基于單片機(jī)的智能避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸春雨 王琰

【摘要】介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)的智能避障小車。系統(tǒng)以AT89S52 為控制核心，采用3組紅外傳感器完成障礙物檢測(cè)。通過(guò)I/O口控制360°伺服舵機(jī)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)向、避障等動(dòng)作，利用PWM（脈寬調(diào)制）方法可精確控制小車運(yùn)行速度。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，實(shí)踐證明小車能夠成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

【關(guān)鍵詞】AT89S52;紅外傳感器;伺服舵機(jī);避障

Abstract：This paper introduces an intelligent obstacle avoidance car based on SCMC.The system uses AT89S52 as the control core，using 3 groups of infrared sensors for obstacle detection.Through the I/O port control 360 °servo realize the cars forward，backwards，steering，obstacle avoidance action ect，and using the Pulse-Width Modulation（PWM）method can control the speed of the car accuracy.This system has the advantages of simple structure，fast response speed and test proved that the car could keep away from the obstacle successfully.

Key words：AT89S52;Infrared sensor;Servo steering gear;Obstacle avoidance

引言

智能小車作為輪式機(jī)器人的一個(gè)重要分支，隨著機(jī)器人研究的深入受到越來(lái)越多人的關(guān)注。國(guó)內(nèi)很多高校和研究院所在機(jī)器人小車項(xiàng)目上都取得了成績(jī)，也有多家公司在開發(fā)和研制教學(xué)及比賽用機(jī)器人小車。本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，單片機(jī)根據(jù)紅外避障傳感器檢測(cè)到的不同信號(hào)，控制小車左右兩個(gè)伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，完成正常行駛和自動(dòng)避障功能。實(shí)踐證明，此方案可行并且可靠。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

小車車體結(jié)構(gòu)俯視圖[1]如圖1所示，循跡小車主要由控制電路板、電機(jī)、傳感器模塊、底盤部件等結(jié)構(gòu)組成。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，總體設(shè)計(jì)方案如下：

圖1 車體結(jié)構(gòu)俯視圖

圖2 系統(tǒng)總體框圖

①控制電路板以AT89S52為控制核心，外接紅外避障傳感器和控制電機(jī)信號(hào);②電機(jī)采用伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)小車實(shí)現(xiàn)基本巡航動(dòng)作（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、掉頭）;③傳感器選擇三只E18-D80NK紅外光電開關(guān)檢測(cè)小車前方障礙物，單片機(jī)根據(jù)三個(gè)傳感器接收信號(hào)的情況判斷前方障礙物的分布，控制小車自動(dòng)避障。④小車底盤部件包括了底盤本體、電池盒 、左右輪子和尾輪等部件。選用三輪結(jié)構(gòu)車體，車體前方兩側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，后方中心裝有尾輪，起支撐作用，這樣可以保證小車能夠靈活循跡。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)模塊

采用可以按照指令連續(xù)控制位置或速度的360度伺服舵機(jī)。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。圖3所示是高電平持續(xù)1.5ms 低電平持續(xù)20ms，然后不斷重復(fù)的控制脈沖序列。該脈沖序列發(fā)給經(jīng)過(guò)零點(diǎn)標(biāo)定后的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)不會(huì)旋轉(zhuǎn)。如果此時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，表明電機(jī)需要標(biāo)定。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速為零的控制信號(hào)時(shí)序圖

圖4 控制伺服電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)的時(shí)序

圖5 控制伺服電機(jī)逆時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)的時(shí)序

圖6 電機(jī)與單片機(jī)的接口原理

從圖3、圖4和圖5可知[2]，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時(shí)間，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間為1.3ms時(shí)，電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)高電平持續(xù)時(shí)間1.7ms時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針?biāo)傩D(zhuǎn)。舵機(jī)的輸入線共有三條，紅色是電源線，黑色是地線，另外一根白線是控制信號(hào)線。選擇P1_0專門控制右輪伺服電機(jī);P1_1專門控制左輪伺服電機(jī)。電機(jī)與單片機(jī)的接口連接如圖6所示。

2.2 紅外避障模塊

選擇光電開關(guān)E18-D80NK-N進(jìn)行障礙物信息采集，E18-D80NK-N是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，平均有效探測(cè)距離0～80cm可調(diào)，發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出。有效的避免了可見光的干擾。E18-D80NK-N是NPN型光電開關(guān)，檢測(cè)到目標(biāo)物體時(shí)輸出低電平，正常狀態(tài)時(shí)高電平輸出。其外部接線是三線制，紅色接+5V電源，綠色線接地，黃色是輸出信號(hào)，輸出時(shí)外加一個(gè)1K的上拉電阻接到單片機(jī)I/O口上。光電開關(guān)內(nèi)部原理和外部接線圖如圖7所示[3]。小車車頭安裝3個(gè)E18-D80NK，中間一個(gè)對(duì)向正前方，左右兩側(cè)傳感器向兩邊分開約30度，分別探測(cè)正前方，前右側(cè)，前左側(cè)障礙物信息。三個(gè)光電開關(guān)輸出信號(hào)分別連接到了P2_1，P2_2，P2_3引腳上。

圖7 傳感器內(nèi)部原理及外部接線圖

2.3 電源模塊

采用2節(jié)3.7V可充電式鋰電池串聯(lián)共7.4V電源，經(jīng)三端穩(wěn)壓器7805經(jīng)C6、C7濾波，在電源電路里起到抑制紋波電壓，濾除高頻干擾的作用，7.4V電壓經(jīng)7805的電壓變換后使得輸出得到一個(gè)穩(wěn)定平滑的邏輯數(shù)字5V直流電壓給伺服舵機(jī)、單片機(jī)芯片以及傳感器供電。電源系統(tǒng)的電路圖如圖8所示。

圖8 邏輯5V電壓產(chǎn)生電路

圖9 move函數(shù)體

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 小車基本動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

小車向前走時(shí)，從小車的左邊看，它向前走時(shí)輪子是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的;從右邊看另一個(gè)輪子則是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。同理，小車其他動(dòng)作左右輪子的運(yùn)動(dòng)方向也可以分析出來(lái)，結(jié)合圖3、圖4、圖5電機(jī)控制時(shí)序圖，可分析出小車運(yùn)行方向和速度控制情況，如表1所示。在表1中，無(wú)論是參數(shù)tleft還是tright，其值越接近1500?s，小車速度越低。因此，可通過(guò)改變參數(shù)大小實(shí)現(xiàn)小車的加減速控制。發(fā)給單片機(jī)控制引腳的高電平持續(xù)時(shí)間決定了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和方向。實(shí)際上兩個(gè)輪子的不同速度組合控制著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和方向，因此在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中，可以直接用兩個(gè)車輪的速度作為形式參數(shù)，定義left為左輪參數(shù)，定義right為右輪參數(shù)，這樣可以將小車所有運(yùn)動(dòng)用一個(gè)函數(shù)（move）來(lái)實(shí)現(xiàn)。for循環(huán)的參數(shù)counter控制了發(fā)送給電機(jī)的脈沖數(shù)量。由于每個(gè)脈沖的時(shí)間是相同的，因而for循環(huán)的參數(shù)也控制了伺服電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間。move函數(shù)的定義如圖9所示。

表2 小車自動(dòng)避障策略表

3.2 小車避障功能的實(shí)現(xiàn)

圖10為自動(dòng)避障程序流程圖，該流程圖中小車的7個(gè)避障動(dòng)作函數(shù)內(nèi)容與表2所給出的避障策略表一致。采用T1定時(shí)器作為小車周期性探測(cè)和動(dòng)作的時(shí)鐘，每隔0.1s響應(yīng)T1定時(shí)中斷，在T1的中斷服務(wù)程序中判斷三個(gè)光電開關(guān)的返回值，控制小車完成相應(yīng)的避障動(dòng)作。

圖10 小車自動(dòng)避障程序流程

4.結(jié)論

實(shí)際測(cè)試證明，該系統(tǒng)控制下的小車具有很好的自動(dòng)避障能力，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和調(diào)試，總結(jié)如下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：①注意調(diào)整紅外傳感器的角度，使傳感器不會(huì)受桌面等非障礙物的影響。②小車全速行駛突然停下時(shí)，小車會(huì)有翻車或向前沖的可能，導(dǎo)致后續(xù)動(dòng)作出現(xiàn)偏差。這個(gè)問(wèn)題的有效解決方法是：停止程序后執(zhí)行一個(gè)停頓脈沖和200毫秒的延時(shí)。這樣就很好的增加了小車運(yùn)行的穩(wěn)定性。③程序中發(fā)送脈沖給電機(jī)之前檢查障礙物，可大大改善小車行走性能。

參考文獻(xiàn)

[1]劉開緒，韓志友.基于AT89C51的尋跡小車掉頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009， 30（1）：79-81.

[2]秦志強(qiáng).C51單片機(jī)應(yīng)用與C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2011.8.

[3]向楠，鄒華東.基于STC89C52RC單片機(jī)智能搬運(yùn)電動(dòng)小車設(shè)計(jì)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014， 24（1）：19-21.

基金項(xiàng)目：2013江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201312920004Y）。

作者簡(jiǎn)介：

陸春雨（1993—），男，現(xiàn)就讀于南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)。

王琰（1980—），女，工學(xué)碩士，講師，主要研究方向：機(jī)電控制技術(shù)。