基于單片機的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馬宏斌，畢建興，趙家瑩

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 河北 保定 071000）

1 引言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人工智能化已成為現(xiàn)在大家的關(guān)注的重點，基于此項技術(shù)無人駕駛技術(shù)已成為未來汽車發(fā)展的重點，面向未來無人駕駛汽車應(yīng)該具有極強的自動控制能力，不需人為控制，就可完成預(yù)期所定目標，并且極大地降低交通事故率，其具有極強的現(xiàn)實應(yīng)用意義。目前市場大量出售的轎車沒有普便應(yīng)用推廣避障系統(tǒng)，據(jù)現(xiàn)有資料顯示大多數(shù)交通事故是因車距過小而造成的追尾、碰撞事故。本文提出的采用傳感技術(shù)實現(xiàn)的避障系統(tǒng)可利用利用STC89C52單片機在智能小車上進行仿真設(shè)計實驗。

2 基于智能小車避障的系統(tǒng)的設(shè)計方案

（1）本設(shè)計中采用單片機STC89C52作為路況信息的檢測、傳感器輸入信號的處理、驅(qū)動電機控制和提供+5V電源的核心器件。

（2）采用超聲波傳感器模塊來探測全方位360度的障礙物，當(dāng)檢測道傳感器前方存在的障礙物與小車的實時距離小于設(shè)定值時，通過單片機控制驅(qū)動車輪停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以此來規(guī)避前方障礙物，實現(xiàn)避障作用。

（3）小車的自動循跡主要由紅外傳感模塊檢測信號，當(dāng)小車在鋪設(shè)好的軌道上行駛時通過紅外模塊的信號讀入可通過控制車輪的轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)按規(guī)定的軌道前進的目標。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路由直流電源、STC89C52單片機開發(fā)板、超聲波傳感器模塊、紅外傳感器模塊、L298N電機驅(qū)動模塊、直流電機構(gòu)成。

3.1 直流電源

利用直流穩(wěn)壓源為單片機、直流電機進行供電極大地為調(diào)試提供了便利，但其也存在著穩(wěn)壓電源體積相對過大，供電線路較短不適合較長軌道的電源提供。因為考慮到小車電機的靈活工作需要并且單片機采用5V電壓供電即可，干電池組合使用也會代替直流穩(wěn)壓源的作用，其存在體積小，電壓穩(wěn)定的優(yōu)點，但我們在選用直流電機時便固定了只能選用恒壓為5V直流電機的電機，太大的電機電壓等級會存在供電不足停止轉(zhuǎn)動的情況。

3.2 STC89C52單片機開發(fā)板

該系統(tǒng)設(shè)計中單片機是信號采集、信息處理、電機控制的核心器件。綜合考慮比較市場單片機的性能、成本等方面，選用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52單片機作為中央處理器。其實時收集和處理小車再前行過程中的傳感模塊采集回來的信息數(shù)據(jù)，來驅(qū)動控制小車的行進速度與方向。

3.3 超聲波傳感器模塊

超聲波測距離傳感器模塊，采用超聲波回波測距原理，運用精確的時差測量技術(shù)，檢測傳感器與目標物之間的距離，采用小角度、小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測量精度高，穩(wěn)定性能好、無直接接觸的優(yōu)點。通過軟件編程可以設(shè)置最短距離來實現(xiàn)智能小車的自動避障功能。

3.4 紅外傳感器模塊

該設(shè)計采用的紅外傳感器模塊采用紅外避障模塊，其由一對紅外線的發(fā)射與接收管組成，當(dāng)此管發(fā)射出一定頻率的紅外線光波遇到反射面時變會反射被接收管接收，經(jīng)過比較處理電路處理變會產(chǎn)生信號輸出，其輸出信號為高低電平，并且其還能根據(jù)實際需求來反射距離,但是其容易受強太陽光等多種含有紅外線的外來光源干擾。在進行實驗因?qū)ζ溥M行遮光處理，并在實際軌道上進行調(diào)試其檢測距離已達到要求。

3.5 L298N電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊作為單片機與電機的中間聯(lián)絡(luò)器件，將單片機IO口輸出的信號轉(zhuǎn)化為電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、與停止的實際控制。電機驅(qū)動模塊對電機驅(qū)動系統(tǒng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)矩重量比、高可靠性等要求。

4 系統(tǒng)的電路設(shè)計

4.1 循跡電路

用紅外避障模塊作為小車循跡傳感器，循跡電路結(jié)構(gòu)比較簡單而且工作穩(wěn)定實用，在經(jīng)過遮光處理后便能不中斷的向地面發(fā)射和接收紅外光，從而判斷實時路況。軌道是由黑白兩種顏色組成的平板制成，黑色為板子的底面，白線代表著軌道的走向。當(dāng)紅外光線照射到白線上就會發(fā)生漫反射，則反射光被接收管接收的光線就相對較弱，從而經(jīng)過模塊內(nèi)部的比較計算給單片機的IO口輸入一個低電平，同理當(dāng)紅外光照射到黑色板面時給IO口輸入一個高電平。通過單片機內(nèi)部的程序判斷小車當(dāng)前的行駛狀況，并作出相應(yīng)處理以保證小車能繼續(xù)沿軌道前行。在調(diào)試過程中應(yīng)注意兩個紅外避障的相對距離，否則會出現(xiàn)小車在循跡時沿直線而到處拐動。

從簡單、可靠的角度出發(fā)，同時應(yīng)用5個紅外避障的傳感模塊可大大提高循跡的穩(wěn)定性。

4.2 避障電路

應(yīng)用超聲波傳感器進行避障，其工作原理是根據(jù)超聲波的測距原理來判斷障礙物與小車當(dāng)前位止的距離及方向，把超聲波測距傳感器實時測取的數(shù)據(jù)讀入單片機中與設(shè)定的數(shù)值進行對比。當(dāng)檢測到的距離小于設(shè)定值時單片機便輸出相應(yīng)電信號促使電機驅(qū)動器緊急制動，避免小車與障礙物的碰撞，從而實現(xiàn)避障功能。

在小車的車體前后左右分別安裝超聲波傳感器，可實現(xiàn)小車全方位緊急避障的功能。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)置

系統(tǒng)軟件程序采用C語言編寫，其程序流程圖如下所示，該系統(tǒng)在小車下方采用5個紅外避障模塊來完成小車的循跡電路，從該傳感模塊讀入的數(shù)據(jù)與單片機程序中設(shè)定的數(shù)據(jù)值比較完成相應(yīng)的邏輯電路控制，系統(tǒng)應(yīng)用4個超聲波傳感器來進行避障電路的設(shè)計，檢測到循跡存在障礙物時馬上執(zhí)行避障程序，防止小車與障礙物進行碰撞。

圖1

6 結(jié)語

該設(shè)計中的智能循跡避障小車，采用STC89C52單片機作為信息綜合處理核心，其IO口通過紅外避障模塊和超聲波測速傳感器讀入電信號數(shù)值，在與單片機中設(shè)定程序進行比較完成后按照已定程序輸出高低電平控制L298N電機驅(qū)動模塊，改變小車的運行狀況。此設(shè)計使小車系統(tǒng)簡潔，響應(yīng)快，使其及時根據(jù)軌道路況信息進行自動調(diào)節(jié)行駛狀態(tài)，經(jīng)過測試小車順暢的實現(xiàn)全方位避障循跡功能。今后還可為小車增添自動識別、車速檢測、自動報警和遠程控制等功能使其更加智能化，人性化。