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        基于單片機(jī)的智能小車(chē)避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2021-01-20 08:44:02黃永濤王功喆劉春瑞
        關(guān)鍵詞:循跡伺服電機(jī)障礙物

        黃永濤 王功喆 劉春瑞

        (濰坊科技學(xué)院,山東 濰坊262700)

        智能小車(chē)是機(jī)器人研究的一個(gè)重要方面,從目前的設(shè)計(jì)和研發(fā)情況來(lái)看,主要分為了藍(lán)牙遙控、超聲波避障、光電尋跡等,其中藍(lán)牙遙控小車(chē)使用手機(jī)串口軟件和小車(chē)上的藍(lán)牙芯片進(jìn)行通信,可以控制小車(chē)轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、停止、啟動(dòng)等;超聲波避障則是在小車(chē)系統(tǒng)中設(shè)置超聲波避障模塊,提高小車(chē)運(yùn)行的安全性。本文將結(jié)合單片機(jī)技術(shù),提出智能小車(chē)避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)途徑,希望對(duì)智能小車(chē)研發(fā)提供必要的幫助。

        1 智能小車(chē)避障系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

        智能小車(chē)在行駛中,需要沿著指定的路線運(yùn)動(dòng),并實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)系K物的躲避。為了實(shí)現(xiàn)小車(chē)的避障功能,需要對(duì)智能小車(chē)車(chē)體進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。當(dāng)前,單片機(jī)技術(shù)在智能小車(chē)避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用開(kāi)始增多,本文在避障系統(tǒng)中采用的主控芯片為STC89C52 單片機(jī),小車(chē)行駛中的影像資料收集在LCD 顯示器上,對(duì)于障礙物的測(cè)距則采用超聲波技術(shù),行駛速度和方向通過(guò)主控系統(tǒng)進(jìn)行體現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的智能小車(chē)避障系統(tǒng),小車(chē)在運(yùn)行中可以將前方的障礙物及時(shí)辨識(shí),在距離障礙物一定范圍時(shí),做出減速和轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。

        基于STC89C52 單片機(jī)的小車(chē)避障系統(tǒng),能夠及時(shí)將小車(chē)運(yùn)行情況進(jìn)行顯示,在收集各種小車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)之后,根據(jù)小車(chē)距離障礙物的距離和角度,準(zhǔn)確的避開(kāi)周?chē)系K物,滿足直線行駛的要求。本文設(shè)計(jì)的智能小車(chē)避障系統(tǒng)基本組成為避障模塊、前進(jìn)模塊、液晶顯示模塊、主控制模塊、轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)以及底盤(pán)部件等部分。小車(chē)車(chē)體的智能結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

        圖1 智能小車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)圖

        本文智能小車(chē)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)為AT89S52,與該單片機(jī)配套設(shè)計(jì)了傳感器模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、伺服電機(jī)模塊以及時(shí)鐘模塊等,這些模塊對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行起到了關(guān)鍵性的作用。小車(chē)在軌跡路線上運(yùn)行需要依靠傳感器模塊,前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向等則是依靠伺服電機(jī)模塊。

        2 智能小車(chē)避障系統(tǒng)硬件組成

        2.1 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

        小車(chē)的行駛通過(guò)電動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng),在方向的調(diào)配上則是采用電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn),利用單片機(jī)能夠反映小車(chē)在行進(jìn)中的路況信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是驅(qū)動(dòng)模塊的重要內(nèi)容,本文選用H橋式驅(qū)動(dòng)電路,運(yùn)行方式為L(zhǎng)298N 內(nèi)部集成式。小車(chē)啟動(dòng)與速度的控制上則是采用L298N 電路PWM 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,在運(yùn)行中單片機(jī)能夠做出控制和指導(dǎo)。

        2.2 避障系統(tǒng)主控制模塊

        主控制模塊協(xié)同控制避障系統(tǒng)高效發(fā)揮作用,是系統(tǒng)運(yùn)行的核心。本文的智能小車(chē)避障系統(tǒng)選用的主控制模塊為8 位控制器STC89C52 單片機(jī),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模塊的整體指導(dǎo)。由于本次設(shè)計(jì)的避障系統(tǒng)采用的是超聲波- 光電接近開(kāi)關(guān)避障方案,選用的STC89C52 單片機(jī)能夠有效手機(jī)并處理系統(tǒng)多種信號(hào),對(duì)小車(chē)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行綜合的指導(dǎo),而在電機(jī)控制信號(hào)上則是利用P0 輸出,這樣可以保證避障系統(tǒng)功能模塊之間更好的協(xié)調(diào)。該模塊的外圍電路原理圖如圖2 所示。

        圖2 避障系統(tǒng)主控制模塊外圍電路圖

        2.3 優(yōu)化伺服電機(jī)模塊

        為了保證小車(chē)在運(yùn)行中路況信息的清晰化,本文采用的伺服電機(jī)為360°伺服舵機(jī),這樣可以保證避障系統(tǒng)在運(yùn)行中更好的掌握路況信息,獲得連續(xù)的數(shù)據(jù),從而對(duì)實(shí)況進(jìn)行管理和控制。360°伺服舵機(jī)主要包含三條輸入線,分別是紅、黑、白,其中紅色主要與伺服機(jī)電源連接,黑色與伺服機(jī)接地連接,白色則是負(fù)責(zé)伺服機(jī)的信號(hào)。為了讓伺服電機(jī)模塊更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的控制,本文在伺服電機(jī)模塊中增加了一個(gè)基準(zhǔn)電路和比較器,這樣可以對(duì)小車(chē)的運(yùn)行路線和路況進(jìn)行微調(diào),保證小車(chē)前進(jìn)中的安全性和靈活性。該模塊的外圍電路原理圖如圖3 所示。

        圖3 伺服電機(jī)模塊外圍電路原理圖

        2.4 避障模塊的設(shè)計(jì)

        智能小車(chē)避障系統(tǒng)的核心模塊為避障模塊,這也是小車(chē)行進(jìn)中避免周?chē)系K物的核心系統(tǒng)。本次避障過(guò)程采用HC-SR04 超聲波模塊,可以實(shí)現(xiàn)3-500cm 內(nèi)非接觸時(shí)的準(zhǔn)確測(cè)距,誤差范圍在2.5mm 之內(nèi),運(yùn)行效果較理想。避障模塊的使用既滿足了系統(tǒng)運(yùn)行的需要,同時(shí)其抗干擾性較強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)距。本文的避障模塊構(gòu)成主要有超聲波發(fā)射器、控制電路和接收器三部分,小車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中,能夠主動(dòng)的規(guī)避一些不能穿越的障礙物,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和掉頭,并根據(jù)系統(tǒng)提示,重新選擇新的路線。

        2.5 循跡傳感器的設(shè)計(jì)

        本模塊設(shè)計(jì)的主要作用為利用紅外線探測(cè)不同顏色前方物體,幫小車(chē)更好的規(guī)劃線路。原理為通過(guò)設(shè)置紅外傳感器,接受系統(tǒng)中不同的電平信號(hào),優(yōu)化小車(chē)的運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中充分將循跡傳感器與伺服電機(jī)模塊進(jìn)行了融合,利用QTI 傳感器探測(cè)小車(chē)前方反射光的強(qiáng)度,,最終得到前方物體的具體情況,將探測(cè)得出的數(shù)據(jù)輸出為不同的電平信號(hào)。循跡傳感器外圍電路原理圖如下圖4 所示。

        圖4 循跡傳感器外圍電路圖

        2.6 優(yōu)化小車(chē)循跡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        雖然循跡傳感器能夠檢測(cè)到各種不同顏色的物體,但是由于這些物體的反射規(guī)律不同,小車(chē)在運(yùn)行中并不能完全快速避障。本文在避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,對(duì)小車(chē)循跡系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,采用TCRT5000 型光電對(duì)管進(jìn)行探測(cè)和循跡,小車(chē)在運(yùn)行中自主的向前方發(fā)射紅外光,針對(duì)白色光的漫反射現(xiàn)象,在智能小車(chē)上安裝了接收管,能夠在第一時(shí)間內(nèi)接收反射光。在循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后,我們?cè)谛≤?chē)上安裝了QTI 傳感器,對(duì)智能小車(chē)I/O口與QTI 傳感器進(jìn)行了SIG 信號(hào)測(cè)試,系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)不同顏色的物體進(jìn)行檢測(cè),避免小車(chē)在運(yùn)行中出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。此外,在智能小車(chē)運(yùn)行中,在傳感器的控制上,采用了兩級(jí)控制策略,可以快速接受傳感器信號(hào),并對(duì)其處理。通過(guò)兩級(jí)控制的方法,智能小車(chē)的運(yùn)行軌跡更加合理,對(duì)于出現(xiàn)的錯(cuò)誤及時(shí)調(diào)整,從而提升了小車(chē)的循跡能力。

        3 智能小車(chē)避障系統(tǒng)軟件組成

        3.1 智能小車(chē)避障動(dòng)作設(shè)計(jì)

        在智能小車(chē)基本動(dòng)作的設(shè)計(jì)張,要結(jié)合其車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況,優(yōu)化智能小車(chē)循跡系統(tǒng)。從左輪角度來(lái)看,小車(chē)行進(jìn)可以采用逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),在右輪設(shè)計(jì)中則是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì),可以及時(shí)判斷小車(chē)的行駛方向和速度,便于對(duì)其進(jìn)行加速和減速控制與管理。本文將這一設(shè)計(jì)理念通過(guò)C 語(yǔ)言進(jìn)行反饋,用right 和left 來(lái)表示,這樣就能完成小車(chē)的基本動(dòng)作設(shè)計(jì),提高避障系統(tǒng)的可操控性。

        3.2 小車(chē)循跡功能的實(shí)現(xiàn)

        對(duì)于智能小車(chē)避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要集中在避障功能優(yōu)化上,可以建立QTI 傳感器循跡策略表,在循跡軟件設(shè)計(jì)中運(yùn)用move 函數(shù),這樣就能通過(guò)對(duì)避障數(shù)據(jù)的逐步優(yōu)化,讓小車(chē)在人工的控制下,實(shí)現(xiàn)避障。QTI 傳感器智能小車(chē)循跡策略圖如下表1 所示,這種策略同樣可以拓展到到避障系統(tǒng)的其它模塊中。

        表1 QTI 傳感器循跡指導(dǎo)

        結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,傳統(tǒng)的智能小車(chē)在設(shè)計(jì)中忽視單片機(jī)的作用,沒(méi)有設(shè)置超聲波模塊,導(dǎo)致對(duì)前方物體檢測(cè)能力不強(qiáng),小車(chē)易出現(xiàn)碰撞。為了解決上述問(wèn)題,本次設(shè)計(jì)的智能小車(chē)避障系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,硬件包含驅(qū)動(dòng)模塊、優(yōu)化伺服電機(jī)模塊、設(shè)計(jì)循跡傳感器模塊等組成,軟件模塊則是利用C 語(yǔ)言和move 函數(shù)等對(duì)小車(chē)基本運(yùn)行動(dòng)作進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。在實(shí)際的測(cè)試中,小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)較為平穩(wěn),通過(guò)對(duì)QTI 傳感器安裝高度的調(diào)整,小車(chē)不再出現(xiàn)抖動(dòng)和無(wú)法循線的情況,規(guī)避前方障礙物的能力有較大的提升。

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