基于單片機(jī)的無(wú)人避障小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷 丹

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017)

0 引言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，采用機(jī)器人替代人工來(lái)探知一些危險(xiǎn)區(qū)域或人類(lèi)不能直接到達(dá)的地域，要求探測(cè)機(jī)器人在行進(jìn)中可以實(shí)時(shí)檢測(cè)周?chē)恼系K物，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)行軌跡，保證機(jī)器人可以安全抵達(dá)任何位置。本文以自動(dòng)避障功能為主要研究對(duì)象，選取合適的障礙物探測(cè)方式及避障控制算法，完成整個(gè)無(wú)人避障小車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)目前特殊行業(yè)的需求，本文設(shè)計(jì)了無(wú)人避障小車(chē)，主要從以下幾個(gè)方面提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

1.1 障礙物檢測(cè)設(shè)計(jì)

本文采用了超聲波傳感器和紅外傳感器，超聲波傳感器采用HC-SR04，該傳感器探測(cè)距離為2 cm～450 cm，探測(cè)角度為15°，工作電壓為5 V，可以由單片機(jī)直接供電。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人避障小車(chē)180°的測(cè)距，增加了可旋轉(zhuǎn)360°伺服舵機(jī)來(lái)帶動(dòng)超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別設(shè)計(jì)為0°、90°、180°，使得超聲波測(cè)距范圍形成一個(gè)封閉的半圓形結(jié)構(gòu)。由于超聲波測(cè)距有一個(gè)測(cè)距周期，當(dāng)沒(méi)有達(dá)到該測(cè)距周期時(shí)就使用紅外傳感器來(lái)代替超聲波傳感器進(jìn)行障礙物的檢測(cè)，這是對(duì)超聲波傳感器的一個(gè)時(shí)間上的補(bǔ)償，這樣就能更加精確地對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 控制算法設(shè)計(jì)

超聲波傳感器需要在0°、90°、180°三個(gè)方位上分別進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，每個(gè)方位上單次檢測(cè)會(huì)獲得5組數(shù)據(jù)，分別為d1、d2、d3、d4、d5，然后采用冒泡排序法對(duì)5組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出較為精確的結(jié)果。

冒泡排序法計(jì)算過(guò)程為：先對(duì)5組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較排序，得出最大值和最小值，假設(shè)最小值為d1，最大值為d5；然后將最小值d1和最大值d5排除；最后再對(duì)剩下的3個(gè)值d2、d3、d4求平均數(shù)得到如下結(jié)果：

(1)

1.3 電機(jī)控制設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的無(wú)人避障小車(chē)系統(tǒng)采用4個(gè)直流電機(jī)，控制芯片為L(zhǎng)293D，它是一款雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，本文采用了兩個(gè)L293D，1個(gè)控制左側(cè)兩個(gè)直流電機(jī)，另一個(gè)控制右側(cè)兩個(gè)直流電機(jī)，然后通過(guò)輸入信號(hào)控制直流電機(jī)執(zhí)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，具體的設(shè)計(jì)如下：

(1) 當(dāng)檢測(cè)到?jīng)]有障礙物時(shí)，左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車(chē)直行。

(2) 當(dāng)檢測(cè)到左側(cè)有障礙物時(shí)，左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車(chē)右轉(zhuǎn)。

(3) 當(dāng)檢測(cè)到右側(cè)有障礙物時(shí)，左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人小車(chē)左轉(zhuǎn)。

2 無(wú)人避障小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

無(wú)人避障小車(chē)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，無(wú)人避障小車(chē)系統(tǒng)分為電源模塊、檢測(cè)模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和控制模塊五個(gè)部分。

圖1 無(wú)人避障小車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊：為了保證小車(chē)可以自主行駛，本文采用了獨(dú)立電源模塊，該電源模塊使用了供電、程序燒寫(xiě)、串口通信三合一模塊，采用可充電18650鋰電池，主要給4個(gè)直流電機(jī)和單片機(jī)供電，以及進(jìn)行程序燒寫(xiě)和串口通信。

檢測(cè)模塊：該模塊分為超聲波測(cè)距模塊和紅外檢測(cè)模塊兩部分，超聲波測(cè)距模塊為主要模塊，當(dāng)超聲波失效時(shí)，作為儲(chǔ)備使用紅外傳感器避障系統(tǒng)。

顯示模塊：使用LCD1602液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示超聲波檢測(cè)的距離值，LCD1602 液晶第一行顯示智能小車(chē)行駛方向，第二行顯示該方向與障礙物之間的距離。

驅(qū)動(dòng)模塊：包括4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，執(zhí)行小車(chē)的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和后退動(dòng)作。

按鍵模塊：主要控制小車(chē)的啟動(dòng)與停止。

控制模塊：采用51單片機(jī)作為控制單元，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制其他4個(gè)模塊，使系統(tǒng)可以完整地完成自主避障功能，單片機(jī)的硬件接線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)的硬件接線(xiàn)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人避障小車(chē)控制部分軟件包括主程序、超聲波測(cè)距子程序、顯示模塊子程序、電機(jī)調(diào)速子程序和按鍵控制子程序等5個(gè)部分。

主程序的路徑設(shè)計(jì)過(guò)程如圖3所示。小車(chē)啟動(dòng)后朝正前方前進(jìn)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)小車(chē)停止，這時(shí)單片機(jī)會(huì)先采集超聲波測(cè)量的正前方障礙物的距離并顯示，然后舵機(jī)左轉(zhuǎn)采集左側(cè)障礙物的距離并顯示，再讓舵機(jī)右轉(zhuǎn)測(cè)量右側(cè)障礙物的距離并顯示，如果三個(gè)方向的距離都小于10 cm說(shuō)明空間極其狹窄，小車(chē)會(huì)原地左轉(zhuǎn)然后繼續(xù)檢測(cè)直至小車(chē)檢測(cè)到有一條合理的路線(xiàn)離開(kāi)這個(gè)空間；如果小車(chē)左側(cè)的距離大于右側(cè)小車(chē)就原地左轉(zhuǎn)，如果右側(cè)的距離大于左側(cè)小車(chē)就會(huì)右轉(zhuǎn)。然后小車(chē)?yán)^續(xù)前行，直到再次遇到障礙物進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖3 主程序流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)了一款無(wú)人避障小車(chē)，為了實(shí)現(xiàn)180°的檢測(cè)范圍，將伺服電機(jī)與超聲波傳感器結(jié)合起來(lái)，以實(shí)時(shí)地檢測(cè)小車(chē)前方是否出現(xiàn)障礙物，并判斷出障礙物的具體方位，為小車(chē)設(shè)計(jì)出合理的避障路徑，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的智能化行駛。