基于紅外傳感器的智能循跡與避障小車的設計

楊傳志+初俊博+王鯤鵬+王杰+晁東伸

摘 要 紅外傳感器通過向外界發射紅外線及接受反射回來的紅外線的情況，將其傳遞給已寫入相關程序的單片機智能小車，控制其輪胎的電機，從而控制小車的行駛狀態，進而實現智能小車的避障及循跡功能。

關鍵詞 智能小車；紅外傳感器；循跡；避障

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）183-0091-02

隨著現代科技的發展，計算機領域的快速變革，使得越來越多的高科技產品面向世界，改善了人類的生活。其中，單片機與傳感器領域的研究在我國也取得了重大突破，一些多功能機器人陸續被研發，用以解決科技、工程、實驗等領域中人類很難或無法完成的某些工作，效果較為顯著。

為了研制出可以實現多功能的智能機器人，首先要在上面實現一些機器人所需具備的基本功能。其中，循跡與避障功能較為普遍，也是智能機器人被稱之為“智能”的先決條件。為實現上述兩種功能，需要借助文章開頭提到的兩種器件，“單片機與傳感器”。單片機和傳感器的種類有很多，本文中采用STC89C52RC單片機以及紅外傳感器完成智能小車的設計[1]。

1 設計思想及基本原理

1.1 基本思想

本設計中的智能小車，通過分別安裝在單片機主板上表面和下表面的兩對紅外傳感器，來實現對外界信息的感知，并將所感知的外界信息轉換為小車的控制信號，從而實現小車的智能化，即實現循跡與避障功能[2]。

1.2 紅外避障原理

小車主板上表面左右前腳各安裝一個紅外傳感器，小車正常行駛途中，前方無障礙物，則左右兩個傳感器返回給單片機的信號為高電平。若小車在行駛途中，一側的傳感器傳遞給單片機的信號為低電平，則表明這一側傳感器的前方存在某種障礙物。此時就需要根據燒寫入單片機的程序來控制小車的運動，使其避開前方的障礙物，繼續行駛。反復執行上述操，就實現了避障功能。

1.3 紅外循跡原理

小車主板下面對稱安裝兩個紅外傳感器，兩者之間的距離較避障模塊的兩個傳感器位置要近，通過發射和接受紅外線將光信號轉變為電信號，從而控制小車運動。

由于在紅外線在黑色與白色反射面上反射回的光強度差別很大，黑色面吸收紅外光較強而反射光較弱，所以單片機接收的信號為低電平。白色面反射光較強，單片機接收信號為高電平。正常行駛在光滑地面上，兩側均為高電平。通過相應的程序控制小車沿著白色地面上的一條黑色軌跡線運動，實現循跡功能。且以上情況建立在黑線寬度小于兩傳感器間距的假設下[3]。

2 硬件設計

本設計中的紅外傳感器具有發射紅外光和接受紅外光的功能，其主要結構包含一對紅外光發射裝置〔Q1，Q2〕，以及一對紅外光接收裝置〔Q3，Q4〕，具體電路連接圖如圖1所示。

圖中一對IR LED發光二極管作為紅外發射器，向外界發射紅外光。圖中一對IR DETECT為紅外接受器，用來接受從外界反射回來的紅外光。按照電路圖完成連接，通過P1_3與P3_6施加信號來控制紅外發射器的發射，通過P1_2與P3_5向單片機傳輸紅外接收器所接收的信號，圖中電阻R1-R4是負載電阻，通過改變其阻值大小用以調節紅外傳感器的靈敏度，使小車兩側傳感器的作用距離相對應。

循跡與避障功能雖然都是利用紅外傳感器來實現的，但是卻是兩對安裝在不同位置的傳感器，用以實現不同的功能。小車主板上表面安裝的一對是用來實現避障功能的傳感器，小車主板下表面安裝的一對是用來實現循跡功能的傳感器，其安裝分布圖如下圖2所示。

3 軟件設計

首先設計基本的軟件流程圖，根據已經構造好的流程圖，通過Keil uVision4軟件來編寫實現相應功能的程序，運行成功后，通過STC-ISP將已編寫好的程序燒寫入單片機。

為實現避障功能，首先要控制兩個紅外傳感器持續不斷地向外界發射紅外光，之后才可以通過反射光的情況來進行隨后的操作。若兩個傳感器都未接收到信號，說明前方無障礙物，則控制小車直行；若只有左側傳感器接收到信號，說明小車左側存在障礙物，則需控制小車左側兩個電機正轉，右側兩個電機停轉，即小車整體向右轉；若只有右側傳感器接收到信號，與上述操作相反。若兩個傳感器均接收到信號，則說明小車進入“死區”，則需控制小車先做后退運動，再進行向左或向右轉向，從而駛出“死區”。

實現循跡功能，也同樣需要控制底部兩個傳感器不斷發射紅外光。若兩個紅外傳感器均接收到信號則說明黑線處于兩傳感器之間，即車輪之間，此時小車保持直線行駛。若左側傳感器未接收到返回的信號，則說明此時左側車輪已駛出黑線外，此時需控制小車左側電機正轉，右側電機停轉，即小車向右轉彎，直至兩傳感器再次均接收到信號時，小車恢復直行狀態。若右側傳感器未接收到返回的信號，與上述操作同理，方向相反。

4 結論

基于單片機智能小車的循跡與避障功能設計，實現了兩個智能機器人的基本功能，但是現實社會領域中，往往存在各種各樣的復雜情況，只依靠基本功能是不能夠完成某些難度較大且對細節要求較高的任務，還需要更先進的技術與元器件以及更加尖端的控制程序。

然而通過本次設計可以使實踐者對于此領域有個初步的認識，打開科技創新的大門，但是相比于當今社會的高新技術領域，還是有很大的發展空間的。并且從現在起乃至不久的將來，這一領域將會迅猛發展，更加廣泛地應用于社會各個領域。此外，本次設計中存在很多不足，仍有很多部分需要改進。

參考文獻

[1]索南尖措，楊建.基于STC89C52單片機的智能小車的設計[J].信息安全與技術，2016，7（4）：67-69.

[2]董濤，劉進英.基于單片機的智能小車的設計與制作[J].計算機測量與控制，2009，17（2）：380-382.

[3]張巖，裴曉敏.基于單片機的智能循跡小車設計[J].國外電子測量技術，2014，33（3）：51-54.