羅永超，黃子朋，陳楷昀，郭耿斌，黃世一

（廣州城市理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東廣州，510800）

0 引言

智能小車是機(jī)器人當(dāng)中的一類，也是最近流行的一類，許多高校都設(shè)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研。從目前高校來(lái)看，智能小車采用STC15F2K16S2單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊，舵機(jī)模塊，紅外光電傳感器模塊。在智能小車運(yùn)行中，遇到障礙物的時(shí)候，STC15F2K16S2單片機(jī)處理傳感器的模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)模塊進(jìn)行調(diào)速和調(diào)控方向，有電源模塊提供足夠穩(wěn)定的電壓。其中采用紅外光電傳感器模塊，具有受干擾能力好、實(shí)時(shí)性好、成本低、對(duì)主控芯片要求較低，能很好的完成循跡和避障的設(shè)計(jì)。本文將結(jié)合STM單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)智能小車的避障和循跡功能，希望對(duì)初學(xué)智能小車設(shè)計(jì)提供必要的幫助。

1 智能小車的總體設(shè)計(jì)

智能小車在行駛中，沿自己預(yù)先粘貼的黑色膠布軌道進(jìn)行行駛，在軌道上放有超聲波模塊能感受的障礙物，超聲波模塊在距離障礙物一定距離時(shí)，會(huì)進(jìn)行避障，并完成循跡。為了實(shí)現(xiàn)智能小車避障和循跡功能，對(duì)小車進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，智能小車的避障和循跡的設(shè)計(jì)應(yīng)用越來(lái)越多了，本文在避障和循跡采用STC15F2K16S2單片機(jī)作為主芯片，采用直流電機(jī)作為動(dòng)力。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

■1.1 處理器

STC15F2K16S2芯片具有保密性強(qiáng)，速度快，時(shí)鐘精度誤差小，溫飄浮動(dòng)小，Hz寬度可設(shè)置，節(jié)省一些復(fù)位電路，使得處理器速度快，內(nèi)存大，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用也可編程，耗能低設(shè)計(jì)，性價(jià)比高，常應(yīng)用。工作電壓2.4V～3.6V或4.5V～5.5V，這款處理器符合本文智能小車控制設(shè)計(jì)。

■1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為了讓小車能在平穩(wěn)的地方行駛，小車設(shè)計(jì)為4個(gè)輪子，后輪分別裝左直流電機(jī)和右直流電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)是小車的主動(dòng)力，后輪兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再結(jié)合適當(dāng)?shù)臏p速比減速器，使小車能穩(wěn)定前行的情況下，還能調(diào)控速度。直流電機(jī)具有很好的調(diào)控速度，控制較為簡(jiǎn)單，直流電機(jī)通上直流電，直流電機(jī)就會(huì)連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的大小來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而改變小車的速度。通過(guò)程序控制，讓智能小車實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退等功能。

圖2

■1.3 電源模塊

設(shè)計(jì)的模塊比較多，所以需要兩個(gè)電源模塊[3]分別對(duì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和STC單片機(jī)進(jìn)行供電。一個(gè)5V的電源給單片機(jī)供電，而舵機(jī)也可以接到單片機(jī)上一起供電。一個(gè)12V的電源給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電。這樣可以保證各模塊能得到充足的供電、并且還有安全性良好、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

■1.4 循跡傳感模塊

循跡傳感模塊采用的是紅外線傳感器，可以利用交流調(diào)制信號(hào)，可以降低外界光對(duì)紅外線傳感器的影響。在紅外線傳感器信噪比范圍內(nèi)，紅外線傳感器反應(yīng)時(shí)間在3μs左右。光電傳感器采用紅外對(duì)管，由于物體對(duì)紅外線的反射效率有所不同，黑色物體反射率極低，白色物體反射率極高。當(dāng)紅外線照射到黑色膠帶大部分時(shí)，此時(shí)小車光電管中的接收信管無(wú)法接收來(lái)自黑色膠帶的發(fā)射光線，而紅外線照射到白色膠帶大部分時(shí)候，紅外對(duì)管中的接收管能接收到紅外線。這是小車能判斷自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置信息的所在。

■1.5 避障模塊

圖3

圖4

避障模塊采用超聲波模塊，超聲波避障[1]原理就是通過(guò)給超聲波模塊超過(guò)10μs的高電平信號(hào)，自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，來(lái)檢測(cè)是不是有信號(hào)的返回，如果有信號(hào)的返回，那么就判斷為前方有障礙物。然后將信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)程序控制小車進(jìn)行原地左轉(zhuǎn)，如果左邊也有障礙物的話小車會(huì)退回原地，然后進(jìn)行右轉(zhuǎn)。這樣檢測(cè)左右兩邊是否有障礙物，從而進(jìn)行避障的功能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能小車是通過(guò)各種模塊的組合一起，軟件的設(shè)計(jì)和硬件系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)。軟件設(shè)計(jì)分為循跡程序和避障程序。主要的程序按照C語(yǔ)言的邏輯順序?qū)@些程序進(jìn)行調(diào)用。軟件設(shè)計(jì)要結(jié)合程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳遞等。當(dāng)在循跡的過(guò)程偏離航線時(shí)，單片機(jī)采集到各個(gè)模塊傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理，在傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)模塊，使智能小車進(jìn)行減速和調(diào)整方向，使智能小車回歸規(guī)定的路線，實(shí)現(xiàn)循跡功能。當(dāng)遇到前方有障礙物的時(shí)候，智能小車前方的超聲波模塊會(huì)將收集到的信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)避障程序控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)模塊，使其完成避障功能，回歸規(guī)定的路線。

■2.1 循跡程序

先確定紅外傳感器都能正常工作，紅外傳感器是放置在車體的正下方垂直于小車的運(yùn)動(dòng)方向一字排開(kāi)，要求傳感器保持等距離且兩傳感器能采集到黑色膠帶的信息，兩測(cè)的傳感器可以采集到白色地板的信息。運(yùn)用循跡算法完成[2]場(chǎng)地需要有以下的特征路徑：直線段、左拐90°轉(zhuǎn)彎，右拐90°轉(zhuǎn)彎。傳感器從左往右做標(biāo)記，分別為1，2，3，4傳感器。當(dāng)傳感器檢測(cè)到黑色的膠帶時(shí)，用數(shù)字“0”表示，沒(méi)檢測(cè)到用數(shù)字“1”表示，為了不漏掉有可能的狀態(tài)，四個(gè)傳感器有十六種狀態(tài)，可以用四位二進(jìn)制表示。在直線段的時(shí)候，黑色膠帶應(yīng)在傳感器2，3。即四位二進(jìn)制為1001，而當(dāng)四位二進(jìn)制為1000、1100、1110、1101，即小車偏離了直線段。在左拐90°轉(zhuǎn)彎道路上，當(dāng)四位二進(jìn)制位0001，傳感器1、2、3能檢測(cè)到黑色膠帶時(shí)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的程序，讓舵機(jī)配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行左拐90°轉(zhuǎn)彎。在右拐90°轉(zhuǎn)彎道路上，傳感器2、3、4能檢測(cè)到黑色膠帶時(shí)，即四位二進(jìn)制為1000，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的程序，讓舵機(jī)配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行右拐90°轉(zhuǎn)彎。在十字路口路段，當(dāng)傳感器1、2、3、4都能檢測(cè)出黑色膠帶時(shí)，小車直行通過(guò)十字路口。這些得通過(guò)實(shí)際調(diào)試來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，讓傳感器返回值具有以上情況，否則會(huì)影響后面的程序的運(yùn)行。

■2.2 避障程序

由于障礙物的大小形狀各不相同，處理避障問(wèn)題可以很復(fù)雜，也可以很簡(jiǎn)單。但是對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，應(yīng)該簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低程序的難度、容易調(diào)試，使用一種能讓初學(xué)者能理解的比較簡(jiǎn)單的方法。當(dāng)檢測(cè)小車的速度和障礙物距離時(shí)，可以根據(jù)超聲波傳感器的測(cè)量距離算法[4]，使其小車完成避障的功能。當(dāng)超聲波傳感器感受到障礙物的時(shí)候，通過(guò)避障程序，改變左右電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，使得小車進(jìn)行左移或者右移來(lái)躲避障礙物，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。這種方法比較適合初學(xué)者。在小車前放置一個(gè)超聲波模塊，當(dāng)小車的前面有障礙物時(shí)，超聲波模塊會(huì)接收到反射回來(lái)的聲波，然后將信號(hào)傳給單片機(jī)。單片機(jī)會(huì)根據(jù)避障程序使小車左邊電機(jī)停轉(zhuǎn)，右邊電機(jī)正轉(zhuǎn)進(jìn)行原地左轉(zhuǎn)。如果左轉(zhuǎn)后前面還是有障礙物，小車將退到原位置然后進(jìn)行原地的右轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)避障的功能。

圖5

圖6

3 結(jié)論

本文說(shuō)明了基于STC15F2K 16S2單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)的智能小車循跡和避障的控制系統(tǒng)。通過(guò)紅外光電傳感器作為避障感覺(jué)，通過(guò)紅外感受器作為循跡的功能，使智能小車完成循跡。電機(jī)驅(qū)動(dòng)和舵機(jī)為智能小車偏離軌跡或遇到障礙物時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供調(diào)速，舵機(jī)提供轉(zhuǎn)彎角度，使之更好的完成避障和循跡，使智能小車達(dá)到預(yù)期的效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程，舵機(jī)效率高,速度快,穩(wěn)定性好,靈敏度高,但是維護(hù)起來(lái)比較復(fù)雜，舵機(jī)可以讓智能小車轉(zhuǎn)彎變得靈活，一旦舵機(jī)壞了維護(hù)復(fù)雜。光線會(huì)對(duì)循跡的傳感器有影響，這需要在實(shí)踐中，減少影響程度，同時(shí)得優(yōu)化一下循跡算法，讓循跡更加準(zhǔn)確。