西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 代德丹 王 猛 李 怡

智能避障小車

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 代德丹 王 猛 李 怡

小車的驅(qū)動(dòng)使用L298N驅(qū)動(dòng)電路來完成，由單片機(jī)輸出的PWM波控制其速度，障礙物采用紅外光電開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，速度及轉(zhuǎn)向由STC89C52單片機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)智能避障的功能。

智能小車；STC89C52單片機(jī)；L298N；紅外光電開關(guān)

1 前言

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，智能機(jī)器的種類越來越豐富并且不斷地改變著人們的生活方式。智能小車就是智能機(jī)器的典型代表。

機(jī)器人能利用自動(dòng)導(dǎo)引小車系統(tǒng)，自動(dòng)判斷和識(shí)別路線,及時(shí)避開障礙物,選擇正確的行進(jìn)路線。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器，感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。

智能小車可以分為四大模塊：電源、檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)單元、中央處理單元。智能小車除了自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展遙控、循跡、跟隨等功能。

小車傳感檢測(cè)部分不需要感知太清晰的圖像，因此采用性價(jià)比高的紅外反射式傳感器。智能小車的行進(jìn)方向和速度則由直流電機(jī)來控制

2 設(shè)計(jì)要求

智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)制前輪左右兩邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制小車轉(zhuǎn)向的目的，使用萬象輪作為后輪起支撐作用。將兩只紅外線反射開關(guān)分別置于小車兩側(cè)，檢測(cè)障礙物的存在，然后通過單片機(jī)內(nèi)部程序與檢測(cè)數(shù)據(jù)作比較，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。

本設(shè)計(jì)使用紅外光電開關(guān)利用紅外反射原理對(duì)小車行進(jìn)路線中與障礙物的距離進(jìn)行判斷，如不在安全范圍內(nèi)，則通過中央處理器單元主控制CPU的控制判斷，給出一個(gè)相應(yīng)的反饋控制指令，控制行駛方向和行駛速度。

本次設(shè)計(jì)一共包括四個(gè)子模塊：電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)模塊、主控模塊。如圖2.1設(shè)計(jì)模塊圖。

圖2.1 設(shè)計(jì)模塊圖

3 方案選擇

3.1 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)方案

使用單片機(jī)控制達(dá)林頓管組成的，使H型PWM電路在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行工作，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2 電源模塊方案

采用4支1.5V電池單電源供電，使用方便，成本低。

3.3 檢測(cè)模塊方案

將兩只紅外線反射開關(guān)分別置于小車兩側(cè)，檢測(cè)障礙物的存在，其安裝簡(jiǎn)易。

3.4 驅(qū)動(dòng)模塊方案

采用晶體管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)，本次設(shè)計(jì)采用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的加速能力強(qiáng)，原理和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了方向的控制和簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速，電子管的開關(guān)速度快，穩(wěn)定性也很強(qiáng)，是一種應(yīng)用十分廣泛的PWM調(diào)速技術(shù)。調(diào)速方法具有調(diào)速性能好、調(diào)節(jié)平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬、過載能力強(qiáng)、能承受頻繁負(fù)荷沖擊等特點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁無級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和倒車的優(yōu)點(diǎn)。

3.5 主控模塊方案

STC89C52單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用來控制小車運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)小車既定的性能指標(biāo)。由我們的系統(tǒng)可得,關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制 ,單片機(jī)它的優(yōu)點(diǎn)是——控制簡(jiǎn)單、快捷、方便。單片機(jī)可以充分發(fā)揮其更強(qiáng)大的控制功能和尋址、豐富的資源、操作功能、低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)共包括四個(gè)模塊：電源模塊、檢測(cè)模塊（紅外光電開關(guān)2個(gè)）、驅(qū)動(dòng)模塊（L298N模塊）、主控模塊（STC89C52芯片）。如圖4.1總體設(shè)計(jì)電路圖。

4.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用H橋驅(qū)動(dòng)電路,和L298N是H橋驅(qū)動(dòng)電路集成,使驅(qū)動(dòng)電路可用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來控制小車的速度、起停。橋式電路如圖4.2.1所示。

圖4.2.1H橋式電路工作原理：當(dāng)ENA=1,IN1=1,IN2=0時(shí)，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3截止，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為正轉(zhuǎn)；當(dāng)ENA=1，IN1=0，IN2=1時(shí)，T1、T4截止，T2、T3導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為反轉(zhuǎn)；當(dāng)ENA=0時(shí)，無論IN1、IN2為何值，電機(jī)都不工作，處于停止?fàn)顟B(tài)。同理，另一電機(jī)運(yùn)行工作原理如上。

圖4.1 總體設(shè)計(jì)電路圖

圖4.2.1 H橋式電路

4.3 檢測(cè)模塊

當(dāng)接通電源時(shí)，紅外光電開關(guān)內(nèi)的紅外發(fā)射管紅外發(fā)射前，一旦物體或人體的有效范圍內(nèi)，將有一部分反射回來的紅外發(fā)射管和安裝接收光敏管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由內(nèi)部電路模塊解調(diào)、放大整形，處理，輸出為高電平信號(hào)。紅外光電開關(guān)的紅外線發(fā)射能力受工作電壓影響，電壓低，能力弱，檢測(cè)距離短；反之距離越遠(yuǎn)。通過調(diào)節(jié)RV2的值改變發(fā)射功率，通過調(diào)節(jié)RV1可以改變接收功率。紅外反射開關(guān)工作電路圖如圖4.3.1所示。

圖4.3.1 紅外光電開關(guān)工作電路圖

4.4 主控模塊

采用STC89C52，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集分析，并給出PWM波控制電機(jī)速度，啟動(dòng)和停止，對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè),報(bào)警等功能。其主控芯片STC89C52的引腳圖如圖4.4.1所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

如圖5.1軟件設(shè)計(jì)流程圖，程序采用C語言編寫，方便移植。在編程時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，程序結(jié)構(gòu)清晰，提高了開發(fā)調(diào)試效率。

先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能復(fù)位，然后紅外光電開關(guān)啟動(dòng)檢測(cè)，確定是否有障礙物，若無則直線行駛；若有則對(duì)障礙物具體方向做具體判斷，改變電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，操作完成后將進(jìn)一步判斷障礙物，若沒有保持原行進(jìn)方向。

圖4.4.1 主控芯片STC89C52引腳圖

圖5.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

6 結(jié)束語

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用多種傳感器，軟硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

如果小車偏離車道或低于安全距離的障礙,小車將發(fā)出警報(bào),提醒司機(jī)。

如果司機(jī)在危險(xiǎn)情況未能及時(shí)作出相應(yīng)反應(yīng)，汽車會(huì)自動(dòng)減速并停在路邊。

西北民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資金資助項(xiàng)目“智能避障小車”（項(xiàng)目編號(hào)：Y17106）。

代德丹（1995—），重慶彭水人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學(xué)。

王猛（1996—），重慶巫溪人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學(xué)。

李怡（1995—），重慶彭水人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學(xué)。