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。