基于單片機(jī)的自控避障小車(chē)設(shè)計(jì)

林奕奕 傅毅霖 戴陳伽 許曉惠 沈振輝

摘要：針對(duì)電動(dòng)小車(chē)行駛中的避障問(wèn)題，研究基于單片機(jī)的自控避障小車(chē)系統(tǒng)，構(gòu)建自控避障小車(chē)系統(tǒng)方案，提出自動(dòng)避障機(jī)制，探討硬件系統(tǒng)組成，完成系統(tǒng)控制狀態(tài)字設(shè)計(jì)及自控避障小車(chē)行進(jìn)控制流程，完成自控避障小車(chē)開(kāi)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)；小車(chē)；自控；避障

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

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)了便利[1]。無(wú)人駕駛作為一個(gè)新興方向，得到越來(lái)越多的關(guān)注。自控避障是無(wú)人駕駛的核心技術(shù)之一。自控避障，保證小車(chē)安全行駛，不僅可以提高小車(chē)的自動(dòng)化、智能化，而且能夠有效降低操作強(qiáng)度，提高工作效率。目前針對(duì)小車(chē)避障的研究中，主要以循跡控制、路徑規(guī)劃為主[2-5]，針對(duì)參數(shù)化的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)配置開(kāi)展的研究依然較少。電子技術(shù)的發(fā)展，使單片機(jī)、光電傳感器、藍(lán)牙通信技術(shù)、舵機(jī)及電機(jī)控制等，在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用。單片機(jī)作為一個(gè)微型控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單邏輯控制，具有相應(yīng)速度快、造價(jià)低廉、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)物體表面、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。藍(lán)牙通信技術(shù)以其功耗低、連接方便、傳輸穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)容易等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。舵機(jī)及電機(jī)控制能夠根據(jù)系統(tǒng)要求執(zhí)行機(jī)械完成預(yù)定動(dòng)作，易于控制、工作穩(wěn)定。為此，本文綜合單片機(jī)控制技術(shù)、光電傳感器技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、舵機(jī)及電機(jī)控制技術(shù)等，開(kāi)展自控避障小車(chē)避障機(jī)制研究，探討參數(shù)化的自控避障小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程配置策略，使自控避障小車(chē)的操作更為簡(jiǎn)便、靈活，具有重要的理論現(xiàn)實(shí)意義。

1 工作機(jī)制

1.1 系統(tǒng)方案

通過(guò)對(duì)自控避障小車(chē)的功能需要分析和非功能性需要分析，設(shè)計(jì)自控避障小車(chē)的系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)由手機(jī)端控制軟件和小車(chē)硬件端組成。手機(jī)端控制軟件通過(guò)藍(lán)牙通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與小車(chē)硬件端的信息傳遞。手機(jī)端控制軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)自控避障小車(chē)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置和手動(dòng)運(yùn)行模式下的自控避障小車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)控制。小車(chē)硬件端由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、藍(lán)牙模塊、人機(jī)交互模塊、行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置、傳感裝置及小車(chē)主體等組成，實(shí)現(xiàn)自控避障小車(chē)的運(yùn)行控制、狀態(tài)顯示、用戶交互及其與手機(jī)端的通訊等功能。其中，人機(jī)交互模塊由輸入鍵盤(pán)和信息顯示組成。

1.2 自控避障機(jī)制

自控避障小車(chē)通過(guò)安裝在小車(chē)主體的光電傳感器進(jìn)行障礙識(shí)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(jìn)行識(shí)別。當(dāng)設(shè)定距離范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，光電傳感器的輸出為1，否則為0。自控避障小車(chē)主體安裝有5個(gè)光電傳感器，前方1個(gè)，左右兩側(cè)各2個(gè)。自控避障小車(chē)前方只有一個(gè)光電傳感器，用于檢測(cè)前方是否有障礙物。自控避障小車(chē)左右兩側(cè)的光電傳感器均設(shè)定為一個(gè)近距離光電傳感器和一個(gè)遠(yuǎn)距離光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物與小車(chē)主體之間距離的識(shí)別。當(dāng)同側(cè)2個(gè)光電傳感器輸出均為1時(shí)，則該側(cè)障礙物與小車(chē)主體的距離小于近距離光電傳感器設(shè)定值，小車(chē)主體觸碰障礙物的可能性極高；當(dāng)同側(cè)2個(gè)光電傳感器的輸出均為0時(shí)，則該側(cè)障礙物與小車(chē)主體的距離大于遠(yuǎn)距離光電傳感器設(shè)定值，小車(chē)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(yuǎn)距離光電傳感器輸出為0時(shí)，則該側(cè)障礙物與小車(chē)主體的距離介于近距離光電傳感器設(shè)定值與遠(yuǎn)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(gè)光電傳感器取值不可能為遠(yuǎn)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(chē)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(chē)根據(jù)5個(gè)光電傳感器的輸出值執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自控避障小車(chē)硬件系統(tǒng)由STC89C52RC單片機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路、顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、HC-05藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)及5個(gè)光電傳感器組成，如圖2所示。STC89C52RC單片機(jī)是硬件系統(tǒng)的核心模塊，有標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊進(jìn)行工作。顯示模塊和鍵盤(pán)輸入模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交互，其中顯示模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)顯示，鍵盤(pán)輸入模塊實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與更改。HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙通信技術(shù)與手機(jī)端進(jìn)行信息傳遞。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)直流電機(jī)的控制，完成自控避障小車(chē)的前進(jìn)、后退、停止等功能。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)的控制，完成自控避障小車(chē)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行等功能。5個(gè)光電傳感器分別對(duì)應(yīng)自控避障機(jī)制中的前方光電傳感器、左側(cè)遠(yuǎn)距離光電傳感器、左側(cè)近距離光電傳感器、右側(cè)遠(yuǎn)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(jì)

自控避障小車(chē)的實(shí)現(xiàn)不僅需要硬件支撐，而且需要軟件進(jìn)行控制。為便于系統(tǒng)控制及降低小車(chē)硬件端與手機(jī)端的通訊數(shù)據(jù)量，設(shè)計(jì)自控避障小車(chē)運(yùn)行控制狀態(tài)字如表2所示。控制狀態(tài)字共5個(gè)碼位，每個(gè)碼位有不同的取值，代表不同的含義，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)控制模式、行進(jìn)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(guò)鍵盤(pán)輸入或者手機(jī)藍(lán)牙交互等方式更改控制狀態(tài)字，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)的更改。其中，速度倍率碼位取值從0～9分別對(duì)應(yīng)10%～100%。轉(zhuǎn)向角度從0～9分別對(duì)應(yīng)0°～45°。

基于上述自控避障機(jī)制及控制狀態(tài)字，自控避障小車(chē)的行進(jìn)控制流程如圖3所示。自控避障小車(chē)啟動(dòng)后，單片機(jī)系統(tǒng)初始化，包括運(yùn)行狀態(tài)、串口通信等。繼而進(jìn)入小車(chē)軟件控制流程。首先，通過(guò)鍵盤(pán)輸入或藍(lán)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(dòng)控制模式。如果是自動(dòng)控制模式，則讀取5個(gè)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(dòng)作后控制硬件。否則，根據(jù)控制狀態(tài)字控制小車(chē)行進(jìn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電動(dòng)小車(chē)行駛中的避障問(wèn)題，提出了基于STC89C52RC單片機(jī)的自控避障小車(chē)。基于電動(dòng)小車(chē)的避障功能需求，構(gòu)建了有機(jī)集成小車(chē)硬件端和手機(jī)端的系統(tǒng)方案，并基于小車(chē)硬件端的光電傳感器布置方案，提出了自控避障小車(chē)的避障規(guī)則表，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車(chē)主體周?chē)系K的有效識(shí)別及主動(dòng)避讓。進(jìn)而在系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，完成了小車(chē)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并從便于軟件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出了小車(chē)控制狀態(tài)字，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制，而且降低小車(chē)硬件端與手機(jī)端的通訊數(shù)據(jù)量。進(jìn)而給出了自控避障小車(chē)行進(jìn)控制流程，完成了自控避障小車(chē)的總體設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的自控避障小車(chē)，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(dòng)避障，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。基于手機(jī)端的參數(shù)設(shè)置傳輸穩(wěn)定、方便快捷、響應(yīng)及時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝松柏，李清宇.基于STC89C52的循跡避障智能小車(chē)的設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2018，34（3）：65-66.

[2]黃淑新，蔡孟凱，楊智，等.工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽無(wú)碳小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2018，47（3）：11-16.

[3]楊瑞東，楊連軍，王云峰，等.基于Android系統(tǒng)的智能循跡避障小車(chē)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2018，47（3）：81-84.

[4]彭美定，鄧鵬.基于單片機(jī)的智能紅外避障小車(chē)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2017（3）：74-76.