姚 慶 ，穆懷輝 ，王瑞紅

（黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，智能避障車的作用日益突出。智能小車是一類具有感知外界環(huán)境、選擇最佳路徑、智能規(guī)避障礙等能力的智能機器人[1]。它利用紅外傳感器、超聲波傳感器等，對前方的障礙物進行實時檢測，實現(xiàn)智能避障，并可以在未知的路徑上進行自動駕駛，它不但能用于人們的日常生活，而且在工業(yè)和軍事領(lǐng)域有著廣闊的市場前景。本研究的目的是為智能小車的設(shè)計與發(fā)展提供一種新的思路與方法，使之能夠更好地服務(wù)于人們的日常生活，提升人們的生活品質(zhì)。

1 智能避障小車的總體設(shè)計

在整個智能小車系統(tǒng)的整體設(shè)計[2-3]中，分為了兩大板塊進行，為小車硬件部分設(shè)計和軟件部分設(shè)計。本研究所設(shè)計的智能小車具有紅外避障、紅外循跡、紅外遙控、太陽能充電等多種功能。為了方便日后的更新和后續(xù)升級，在具體設(shè)計過程中做到不同模塊之間相對獨立。

1）電源模塊：主要由兩節(jié)蓄電池配合太陽能板塊來保證電能供給，電池容量匹配智能小車完成工作需要。

2）單片機控制模塊：作為控制系統(tǒng)的核心，主要擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧蚔CU 類似，對傳感器傳來的信息進行采集和處理，使各功能模塊完成指定的任務(wù)。

3）電機驅(qū)動模塊：由兩個電機來配合單片機系統(tǒng)和驅(qū)動芯片實現(xiàn)小車的正常驅(qū)動。

4）紅外檢測模塊（包括避障、循跡和遙控）：由紅外光電傳感器組成，按不同功能對小車運動過程中遇到的感應(yīng)物做出反應(yīng)，然后傳送信號給控制模塊處理。

5）太陽能板模塊：它由一塊太陽能板和一個雙向開關(guān)組成，開關(guān)控制兩種模式（放電和充電模式），實現(xiàn)脫離傳統(tǒng)蓄電池充電驅(qū)動模式。

2 智能小車硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電源模塊設(shè)計

本研究所設(shè)計的智能型小車，包含兩大主要消耗電能的部分：一是控制回路，二是驅(qū)動回路。主控制部分所需電源為3.3 V，而電機驅(qū)動芯片L293D 的工作電壓為5 V。所以，可以選用5 V 為主要電源，再加上變換晶片7805，就可以得到+3.3 V的輸出電壓。

在供電方面，本設(shè)計采用了兩節(jié)14500 型號的3.7 V 的可充電鋰電池，所以能從鋰電池中直接獲得+7.4 V 的電壓。在+7.4 V 到+5 V 之間，最常用的變換晶片是7805，經(jīng)過電壓穩(wěn)定得到各系統(tǒng)所需電壓，并用7965開關(guān)來控制電源的開關(guān)。

2.2 單片機控制模塊選型設(shè)計

控制系統(tǒng)是移動機器人的核心部件之一，它的主要工作就是在復(fù)雜的環(huán)境下，把事先設(shè)置好的方案和指令轉(zhuǎn)化成所需的機械運動，從而達到特定運動的目的。因此，其控制效果的好壞，不僅關(guān)系到整個機器人的動作精度，而且關(guān)系到其是否能夠達到預(yù)定的目標(biāo)，而且關(guān)系到其靈巧性與可靠性[4]。綜合考慮了系統(tǒng)的硬件性能及成本等方面的原因，本研究選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款具有良好性價比的32 位微控制器STM32F103，并將其應(yīng)用于智能小車的控制中。

控制系統(tǒng)采用了高性能ARM 芯片Cortex-M3，32 位RISC 芯片，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其工作頻率最高可達到72 MHz，并配有一個嵌套的向量干擾控制器，使干擾反應(yīng)更迅速。另外，它還具有512 KB的快閃記憶體，64 B 的SRAM 記憶體，多個增強的輸入輸出埠，并具有配置功能，可與兩個APB 總線相連。本設(shè)計采用了三種不同的低功率工作方式，并且采用了靈活的時鐘控制方式，能夠很好地滿足系統(tǒng)的需要。其工作電壓在2.0 V~3.6 V 之間，當(dāng)電源電壓為3.3 V 時，耗電只有1.44 A。

2.3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)的特點之一就是將主控器與被控器之間的信號以數(shù)字方式傳遞給被控器，從而避免了對被控器進行DAC 轉(zhuǎn)換的過程。該算法能保證信號的數(shù)字化，并能將系統(tǒng)噪聲降到最低。通過一個循環(huán)中高電平的變化，可以使信號占空因數(shù)發(fā)生變化。接通間隔高電平維持得愈久，對應(yīng)的占空因數(shù)愈大。調(diào)節(jié)占空比可以實現(xiàn)不同電壓的輸出，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2.4 紅外避障模塊設(shè)計

紅外避障電路如圖1 所示，其中結(jié)構(gòu)上由V7 紅外發(fā)射二極管和V4 接收管組成避障紅外傳感器探測部分，再結(jié)合上電壓比較器LM393 根據(jù)相應(yīng)指令和控制系統(tǒng)傳達的信息來完成相應(yīng)的避障工作，另外各并聯(lián)電路選取相應(yīng)的色環(huán)電阻來分配電壓以保證電路穩(wěn)定。其原理為：由發(fā)射二極管V7 發(fā)出的紅外線與障礙物發(fā)生碰撞反射，紅外線被反射，光敏管V4接收紅外線，其中3 針輸出高電平，并且2 針電壓U2低于3 針電壓U3，然后由1 針輸出低電平，將電平信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)和電機驅(qū)動芯片處理，完成后續(xù)報警并后退避障操作[5]。經(jīng)過反復(fù)測試，本設(shè)計小車的避障距離為10 cm~20 cm。

圖1 紅外避障電路

2.5 紅外循跡模塊設(shè)計

紅外循跡回路與紅外避障回路的工作原理相似，但兩者的側(cè)重點有所不同。避障電路主要是探測是否有被反射的光線，從而判斷出是否有障礙物，而循跡電路則是著重研究了黑色和白色兩種不同顏色的物質(zhì)對光線的吸收和反射能力的差別。在紅外線循跡模式下，根據(jù)黑、白兩種材料的吸光性能差異，設(shè)計了紅外線循跡裝置。該設(shè)計使用左右輪獨立的兩套循跡模組，兩套循跡模組的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)電路圖如圖2所示。

圖2 循跡電路圖

循跡電路的工作原理是：當(dāng)電路連接電源后，由左邊的紅外線二極管發(fā)出紅外線，當(dāng)光線與黑線相遇時，大多數(shù)紅外線會被黑線吸收，只有很少一部分會被反射回去。紅外線發(fā)射二極管右邊的紅外線接收光敏三極管因為收到的光太少而不能正常工作，光敏三極管的C 端和E 端都是高阻狀態(tài)，并且和電阻R3形成了一個電壓回路[6]。將該分壓電壓與該電壓比較器LM393 的2 針電壓相比較，且2 針電壓U2 低于3 針電壓U3 時，最終由1 針輸出高電平傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)來完成循跡工作，做到始終沿黑線行駛。

正常表面的光被反射后，紅外線光敏三極管吸收了許多光，導(dǎo)通壓降很小。結(jié)果2 針上的電壓U2 比3 針的電壓U3 高，最后，LM393 的1 針就會輸出一個低電平然后正常行駛。直到前面有黑線時，可以通過探測1 針的電平水平來判定。由于小車的循跡誤差取決于小車的大?。▋蓚€循跡傳感器的距離）、循跡傳感器的靈敏度和黑線的粗細等，本款小車的探測靈敏度的設(shè)置可以達到左右輪其中一個輪碰到黑線就會自動矯正，可允許偏移距離約5 cm，偏航后則自動矯正并巡線行駛完成循跡工作。

3 智能小車軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)選擇使用Keil MDK 作為開發(fā)工具，Keil MDK 是ARM 嵌入式開發(fā)的主流工具之一，也是目前為數(shù)不多的完全支持Cortex-M3 處理器開發(fā)的工具之一。若想要實現(xiàn)本設(shè)計的主要三大功能必須有一套精準(zhǔn)的編碼。

3.1 紅外避障系統(tǒng)程序設(shè)計

在本次設(shè)計中，小車行駛時，單片機會先分析紅外傳感器發(fā)送的信號，以判斷前方是否有障礙物。如果紅外傳感器發(fā)射的紅外線被反射并接收到，則會認為前方有障礙物，從而進行相應(yīng)的避障操作[7]。具體來說，若前方存在障礙物，小車會停下來報警后退并執(zhí)行右轉(zhuǎn)避障，直到檢測到無障礙物后才停止右轉(zhuǎn)并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作，以完成相應(yīng)的任務(wù)。避障計算程序如圖3所示。

圖3 避障計算程序

3.2 紅外循跡系統(tǒng)程序設(shè)計

該系統(tǒng)的設(shè)計思路是：在啟動車輛的情況下，首先對跟蹤模塊進行初始化，然后通過紅外線感應(yīng)器來探測車輛的正前方有無黑線。若小車在黑線左邊偏了一點，那就往右邊偏，再往前走；若小車偏離黑線右邊，先向左拐，再向前行駛。循跡計算程序如圖4所示。

圖4 循跡計算程序

4 智能小車焊制與調(diào)試

4.1 小車的焊制

本款小車分為三部分焊接，分別為小車底板、單片機控制板和電力驅(qū)動轉(zhuǎn)接板[8]。

1）首先進行小車底板的焊制，小車底板主要包括避障和循跡板塊。中間固定電池槽，然后底部固定兩個電機和輪胎。

2）轉(zhuǎn)接板部分主要包括電力驅(qū)動系統(tǒng)的一些色環(huán)電阻、遙控板塊、穩(wěn)壓芯片、驅(qū)動芯片和蜂鳴器等部件，還有電源部分的插接頭。

3）最后就是把三部分利用螺釘固定連接起來，并加裝上太陽能板模塊。

焊接過程中需要注意安全并避免脫焊等問題的出現(xiàn)。等到焊接工作完成，小車初步模型已經(jīng)設(shè)計完畢，下一步進行編碼的燒錄，先在PC 端下載好Keil開發(fā)軟件和Fly 燒錄軟件，完善好編碼后進行小車與PC端連接燒錄。

4.2 小車的調(diào)試

1）紅外避障調(diào)試。調(diào)試工作流程：打開小車電源，調(diào)到避障模式，放入事先制作好的含有障礙物的環(huán)境中，當(dāng)障礙物在小車前方10 cm~20 cm，小車報警倒退，實施右拐避障。以此類推直至小車走出障礙環(huán)境，完成避障工作[9]。

2）紅外循跡調(diào)試。循跡功能如圖5 所示，調(diào)試工作流程：打開小車電源，調(diào)到循跡模式，放入事先制作好的帶有黑線的循跡環(huán)境中，小車能夠在環(huán)境中沿著黑線穩(wěn)定行駛，如有發(fā)現(xiàn)識別靈敏度低的狀況，可以調(diào)節(jié)小車底部循跡板塊的靈敏調(diào)節(jié)按鈕，直到達到準(zhǔn)確完成循跡工作的要求。

圖5 循跡功能

3）紅外遙控調(diào)試。調(diào)試工作流程：打開小車電源，調(diào)到遙控模式，將小車放在地面上，用制作好的紅外遙控器向其發(fā)送指令，由小車后端的紅外接收端接收信號，傳輸至控制決策系統(tǒng)進行分析，最后控制小車完成前進、左右轉(zhuǎn)向、后退等操作[10]。

5 結(jié)語

隨著智能車輛行業(yè)及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，日常生活及工業(yè)生產(chǎn)正在向智能化方向發(fā)展，外加新能源汽車的爆火，本設(shè)計是一種不需人為管理的智能設(shè)備，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，能夠適應(yīng)各種不同環(huán)境，克服磁場、溫度、濕度等因素的影響，在人類無法生存或者無法進入的環(huán)境下仍然可以很好地完成運輸、勘測、救援等方面的非常任務(wù)。并在各種實況模擬條件下進行模擬調(diào)試優(yōu)化，確保了本設(shè)計各功能的可行性。