張開翔

摘要：本文設(shè)計(jì)一款基于紅外避障、超聲波測距的原理，檢測并計(jì)算小車距離周圍障礙物的距離，通過控制小車后輪兩電機(jī)的差速調(diào)速來實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制。經(jīng)實(shí)際測試，智能避障小車取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；避障小車；超聲波測距

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0001-02

智能避障小車作為智能移動機(jī)器人一種，具有行動靈活，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，避障小車上可以裝載各種功能的傳感器及數(shù)據(jù)處理模塊，其中避障功能是保證智能小車在行進(jìn)過程中行進(jìn)方向自行調(diào)節(jié)，避免發(fā)生碰撞是智能小車重要組成部分。自動避障功能的小車設(shè)計(jì)包括小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊以及AT89S52單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)等。目前很多小車都采用單個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)單面避障，存在探測速度慢，避障成功率低等問題[1]。因此設(shè)計(jì)了一款全方位避障的智能小車系統(tǒng)，采用紅外單點(diǎn)避障和超聲波避障相結(jié)合的模式來實(shí)現(xiàn)全方位探測，有效提高避障的效率和成功率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能避障小車模型主要由AT89S52單片機(jī)控制板、小車底板、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)模塊、LCD顯示模塊等構(gòu)成。智能避障小車采用亞克力作為底盤，小車的前輪為萬向輪，小車后輪分別由一個(gè)電機(jī)控制。通過對后輪兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的差速控制來實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動的控制。小車核心控制模塊采用AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)板用來接收和處理紅外傳感器、超聲波傳感器信號數(shù)據(jù)[2]。從而發(fā)出小車相關(guān)執(zhí)行操作指令，系統(tǒng)功能如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊

智能避障小車主控芯片采用了ATMEL公司的AT89S52芯片，該單片機(jī)負(fù)責(zé)小車傳感器數(shù)據(jù)的采集、讀取，并控制小車電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)小車行動方向等控制。

2.2 傳感器模塊

智能小車傳感器分為紅外傳感器和超聲波傳感器。紅外傳感器發(fā)射和接受紅外光，用于對近處物體的探測和識別，將探測到的物體信號通過電平信號送給單片機(jī)；超聲波模塊發(fā)射和接受超聲波，用于測量障礙物的距離，并且輔助避開障礙物。超聲波測距原理：使換能器向介質(zhì)發(fā)射脈沖，聲波遇到被測物體后反射回來接收，若聲速為c，第一個(gè)回波到達(dá)時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻相差為t，則小車與目標(biāo)之間的距離s=c*t/2[3]。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 顯示模塊

LCD顯示屏，負(fù)責(zé)顯示處理器處理的超聲波信號，并且將距離顯示，采用了1602 LCD顯示模塊。

2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

智能小車的前進(jìn)驅(qū)動主要是通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的，驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)采用L298N芯片，該芯片是一款高電壓，大電流電機(jī)驅(qū)動芯片?？梢则?qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制。具有兩個(gè)使能控制端。驅(qū)動電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 超聲測距程序設(shè)計(jì)

如圖3所示，根據(jù)超聲波模塊時(shí)序圖，單片機(jī)IO口設(shè)計(jì)輸出脈沖觸發(fā)信號（TTL信號高電平10us以上），超聲波模塊將循環(huán)產(chǎn)生8個(gè)40KHZ的周期脈沖電平信號，單片機(jī)檢測連接檢測回波的引腳，一旦該引腳檢測到信號上升沿，單片機(jī)內(nèi)部啟動定時(shí)器計(jì)算高電平的時(shí)間。高電平的寬度與所測的距離成正比[4]。距離=高電平時(shí)間*聲速/2。

3.2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖4所示，智能避障小車上電后直行，單片機(jī)AT89S52采集紅外傳感器數(shù)據(jù)和超聲波檢測的數(shù)據(jù)，判斷前方是否有障礙物，如果沒有障礙物可以左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、倒車和直行。如果遇到障礙物就停止前進(jìn)并啟動蜂鳴器報(bào)警[5]。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過進(jìn)行測試，成功實(shí)現(xiàn)了小車的智能避障功能，超聲波的距離可以達(dá)到80cm，根據(jù)超聲波所測的距離，小車能夠探測到是否存在障礙物，實(shí)現(xiàn)判斷暫停、后退、前進(jìn)或轉(zhuǎn)向等操作，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。小車實(shí)物如圖5所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用的智能避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，完成了智能小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路硬件的設(shè)計(jì)及控制軟件代碼的開發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)避障的功能，該系統(tǒng)有控制過程簡單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?？梢詮V泛用于智能自動物流車、智能車玩具等領(lǐng)域，在工業(yè)智能機(jī)器人領(lǐng)域也有一定的實(shí)用價(jià)值。

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