基于單片機的自控避障小車設(shè)計

林奕奕 傅毅霖 戴陳伽 許曉惠 沈振輝

摘要：針對電動小車行駛中的避障問題，研究基于單片機的自控避障小車系統(tǒng)，構(gòu)建自控避障小車系統(tǒng)方案，提出自動避障機制，探討硬件系統(tǒng)組成，完成系統(tǒng)控制狀態(tài)字設(shè)計及自控避障小車行進控制流程，完成自控避障小車開發(fā)。

Abstract： Considering the problem of obstacle avoidance for electricity motive car， the system built for automatic obstacle avoidance car based on single chip microcomputer is discussed and constructed. Then the mechanism of automatic obstacle avoidance is proposed and the construction device of the car is presented. And the status word for control as well as the control flow for the travel of the automatic obstacle avoidance car are designed. Consequently， the automatic obstacle avoidance car is developed.

關(guān)鍵詞：單片機；小車；自控；避障

Key words： single chip microcomputer；car；automatic；obstacle avoidance

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）17-0180-03

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器和微型控制器的應(yīng)用給人們的生活帶來了便利[1]。無人駕駛作為一個新興方向，得到越來越多的關(guān)注。自控避障是無人駕駛的核心技術(shù)之一。自控避障，保證小車安全行駛，不僅可以提高小車的自動化、智能化，而且能夠有效降低操作強度，提高工作效率。目前針對小車避障的研究中，主要以循跡控制、路徑規(guī)劃為主[2-5]，針對參數(shù)化的系統(tǒng)運行狀態(tài)配置開展的研究依然較少。電子技術(shù)的發(fā)展，使單片機、光電傳感器、藍牙通信技術(shù)、舵機及電機控制等，在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用。單片機作為一個微型控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單邏輯控制，具有相應(yīng)速度快、造價低廉、外圍電路簡單等優(yōu)點。光電傳感器屬于非接觸傳感器，具有響應(yīng)速度快、不破壞被測物體表面、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。藍牙通信技術(shù)以其功耗低、連接方便、傳輸穩(wěn)定、開發(fā)容易等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。舵機及電機控制能夠根據(jù)系統(tǒng)要求執(zhí)行機械完成預(yù)定動作，易于控制、工作穩(wěn)定。為此，本文綜合單片機控制技術(shù)、光電傳感器技術(shù)、藍牙通信技術(shù)、舵機及電機控制技術(shù)等，開展自控避障小車避障機制研究，探討參數(shù)化的自控避障小車運行狀態(tài)遠程配置策略，使自控避障小車的操作更為簡便、靈活，具有重要的理論現(xiàn)實意義。

1 工作機制

1.1 系統(tǒng)方案

通過對自控避障小車的功能需要分析和非功能性需要分析，設(shè)計自控避障小車的系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)由手機端控制軟件和小車硬件端組成。手機端控制軟件通過藍牙通信技術(shù)實現(xiàn)與小車硬件端的信息傳遞。手機端控制軟件主要實現(xiàn)對自控避障小車運行參數(shù)的設(shè)置和手動運行模式下的自控避障小車運行實時控制。小車硬件端由單片機、驅(qū)動電路、藍牙模塊、人機交互模塊、行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置、傳感裝置及小車主體等組成，實現(xiàn)自控避障小車的運行控制、狀態(tài)顯示、用戶交互及其與手機端的通訊等功能。其中，人機交互模塊由輸入鍵盤和信息顯示組成。

1.2 自控避障機制

自控避障小車通過安裝在小車主體的光電傳感器進行障礙識別。光電傳感器能夠?qū)υO(shè)定距離范圍內(nèi)是否有障礙物進行識別。當(dāng)設(shè)定距離范圍內(nèi)有障礙物時，光電傳感器的輸出為1，否則為0。自控避障小車主體安裝有5個光電傳感器，前方1個，左右兩側(cè)各2個。自控避障小車前方只有一個光電傳感器，用于檢測前方是否有障礙物。自控避障小車左右兩側(cè)的光電傳感器均設(shè)定為一個近距離光電傳感器和一個遠距離光電傳感器，實現(xiàn)對障礙物與小車主體之間距離的識別。當(dāng)同側(cè)2個光電傳感器輸出均為1時，則該側(cè)障礙物與小車主體的距離小于近距離光電傳感器設(shè)定值，小車主體觸碰障礙物的可能性極高；當(dāng)同側(cè)2個光電傳感器的輸出均為0時，則該側(cè)障礙物與小車主體的距離大于遠距離光電傳感器設(shè)定值，小車主體觸碰障礙物的可能性極低；當(dāng)同側(cè)近距離光電傳感器輸出為1而遠距離光電傳感器輸出為0時，則該側(cè)障礙物與小車主體的距離介于近距離光電傳感器設(shè)定值與遠距離光電傳感器設(shè)定值之間，屬于較為合理的工作狀態(tài)。在當(dāng)前設(shè)置條件下，同側(cè)2個光電傳感器取值不可能為遠距離光電傳感器輸出為1而近距離光電傳感器輸出為0。根據(jù)當(dāng)前設(shè)定條件，設(shè)置自控避障小車的避障規(guī)則表如表1所示。基于該規(guī)則表，自控避障小車根據(jù)5個光電傳感器的輸出值執(zhí)行相應(yīng)動作實現(xiàn)自動避障。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

自控避障小車硬件系統(tǒng)由STC89C52RC單片機、標準驅(qū)動電路、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、HC-05藍牙模塊、電機驅(qū)動模塊、直流電機、舵機驅(qū)動模塊、舵機及5個光電傳感器組成，如圖2所示。STC89C52RC單片機是硬件系統(tǒng)的核心模塊，有標準驅(qū)動電路驅(qū)動，協(xié)調(diào)各個模塊進行工作。顯示模塊和鍵盤輸入模塊實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交互，其中顯示模塊實現(xiàn)系統(tǒng)信息的實時顯示，鍵盤輸入模塊實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與更改。HC-05藍牙模塊實現(xiàn)硬件系統(tǒng)通過藍牙通信技術(shù)與手機端進行信息傳遞。電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)系統(tǒng)對直流電機的控制，完成自控避障小車的前進、后退、停止等功能。舵機驅(qū)動模塊實現(xiàn)系統(tǒng)對舵機的控制，完成自控避障小車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行等功能。5個光電傳感器分別對應(yīng)自控避障機制中的前方光電傳感器、左側(cè)遠距離光電傳感器、左側(cè)近距離光電傳感器、右側(cè)遠距離光電傳感器和右側(cè)近距離光電傳感器。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

自控避障小車的實現(xiàn)不僅需要硬件支撐，而且需要軟件進行控制。為便于系統(tǒng)控制及降低小車硬件端與手機端的通訊數(shù)據(jù)量，設(shè)計自控避障小車運行控制狀態(tài)字如表2所示。控制狀態(tài)字共5個碼位，每個碼位有不同的取值，代表不同的含義，分別實現(xiàn)對控制模式、行進方向、速度倍率、轉(zhuǎn)向方式、轉(zhuǎn)向角度等的控制。操作者通過鍵盤輸入或者手機藍牙交互等方式更改控制狀態(tài)字，即可實現(xiàn)對運動控制狀態(tài)的更改。其中，速度倍率碼位取值從0～9分別對應(yīng)10%～100%。轉(zhuǎn)向角度從0～9分別對應(yīng)0°～45°。

基于上述自控避障機制及控制狀態(tài)字，自控避障小車的行進控制流程如圖3所示。自控避障小車啟動后，單片機系統(tǒng)初始化，包括運行狀態(tài)、串口通信等。繼而進入小車軟件控制流程。首先，通過鍵盤輸入或藍牙通信讀取用戶交互信息，根據(jù)用戶需求判斷是否需要更新控制狀態(tài)字。若控制狀態(tài)字功能與用戶需求不一致，則更新控制狀態(tài)字，否則不做操作。隨后，根據(jù)控制狀態(tài)字判斷是否為自動控制模式。如果是自動控制模式，則讀取5個光電傳感器輸出值，根據(jù)輸出狀態(tài)查詢自控避障規(guī)則表得到執(zhí)行動作后控制硬件。否則，根據(jù)控制狀態(tài)字控制小車行進。

3 結(jié)束語

本文針對電動小車行駛中的避障問題，提出了基于STC89C52RC單片機的自控避障小車。基于電動小車的避障功能需求，構(gòu)建了有機集成小車硬件端和手機端的系統(tǒng)方案，并基于小車硬件端的光電傳感器布置方案，提出了自控避障小車的避障規(guī)則表，實現(xiàn)了對小車主體周圍障礙的有效識別及主動避讓。進而在系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，完成了小車硬件系統(tǒng)的設(shè)計。并從便于軟件設(shè)計的角度出發(fā)，提出了小車控制狀態(tài)字，不僅簡化了系統(tǒng)控制，而且降低小車硬件端與手機端的通訊數(shù)據(jù)量。進而給出了自控避障小車行進控制流程，完成了自控避障小車的總體設(shè)計。所設(shè)計的自控避障小車，不僅能夠快速響應(yīng)用戶需求設(shè)置，而且可以根據(jù)傳感器輸出主動避障，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠?；谑謾C端的參數(shù)設(shè)置傳輸穩(wěn)定、方便快捷、響應(yīng)及時。

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