基于智能循跡避障小車的超聲波傳感器方案設計研究

陳盛開

摘 要：在計算機科學技術迅猛發展的形勢下，汽車智能引起了人們的極大關注和重視，隨著嵌入式技術的普及和發展，汽車智能系統中的自動化技術不斷加深，相關研究人員都在致力于研究智能小車的開發設計，基于智能循跡避障小車的研究和設計是集環境感知、規劃決策、自動行駛于一體的綜合自動化系統，它主要采用單片機裝置、紅外傳感器及超聲波傳感器裝置等，較好地實現自主避障功能。

關鍵詞：汽車智能；循跡避障小車；超聲波；傳感器；設計

隨著汽車智能的研究程度的加深，基于智能循跡避障小車的研究和設計也在不斷深入，采用單片機、紅外傳感器和超聲波傳感器的智能循跡避障小車，可以較好地實現對小車運行位置、運行狀態、周邊環境的實時測量，并在各個相關裝置的自動化處理條件下，實現對小車的智能自主控制，包括道路障礙的自動辨識、自動報警、自動保持安全距離、自動保持車速、巡航自動控制等。該系統具有電路結構簡單、可靠性強、便于移植和推廣的特點。

一、智能循跡避障小車的總體方案設計

智能循跡避障小車主要是單片機為核心控制芯片，并進行不同模塊的總體設計，其具體相關模塊主要包括有：紅外循跡避障模塊、超聲波測距模塊、電機驅動模塊、Wifi無線模塊、顯示電路模塊。

智能循跡避障小車的工作模式可以采用遙控模式和自動功能兩種模式，具體來說：遙控模式是在打開電源的前提下，通過對小車無線遙控（藍牙）的控制，可以實現相應的自動控制功能。自動功能是依賴于小車的避障功能進入自動化的狀態，可以由人工確定各種不同的工作狀態，具有更為人性化的設計，實現在不同環境下的人為控制，具有智能的特點。

二、智能循跡避障小車的硬件及軟件設計

（一）電機驅動模塊設計

智能循跡避障小車主要是四驅型小車，各自攜帶有驅動電機，并設置有電機控制輸出端口及轉向控制舵。在這個模塊之中，以電機的驅動芯片和直流電機為核心，實現對智能小車的自動控制。它主要是由Wifi模塊接收指令，由芯片對指令進行數據解析，然后將解析后的數據指令分發到不同的電機驅動芯片之中，實現智能小車的左、右轉向的運動。

（二）智能小車超聲波測距模塊設計

智能循跡避障小車可以選用HC-SR04超聲波模塊，它主要是利用發射器發射的超聲波信號，經由物體反射再由具有壓電效應的換能器接收，當這種具有壓電效應的換能器接收到長約6mm、頻率為40kHz的超聲波信號時，則會產生mV級的微弱電壓信號，該模塊就是利用超聲脈沖回波渡越時間法，來達到信號測距的效果和目的。其原理如下圖所示：

利用上述超聲波傳感器的應用原理，可以進行如下計算：假設超聲波脈沖由傳感器發出到接收的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則可以采用I/O口TRIG觸發測距，給出不低于10us的高電平信號，測出傳感器到目標物體的距離。

測試距離=（高電平時間×聲速）/2

該超聲波傳感器測距模塊可以自動發送8個40kHz的方波，并自動檢測返回的信號，當檢測到有信號返回時，由I/O口ECHO輸出一個高電平，由這個高電平信號持續的時間，可以獲悉超聲波從發射到返回的時間。

（三）顯示電路模塊設計

它主要是采用兩片4位八段數碼管，作為顯示電路模塊的顯示器，可以分別顯示出超聲波傳感器的實測距離和當前的電源電壓。

智能循跡避障小車的軟件設計可以選用Keil、Protues軟件等，提供豐富的庫函數，并具有功能極為強大的集成開發調試工具，充分體現出高級語言的優勢，具有較強的可讀性、結構性和可維護性。

三、智能循跡避障小車的設計程序實現

（一）主程序實現

這主要是對主控芯片各個功能部件的自動控制和操作，是一種初始化的操作，包括系統各個模塊的初始化操作，如：電源電壓顯示模塊的初始化、紅外感應模塊的初始化、超聲波傳感器的初始化等。

（二）電機驅動程序實現

它主要是利用紅外光電傳感器對光線的感應原理而實現，通過驅動四個電機，以實現對智能小車的運行狀態控制。包括小車的前進、后退、左轉、右轉等操作。

（三）超聲波測距實現

它主要是利用VCC引腳作為超聲波模塊的電源支持，在主控芯片的TTL觸發信號傳輸進入到TRIG引腳之后，可以產生8個40kHz周期電平，并發出聲波信號，當檢測到有回波信號時，ECHO引腳會向主控芯片發送高電平回響信號，實現對智能小車的超聲波測距。

由此可見，這種經濟實用的智能循跡避障小車以單片機為控制核心，以超聲波傳感器，實現對路面障礙的檢測，可以使智能小車自動避障，實現不同速度的行駛，并具有自動尋跡和尋光的功能、自動記錄行駛時間、里程和速度的功能，具有極為廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]雷鋼，王宏遠.基于AVR單片機的控制系統設計[J]. 計算機與數字工程，2006（11）.