。一般情況下，溫度每升高1攝氏度，聲速約增加0.6m/s，表2為超聲波在不同溫度下的波速值。

表2 超聲波在不同溫度下的波速值[5]

溫度（℃） -20 -10 0 10 20 30 100

波速（m/s） 319 325 323 338 344 349 386

由此可見，溫度對于超聲波測距的影響是不可以忽略的。為了取得相對比較精確的測距結(jié)果，需要對波速進行溫度補償，通過實驗結(jié)果，波速與溫度之間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑?/p>

V=331.5+0.607T

其中：V—實際超聲波波速;T—環(huán)境溫度。

經(jīng)過重復(fù)性試驗，探測距離的精度可以達到0.3cm。這對于自動駕駛的安全性提高具有重大的意義。

3.5.4 串口觸發(fā)測溫工作原理

在串口觸發(fā)測溫模式下只需要在Trig/TX管腳輸入0X50（波特率9600），系統(tǒng)便啟動溫度傳感器對當前溫度進行測量，然后將溫度值通過Echo/RX管腳輸出。測量完成溫度后，本模塊會返回一個字節(jié)的溫度值（TData），實際的溫度值為（TData-45）。

3.5.5 串口觸發(fā)測距工作原理

在串口觸發(fā)測距模式下只需要在Trig/TX管腳輸入0X55（波特率9600），系統(tǒng)便可發(fā)出8 個40KHZ的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據(jù)當前溫度對測距結(jié)果進行校正，將校正后的結(jié)果通過Echo/RX管腳輸出。輸出的距離值共為兩個字節(jié)，第一個字節(jié)是距離的高8位（HDate），第二個字節(jié)為距離的低8位（LData），單位為mm。即距離值為（HData*256 +LData）mm。值得注意的是，因為距離值已經(jīng)經(jīng)過溫度校正，此時無需再根據(jù)環(huán)境溫度對超聲波聲速進行校正，即不管溫度多少，聲速選擇340m/s即可。

3.6 測速調(diào)速模塊與顯示模塊

3.6.1 測速模塊

測速模塊是為智能小車、機器人等自動化機械裝置。使用一體化對射紅外發(fā)射接收管WYC H206并使用74HC14（帶施密特觸發(fā)器反向器），防止臨界輸出抖動作為核心器件構(gòu)成中控電路。具有易于安裝，使用簡便，靈敏度高，反應(yīng)迅速等優(yōu)點。

將模塊接上電源+5V后用萬用表測OUT輸出端電壓。此時的電壓電壓為0.3V左右，D1指示燈亮，當用大于2mm的不透明物體通過槽型光電，OUT輸出端電壓應(yīng)接近電源，D1指示燈滅（表示已檢測到物體）。已知輪子直徑為D，D*3.14/20格碼盤=6.5cm*3.14/20約=1cm，即一個脈沖走1cm距離，脈沖信號的頻率f=周期數(shù)/時間，輪子的轉(zhuǎn)速n=60f/z（其中z為碼盤的孔數(shù)），測速模塊的測速原理圖如圖5所示。

3.6.2 調(diào)速模塊

為了實現(xiàn)降低電機轉(zhuǎn)速和平滑勻速的轉(zhuǎn)向過程，智能小車電機驅(qū)動電路采用PWM控制技術(shù)（即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)）。電機驅(qū)動設(shè)計模塊主要控制四個電機的正反轉(zhuǎn)，改變電機的轉(zhuǎn)速。該模塊采用L298N芯片控制4個直流電機的轉(zhuǎn)速，控制輸入端接收來自單片機接口的信號，控制各個輸入、輸出端高、低電平的狀態(tài)，通過高低電平實現(xiàn)PWM調(diào)速控制。當智能小車前進時，驅(qū)動輪直流電機正轉(zhuǎn)，進入減速區(qū)時，由單片機控制PWM變頻調(diào)速，通過軟件改變脈沖波形的占空比，實現(xiàn)調(diào)速。

圖6 主程序設(shè)計流程圖

圖7 制作智能小車實物圖

3.6.3 顯示模塊

數(shù)碼管由于顯示效果簡潔、操作簡單、成本低廉而得到廣泛應(yīng)用。本智能小車的顯示內(nèi)容主要為智能小車速度，采用7段數(shù)碼管足以滿足要求。

3.7 無線藍牙通信模塊

通信模塊主要采用HC-06藍牙模塊，根據(jù)通信協(xié)議編寫程序，然后用安卓手機控制智能小車的啟停、前進、后退、左拐、右拐等功能。

4.軟件設(shè)計

在硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，通過在單片機中燒寫程序來控制智能小車功能的實現(xiàn)。本系統(tǒng)中采用模塊化控制方法，將各個獨立的功能作為一個獨立的子程序，在主程序中按照邏輯順序來調(diào)用各子程序，可使程序條理清晰，執(zhí)行效率提高，也便于程序修改和調(diào)試，主程序設(shè)計流程如圖6所示，制作的智能小車如圖7所示。

5.結(jié)語

此系統(tǒng)設(shè)計在智能循跡小車的基礎(chǔ)上，不僅實現(xiàn)自動與被動控制、自動循跡與避障、測速與調(diào)速、速度顯示、無線藍牙通訊等功能，而且實現(xiàn)了精確測距，探測距離的精度可以達到0.3cm。該智能小車結(jié)構(gòu)簡單、功能多、測距精度高，實現(xiàn)容易。若對系統(tǒng)模塊功能、結(jié)構(gòu)稍加改進，則基于智能小車模型的智能控制、智能機器人、科學考察、無人駕駛等領(lǐng)域，具有重要的現(xiàn)實意義。

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