杜俊杰，胡思琪，伍馮潔，鄭振勤，鄧柏鋒

（1.廣州大學 機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學 電子與通信工程學院，廣東 廣州 510006；3.廣州大學 實驗中心，廣東 廣州 510006）

0 引 言

在四輪小車設計過程中，避障系統(tǒng)的設計是非常關鍵的一環(huán)[1]。精準靈敏的避障系統(tǒng)將使小車實現(xiàn)快速無障礙的自主行走，而靈敏度低、誤差大的避障系統(tǒng)將導致小車在行進過程中多走彎路、誤碰障礙物，甚至走進某個死角，嚴重影響小車自主行走效果。目前，四輪小車避障功能一般采用1個或2個超聲波，或少量紅外線傳感器來實現(xiàn)[2]。由于單個超聲波的測距角度存在局限性，紅外傳感器又往往易受光線干擾，導致常規(guī)避障設計方法效果不理想，容易出現(xiàn)偏離預定軌跡、觸碰到障礙物、局部范圍兜圈等問題。

為解決四輪小車常用避障設計方法存在的不足之處，本文將超聲波、舵機與紅外線傳感器相結合，在四輪小車的頭部均勻分布2個由超聲波與舵機組成的模塊，在車體兩側(cè)分別安裝1個超聲波及1個紅外傳感器，通過綜合分析處理4個超聲波及2個紅外傳感器測量的結果，自動判斷小車運動狀態(tài)，從而實現(xiàn)其自主行走及自動避障。

1 避障系統(tǒng)原理

四輪小車的自動避障系統(tǒng)主要由超聲波傳感器、舵機與紅外傳感器組成[3]，其空間分布情況如圖1及圖2所示。如圖1所示，1號和2號點位各安裝一個由舵機與超聲波傳感器組成的模塊，主要負責小車前方障礙物的多角度檢測；3號和4號點位各安裝一個超聲波傳感器，負責檢測車體兩旁的障礙物，提高避障的能力。如圖2所示，5號和6號點位各安裝一個紅外傳感器，負責檢測圖1中1、2號點位超聲波模塊的盲區(qū)，其中5、6號點位位于車體底部，可有效減少光線對紅外傳感器檢測效果的影響。

圖1 超聲波傳感器分布情況

圖2 紅外傳感器布置情況

對于超聲波傳感器，其檢測到障礙物與車身的距離稱為障礙物距離d，當障礙物距離小于一個閾值時，小車需要進行避障操作，這個閾值稱為安全距離D，而對測量范圍較大的小車頭部區(qū)域，還通過引入舵機以實現(xiàn)多個角度a的超聲波障礙檢測[4]；同時設定1號與2號點位的超聲波模塊障礙物距離分別為d1與d2，安全距離為D1與D2，兩點位舵機每次轉(zhuǎn)動角度為a1與a2；3號與4號點位的超聲波模塊障礙物距離分別為d3與d4，安全距離為D3與D4。對于5號與6號點位處的紅外傳感器，其檢測的有效直線距離定義為n，在有效距離內(nèi)若有障礙物，小車也需要進行避障操作。小車在行駛過程中，動態(tài)地分析超聲波和紅外傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)，計算出小車在遇到障礙物時需要轉(zhuǎn)動的角度值φ，進而實現(xiàn)自動避障[5]。

小車轉(zhuǎn)動角度值φ的具體計算過程如下，設φ初始值為0，“+”表示轉(zhuǎn)向右方向，“-”表示轉(zhuǎn)向左方向，有：

（1）1，2號位中，當d＜D，表示障礙物過于靠近，此時小車停止，需要進一步判斷d1與d2的數(shù)值。

（2）若d1＜D1，表示小車左邊有障礙物，則1，2號點位的舵機往右轉(zhuǎn)動a，兩側(cè)的超聲波重新獲取障礙物距離d1，d2，并再次與安全距離進行比較；若d1＞D1并且d2＞D2，表示此時小車轉(zhuǎn)動φ度即可避開障礙物，用公式φ=+(a+φ)表示，而其他情況，記錄為φ=φ+a，并重新執(zhí)行步驟（2），直到計算出轉(zhuǎn)彎角度；當舵機轉(zhuǎn)動角度到達上限時，則默認φ=+90°。

（3）同理，若d2＜D2，表示小車右邊有障礙物，則1，2號點位的舵機往左轉(zhuǎn)動a，重復步驟（2），最后得到小車車身向左轉(zhuǎn)φ的角度值。

（4）5，6號位中，紅外傳感器主要用于檢測底部超聲波的盲區(qū)，從而保護車體底盤的安全，所以當在有效距離內(nèi)檢測到障礙物時，則默認小車轉(zhuǎn)動角度φ=+30°。

（5）3，4號位中，車身兩側(cè)的超聲波模塊主要用于檢測小車轉(zhuǎn)彎時兩旁的障礙物，其轉(zhuǎn)彎的角度默認為φ=±30°。

2 避障電路設計

小車在行進過程中需要不斷地檢測所有傳感器的狀態(tài)，并對傳感器反饋的數(shù)據(jù)進行分析處理，最后形成有效的避障方案。為了提高小車避障的靈敏度和準確性，本文選用STM32F407VGT6型32位ARM芯片作為避障系統(tǒng)的微控制器，并以該單片機為核心進行避障系統(tǒng)控制單元及外圍電路、傳感器接口模塊、舵機接口模塊及工作狀態(tài)指示等電路的設計[6]。超聲波、紅外線傳感器及舵機接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 避障系統(tǒng)接口電路設計

如圖3所示，小車的1～4號超聲波傳感器均包含TRIG、ECHO、VCC和GND 4個引腳。其中這 4個超聲波的VCC、GND由STM32單片機統(tǒng)一供電，分別與STM32的3.3 V、GND相連，而1～4號超聲波的TRIG、ECHO引 腳 則 分 別 與 STM32的 PB5-PB6、PB8-PB9、PC8-PC9、PD14-PD15引腳相連。當小車在行進過程遇到障礙物時，先由單片機發(fā)出44 μs的TTL觸發(fā)信號，然后超聲波的TRIG連續(xù)發(fā)送8個40 kHz方波，并檢測是否有信號返回，當有信號返回時，超聲波ECHO給出一個高電平。超聲波從發(fā)射到返回的時間即是高電平持續(xù)的時間，那么超聲波測距的距離=（高電平時間×聲速（340 m/s））/2。

對于5、6號紅外線傳感器，其輸出端口OUT分別與STM32的PC6、PC7引腳連接，VCC、GND分別與STM32的3.3 V、GND相連。小車在行進過程中，當5號或6號紅外傳感器檢測到前方障礙物信號時，相對應的OUT端口將持續(xù)輸出低電平信號。STM32單片機通過電平檢測來判斷前方是否有障礙物。當PC6或PC7引腳為低電平時，表示小車前方遇到障礙物；反之，當PC6及PC7引腳為高電平時，小車前方不存在障礙物。

對于1，2號舵機，其PWM端口分別與STM32的PA6、PA7引腳連接，VCC、GND分別與單片機供電電源5 V、GND相連。STM32單片機通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來控制1，2號舵機轉(zhuǎn)動的角度，其對應控制關系為：0.5 ms-0°，1.0 ms-45°，1.5 ms-90°，2.0 ms-135°，2.5 ms-180°。小車在行進過程中，通過控制1，2號舵機轉(zhuǎn)動的角度，來實現(xiàn)1，2號超聲波角度轉(zhuǎn)動的控制，從而實現(xiàn)小車前方寬角度、實時性的障礙檢測。

3 系統(tǒng)軟件設計

在小車避障系統(tǒng)設計中，通過STM32單片機采集1～4號超聲波及5～6號紅外傳感器的測量數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行分析處理，計算出小車的最佳轉(zhuǎn)彎角度，使小車在行進過程中及時、準確地避開障礙物[7-9]，系統(tǒng)程序設計流程圖如圖4所示。

如圖4所示，在系統(tǒng)初始化完成后[10]，小車開始行進，1～4號超聲波及5～6號紅外傳感器發(fā)出障礙物檢測信號。當1，2號超聲波檢測到安全距離內(nèi)有障礙物時，即把該障礙物的距離返回給STM32單片機，單片機收到距離數(shù)據(jù)后給小車發(fā)送停止前進命令，同時通過調(diào)節(jié)PWM多次控制舵機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)1，2號超聲波的多角度掃描，從而得到小車合適的轉(zhuǎn)彎角度。在小車轉(zhuǎn)彎過程中，利用小車兩側(cè)的3，4號超聲波檢測障礙物是否在安全距離外，當障礙物在安全距離內(nèi)時，需及時給單片機反饋信息調(diào)整合適的轉(zhuǎn)彎角度，以防止因轉(zhuǎn)彎角度不精確而導致撞到障礙物。此外，利用5，6號紅外傳感器對前方低處的障礙物進行檢測，當檢測到障礙物處于安全距離內(nèi)時，將及時通知單片機控制小車停止前進或轉(zhuǎn)動合適的角度，以避免低處的障礙物與小車底盤相撞。

圖4 系統(tǒng)程序設計流程圖

4 實驗結果與分析

該四輪避障小車設計完成后，通過以下方法進行避障參數(shù)及避障效果的測試，測試過程如下：

（1）在小車的正前方20 cm處放置3個障礙物，左右兩邊20 cm處各放置一個障礙物；

（2）設定小車1，2號點位超聲波的安全距離D1，D2為15 cm，舵機初始角度都對準正前方，且每次轉(zhuǎn)動角度為5°；

（3）設定小車3，4號點位超聲波的安全距離D3與D4為15 cm，5，6號點位紅外傳感器的安全距離x5與x6為5 cm；

（4）所有傳感器與舵機參數(shù)設置完成后，小車開始行走，記錄小車成功壁開的障礙物數(shù)；

（5）調(diào)整傳感器與舵機參數(shù)，對于D1～D4，x5與x6，每次測試的增量都為1 cm，舵機每次轉(zhuǎn)動角度的增量為1度，再重復步驟（4）。

在以上測試過程中，以避開的障礙物數(shù)作為參考值，避開的障礙物越多，說明該組參數(shù)越好。在得到一組較好的數(shù)據(jù)后，再改變障礙物的距離重新測試。通過多次的測試，最終得到D1，D2各為20 cm，D3，D4各為15 cm，舵機每次轉(zhuǎn)動角度為5°，x5與x6各為10 cm的效果最好。

在此將該四輪小車應用在本校電信專業(yè)的單片機實踐教學中，2017—2019年間，電信16級、17級及18級共9個班級（每屆3個班），合計約400學生使用該小車開展STM32單片機進行綜合性、設計性與創(chuàng)新性實驗。按照本文的設計方法，97%以上學生能順利完成四輪避障小車的制作與程序設計，92%以上學生的設計能獲得較好的避障效果。該實踐調(diào)動了學生學習單片機技術的積極性與主動性，較好地滿足了不同層次學生的單片機課程學習需要，達到了預期教學效果。

5 結 語

本文基于STM32單片機實現(xiàn)多種傳感器有效的協(xié)同工作，對其傳入的數(shù)據(jù)進行合理的分析與計算，實現(xiàn)了四輪小車寬角度有效避障。該設計彌補了單個超聲波測距角度有限及紅外傳感器往往易受光線干擾等不足，對四輪小車在行進過程中偏離預定軌跡、觸碰到障礙物、局部范圍兜圈等問題提供了一種有效的解決方案。