基于單片機控制無碳小車循跡避障設計

易震 張雨田 龍林 羅佑新

摘 要：設計制造無碳小車原型機，進行可行性分析。把無碳小車分為傳動部分、驅動部分、剎車系統、轉向系統、控制系統五大部分。使用Croe軟件建立小車的三維模型并進行仿真實驗，通過后期實驗對比驗證了該方案的可行性。實際情況下的結果表明小車運行平穩、行程遠、避障多、為循跡避障無碳小車及相關機構研究提供參考價值。

關鍵詞： 無碳小車； 避障策略； 單片機； 超聲波傳感器； 紅外傳感器

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

智能小車的技術研究開發和制造方面，國外相比于比國內起步較早，技術更加先進、成熟， 20 世紀90 年代末國內由高校發起了一股關于智能小車研究的熱潮，但是20 世紀 80 年代開始美英為首的西方發達國家便開始了智能小車技術領域的研究開發和制造。國內對智能小車技術經過數十載的不斷發展和探究，許多高校以及科研院所在智能小車研究方面都取得了一定進步，相比于以往有了長足的進展 [1]。清華大學經過長期的技術積累，研制出來的智能無人駕駛汽車是我國科技含量最高最先進的無人駕駛汽車。2013 年，智能家居機器人“新傭人”由中科院和清華大學共同成立的實驗室研制成功，“新傭人”智能機器人能實現自主走、智能監控、與人類實景交流、照料小孩和老人等多項功能。劉俊暢，蘆利斌在智能小車信息采集系統研究方面有較為成熟的理念和思路，使用三個 E18-D80NK紅外接近開關，傳感器的安裝角度為 60°角，能夠讓智能小車對車頭部位 180°空間內的所有障礙物進行準確的探測和產生避障信號[3]。上述關于智能小車避障信息采集系統和避障策略的設計基本可以滿足和實現較為復雜路況下的精準避障，但是也因為車頭安裝多個超聲波測距傳感器會造成傳感器之間信號互相干擾的缺點。同時，在小車下坡時也沒有節能裝置，能量損耗巨大。論文針對存在的這些問題，力求設計出一款立體全面的信息采集系統和高效、實用、簡易的無碳小車，前期準備時間圍繞智能小車自動避障的相關技術進行了較為全面的技術儲備。本研究要實現無碳小車自主感知障礙物，進而實現小車能夠自動識別路線并且正確地規劃和修正行進的路線，檢測到障礙物能夠自動躲避的功能。達到上述要求不需要昂貴的圖像處理識別傳感器，用超聲波傳感器和紅外傳感器采集周圍環境即可。無碳小車的轉向部分由舵機帶動與舵機相連的前輪控制小車的行進方向，同時對小車進行了減重處理，小車質量較輕，所以對于舵機堵轉扭矩要求較低，選用6221MG-180舵機即可控制轉向。選用AT89C51單片機為處理系統，在安全可靠性和經濟性上有較大的優勢。

1 避障系統

1.1 控制系統

采用AT89C51單片機作為中央處理系統的核心器件。本研究以單片機作為整個智能避障系統的核心，其關鍵在于轉向的控制，而AT89C51單片機相比與其他的控制器具有控制簡單、編程方便、可靠性高、經濟實惠、運行快捷的優勢。相比之下，此方案較為符合實際情況。

1.2信號采集系統

采用1個紅外傳感器與1個超聲波傳感器多傳感器融合的信號采集系統。同時使用多個同一型號的傳感器會造成信號紊亂，單片機接收錯誤信號后會發出錯誤指令致使小車偏離預設的軌道。單個紅外傳感器和單個超聲波傳感器不會有傳感器之間信號干擾的問題，而且能夠滿足感知周圍環境的要求。

傳感器角度安裝：超聲波傳感器與賽道邊沿擋板成90。夾角，保證無碳小車距賽道邊沿擋板0.1m處直線行進。當小車偏離軌跡>0.1m時，超聲波傳感器采集信息后單片機發出指令，舵機左轉。反之，舵機右轉。始終使小車沿預設的直線軌跡前進。紅外傳感器與賽道邊沿的擋板成30。夾角安裝，夾角過大時導致不能及時探測到障礙物；夾角過小時提前探測到障礙物導致轉彎半徑過大造成能量的損失。

傳感器距離參數設置：超聲波傳感的感測距離設為0.1m。超聲波傳感器最佳的感測范圍為0.1～10m，盡量把傳感器的探測距離設置在此范圍內以提高探測精度。無碳小車為三輪結構，假設無碳小車繞右輪做圓弧運動，車輪中心 O點作運動的為圓心，則左輪邊緣B 與車頭左邊緣A為可能的危險點。通過分析計算得左輪邊緣點B距點O的距離是0.15m，車頭左邊緣A 距 O 點距離是0.2m。OA>OB，所以自主小車在做圓弧運動時車頭邊緣為危險點，最大半徑為0.2m。因為小車在行進過程中有一些抖動，為保險起見將小車的安全距離設置為0.22m。根據勾股定理算出紅外傳感器的距離參數約為0.24m。

1.3機械系統

根據工程實訓大賽的規則本研究設計的無碳小車的僅靠機械系統為小車提供能量，且必須為三輪結構。

驅動部分：細線經過繞線軸連接質量為1kg的砝碼，砝碼下垂過程中把重力勢能轉變成提供小車行進的動能，帶動二級齒輪傳動實現無碳小車前進，通過多次驗算與實驗，傳動比在1.5左右能確保小車前進的速度和轉動力矩。

節能部分：小車以高速下坡時砝碼掉落速度過快造成能量損失嚴重，霍爾傳感器能夠穩定小車的速度從而達到節能的目的，但是編程有較大的困難。本研究利用剎車舵機和單向滾動軸承的相互配合也能達到降低能量損失的效果。

轉向部分：滿足轉向功能要求的前提下，轉向機構力求結構簡單、便于安裝調試以免造成無碳小車質量大和能量消耗大的缺點，轉向舵機和轉向軸直接通過螺絲固定是一種結構簡單、精度較高的方案。

2 自主避障策略研究

避障策略主要研究不同障礙物、不同位置、不同情況下無碳小車自主選擇合適的避障方法而做出對應的避障行為。根據比賽場地的信息只把障礙物分為 1種基本類型，根據障礙物類型設計出無碳小車自主避障的策略。圖5中表示無碳小車運動的前方與車體左側有障礙物。

避障策略的釋義如下：無碳小車前進時探測到障礙物礙，無碳小車判斷出車體左側有障礙物，右側無障礙物，向右側轉向90度角，然后沿正右方運動，在沿正右方運動的同時，無碳小車前方的紅外傳感器一直能夠感測到障礙物，當紅外傳感器探測不到障礙物時，無碳小車繼續向前運動24.2cm距離后，左轉 90 度，回到原來運動的方向上繼續運動。

3自動避障實驗

經實驗驗證，小車具有穩定的循跡和避障能力，而且還具有一定的爬坡能力。實驗過程是，小車平穩啟動，迅速加速后沖過坡道，在下坡過程中剎車舵機卡死傳動齒輪避免了能量的損失，之后保持著緩慢的速度準確的避開了平路上的障礙。最終小車依靠循跡緩緩轉過賽道邊緣的大彎道，回到起點位置，小車成功避開 6個障礙。通過實驗證明本文所設計的信息采集系統、避障策略和機械結構具有很高的可行性。

4 結語

所設計的無碳小車結構穩定，采用剎車舵機和單向滾動軸承配合形成的節能裝置行駛的距離更遠。設計的避障策略也更容易避過障礙。此無碳小車結構簡單、質量小極大降低了能量的損耗，小車行駛更加平穩，行駛距離更遠，通過比賽實踐證明該小車有較高的可靠性與穩定性，能夠滿足相應的要求。

參考文獻

[1] 朱梓清.對工業機器人研發的分析[J].中國電子商務，2012，（2）：62

[2] 朱文利，魏政.智能汽車在中國：一路狂奔[N].電腦報，2014-01-20（007）

[3] 劉俊暢，蘆利斌，譚力寧.基于Arduino 的自動避障技術實現[J].信息技術，2014，12： 170-172.