基于單片機(jī)的智能循跡小車(chē)設(shè)計(jì)研究

邵艷雪　何永樂(lè)

摘 要：伴隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度的提升，人們對(duì)人工智能的關(guān)注度和研究力度也在不斷提升。智能小車(chē)作為一種以人工智能系統(tǒng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代科技，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域之中。智能小車(chē)的應(yīng)用，可以替代人們?cè)谝恍毫迎h(huán)境中完成設(shè)備檢測(cè)、搬運(yùn)貨物等工作，這樣不僅可以提升相關(guān)工作的效率和水平，還能夠推動(dòng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展。對(duì)此，本文以單片機(jī)形式的智能小車(chē)為立足點(diǎn)，對(duì)此種智能小車(chē)具體的設(shè)計(jì)方案展開(kāi)分析與研究。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能循跡小車(chē)；設(shè)計(jì)研究

汽車(chē)智能化不僅可以提升其自身的操作性能和行駛安全性，還可以滿足一些特殊場(chǎng)合的行駛與工作需要。就智能小車(chē)來(lái)看，它可以在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)操作人員指揮的情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按照預(yù)定設(shè)計(jì)方案做出與之相應(yīng)的工作反映，且即使是在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，仍舊能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。為了能夠更加了解智能小車(chē)的工作狀態(tài)，對(duì)其展開(kāi)進(jìn)一步的改進(jìn)，使其能夠在更多類(lèi)型的環(huán)境和領(lǐng)域中工作，對(duì)其智能循跡的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究勢(shì)在必行。

1 智能小車(chē)循跡系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的主控制芯片是STC89C52號(hào)單片機(jī)，在測(cè)量小車(chē)與障礙物之間的距離時(shí)，采用的是超聲波測(cè)距的辦法。在智能循跡小車(chē)工作期間，其行進(jìn)過(guò)程中道路的具體情況和行使信息等，都是依靠LCD顯示模塊來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋的。此時(shí)，智能小車(chē)中的主控制系統(tǒng)就可以根據(jù)反饋回來(lái)的相關(guān)信息，對(duì)小車(chē)的行使速度和方向做出相對(duì)準(zhǔn)確的判斷，從而及時(shí)調(diào)整小車(chē)行進(jìn)速度和行使方向，使其能夠準(zhǔn)確避開(kāi)所有障礙物?，F(xiàn)階段，智能小車(chē)主要是由主控制模塊、循跡感測(cè)模塊、避障模塊、前進(jìn)模塊、轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)模塊、液晶顯示模塊所構(gòu)成。

2 智能小車(chē)循跡系統(tǒng)的硬件組成和設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本模塊使用的是包含了八位微控制器的STC89C52單片機(jī)。當(dāng)設(shè)計(jì)人員確定了智能小車(chē)系統(tǒng)所使用的超聲波，以及光電接近開(kāi)關(guān)之后躲避障礙的具體方案后，且小車(chē)的行進(jìn)路徑信號(hào)也經(jīng)過(guò)了STC89C52的I口或者是O口的輸入處理，小車(chē)本身的運(yùn)動(dòng)情況就可以得到有效控制。而相關(guān)人員則是借助P0口所輸出的電機(jī)控制信號(hào)來(lái)完成這一控制決策工作的。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

雖然智能小車(chē)屬于一種高水平的人工智能系統(tǒng)，但其在運(yùn)行期間的各類(lèi)運(yùn)動(dòng)行為也都是依靠電機(jī)設(shè)備帶動(dòng)起來(lái)的。小車(chē)在運(yùn)動(dòng)期間，其內(nèi)部單片機(jī)可以按照前方道路的實(shí)際情況和環(huán)境信息等發(fā)布相應(yīng)的控制指令，而后借助電機(jī)設(shè)備的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行達(dá)到控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)方向的最終目的。一般情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用的都是H橋式的驅(qū)動(dòng)電路[ 1 ]。在本文所介紹的智能車(chē)系統(tǒng)中，L298N內(nèi)部就集成了H橋式這種驅(qū)動(dòng)電路。這樣一來(lái)，小車(chē)操控人員就可以借助單片機(jī)給予的PWM信號(hào)和L298電路對(duì)小車(chē)啟動(dòng)、停止和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行有效控制。

2.3 避障模塊

作為控制智能小車(chē)運(yùn)動(dòng)的核心內(nèi)容，避障模塊也是整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)最為關(guān)鍵的一大模塊。應(yīng)用智能小車(chē)企業(yè)中，操作人員制定的避障方案質(zhì)量的好壞，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)本身最終使用性能的高低產(chǎn)生直接影響。在本文智能小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用的為HC—SR04號(hào)的超聲波模塊來(lái)控制智能小車(chē)躲避障礙。該模塊的使用，能夠提供大約兩厘米到四百厘米非接觸式的距離感測(cè)運(yùn)動(dòng)功能，距離測(cè)量結(jié)果的精度度能夠達(dá)到三毫米左右。并且，該模塊的使用，還可以在充分滿足智能車(chē)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)要求的基礎(chǔ)上，提升小車(chē)本身的精確度與抗干擾性能，確保小車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中能夠很好的判斷出前方地面是否存在地面突起或者是小車(chē)無(wú)法穿越的障礙。該模塊中還包括了超聲波發(fā)射器、控制電路、接收器。就目前來(lái)看，智能車(chē)系統(tǒng)中的避障模塊采用的是紅外線探測(cè)法。即借助紅外線在不同顏色物質(zhì)的表面反射情況不同的特點(diǎn)來(lái)確定自己前進(jìn)路徑上存在的所有物質(zhì)的類(lèi)型。在本文的智能系統(tǒng)中，使用的是型號(hào)為T(mén)CRT5000的光電對(duì)管[ 2 ]。智能小車(chē)在行駛的過(guò)程中，可以不斷向地表發(fā)射紅外線光，當(dāng)紅外線的光遇到了白色的地面時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)漫反射；而后反射光就會(huì)被智能小車(chē)上裝載的接收管全部接收。如果小車(chē)在行駛過(guò)程中遇到的黑線被紅外光吸收，小車(chē)上的接收管就不會(huì)收到信號(hào)。這樣一來(lái)，操作人員就可以通過(guò)LM324作比較器，對(duì)高低電平進(jìn)行采集，完成信號(hào)檢測(cè)工作，從而將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)街悄苄≤?chē)上，使其可以在前進(jìn)的過(guò)程中有效的躲避路徑上存在的所有障礙物，進(jìn)而達(dá)到智能避障，提升小車(chē)工作效率的目的。

2.4 測(cè)速模塊

智能小車(chē)測(cè)速模塊是由單光束的紅外光電傳感器和一個(gè)自制黑白編碼盤(pán)所組成的。相關(guān)人員可以將紙板制作成一個(gè)圓形，之后將圓形平均劃分成六個(gè)扇面，并使用間隔涂黑的方式。在使用的過(guò)程中，操作人員需要在小車(chē)的輪子上固定碼盤(pán)，這樣碼盤(pán)就會(huì)隨著小車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)榧t外傳感器只會(huì)對(duì)黑色與白色產(chǎn)生不同反映并輸出高低電平，所以，操作人員只需要將相應(yīng)的信號(hào)變化輸進(jìn)單片機(jī)內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，便可以完成距離測(cè)量工作。同時(shí)，操作人員海爾可以借助定時(shí)器的計(jì)時(shí)功能計(jì)算出小車(chē)的行進(jìn)速度[ 3 ]。此外，操作人員應(yīng)當(dāng)在小車(chē)的兩個(gè)輪子上都安裝測(cè)速裝置。因?yàn)樾≤?chē)在轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)輪子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不同。因此，當(dāng)兩個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)，就表示小車(chē)在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，而操作人員則可以通過(guò)取兩個(gè)輪子運(yùn)動(dòng)速度的平均值了解小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算出小車(chē)和障礙物間的距離。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，筆者主要是以單片機(jī)與傳感器這兩大原理為基礎(chǔ)，對(duì)智能循跡小車(chē)的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。在本文研究的智能小車(chē)系統(tǒng)中，型號(hào)為STC89C52的單片機(jī)屬于主控制芯片，型號(hào)為12V和L298N的直流電機(jī)屬于系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)元件。而后在借助軟件編程技術(shù)，從而制作出了一套功能模塊化、結(jié)構(gòu)完成、反應(yīng)力相對(duì)較為靈敏的智能循跡小車(chē)。最后，筆者對(duì)該小車(chē)的躲避障礙的能力進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)判定該小車(chē)的工作能力。

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作者簡(jiǎn)介：

邵艷雪，河北人，河北大學(xué)，測(cè)控技術(shù)與儀器；

何永樂(lè)，河北藁城人，河北大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。