基于超聲波的智能小車設計

阮俊輝

浙江師范大學 工學院 浙江 金華 321000

引言

智能化發展十分迅速。一方面隨著機器人日益集成化和操作的日益簡單化，因此會朝著技術和裝備成套化的方向穩步地發展；另一方面，機器人仍有朝著非制造業應用以及微小型方向發展的趨勢。智能避障小車是機器人的一個特例，是一種由電子元件組裝而成的微型機器人，可以手動編程來實現特定的項目。研究并設計智能小車，能夠為設計新的機器人提供經驗，具有廣泛的遷移價值，可以大大提高人民的生活水平和生活質量，也是人類未來發展中不可或缺的組成部分。

其中，UllahSaleem[1]以Arduino為主控芯片開發的汽車控制系統，利用手的運動和位置，將它轉換成不同的角度值發送給主控芯片，并做出對應的指令。Ujjwal Gulati[2]在介紹了一種語音控制汽車，具有智能障礙檢測能力，方便身體殘疾患者。徐友春[3]等人提出了一種智能車輛轉向控制模型。該模型采用路標的方向偏差和距離偏差作為輸入參數，輸出前輪轉向角；采用了狀態控制法。

上訴研究者對智能小車控制技術已經有所研究，然而，對人機交互性及可操作性卻處于滯后的狀態。本文提出自動避障/手動遙控雙模式的智能小車設計，提高了小車的交互性及智能化水平。

1 方案設計

1.1 技術要求

設計一款具有自動避障功能的智能小車，小車必須可實現紅外模式和自動避障模式的切換。自動避障模式下，小車低于安全距離自動避障，在紅外遙控模式下，可以遙控指揮小車運行。系統具體設計要求如下[4-5]：①利用穩壓芯片為單片機電路系統提供穩定電壓；②利用電機驅動模塊實現直流減速電機的啟、停、正、反控制；③通過直流減速電機，實現小車前后左右的運行；④利用超聲波模塊測量避障距離，并且實現小車避障；⑤利用紅外遙控器和紅外接收頭現實小車遙控控制；⑥通過編程實現系統程序的模塊化設計。

1.2 系統功能

功能描述，該系統中小車整體車身采用的設計是前兩輪分別驅動，后萬向輪轉向的三輪車型，電路采用STC89C52微控制器作為系統的主控芯片，L293D為電機驅動芯片，通過pwm提供使能信號可同時控制小車的前兩輪的轉速，提供小車的運行方式。

系統采用STC89C52單片機作為核心控制單元，主要包括了紅外控制模塊，避障模塊，按鍵輸入，7805穩壓電路，l298電機驅動模塊，聲光報警模塊，1602液晶顯示模塊等。避障小車可通過按鍵自由切換小車的運行模式，在紅外控制模塊下（即手動控制模式），用HS0038B集成電路解碼遙控器的按鍵碼，分別可控制小車的前后左右4個方向的運轉[6]。按鍵切換模式后可進入自動避障模式（即自動駕駛模式），在該模式下，可通過LCD1602直接顯示小車的瞬時速度，避障距離等參數。所有操作步驟都可以通過LCD1602液晶顯示相應的步驟過程。

2 硬件電路實現

2.1 聲光警報模塊

利用BUZZER的高低電平驅動蜂鳴器，蜂鳴器產生的轟鳴聲較輕，因此設計重新加上了8550三極管，通過三極管放大信號，增強的聲音的穿透力，符合聲光報警的要求。如圖2所示。

圖2 聲光警報模塊電路

2.2 紅外遙控模塊

紅外控制接收電路設計采的是HS0038B集成電路，紅外遙控是包含紅外遙控器和紅外接收頭兩部分[7]。本設計中不同按鍵對應不同編碼紅外信號波，信號“搭載”8KHZ的載波，與主控連接的HS0038B紅外接收頭解碼處理遙控器發出的紅外信號波并把數據傳送到單片機，主控識別分析信號并做出相對應的指令編寫。搭建的電路如圖3所示。

圖3 紅外控制接收電路

2.3 按鍵模塊

本次設計采用的是獨立式按鍵，結合小車的功能只需要3個獨立按鍵接口簡單，編程容易。按鍵電路硬件接線圖如圖4所示，按鍵功能如表1所示。

圖4 按鍵電路

表1 按鍵功能介紹表

2.4 電機驅動模塊

電機驅動電路采的是以L293D芯片為核心搭建的電路，電路如圖5所示。

圖5 L293D電機驅動電路

M1和M2對應的是小車的兩個直流減速電機，可通過L293D芯片驅動。其中該芯片可以通過脈寬調整(PWM)驅動使能信號，且L293D芯片可以同時控制一對電機。

2.5 避障模塊

避障模塊采用超聲波避障，接口電路如圖6所示。

圖6 超聲波模塊電路

超聲波模塊的設計采用的是HC-SR04超聲波模塊，該模塊允許非接觸式檢測距離約2cm-400cm，測試距離精度為3mm。該模塊由3部分組成：超聲波發射機、接收機和控制電路[8]。該模塊會自動發送8個40khz的方波，等待接收聲波返回信號，若檢測到聲波返回信號，Echo便自動產生低電平，通過單片機識別并記錄信號往返的時間。

3 軟件程序設計

3.1 主程序流程圖

該系統的軟件部分是通過Keil4平臺的基于C語言編程。進行所有程序的初始化，初始化后各個模塊正常工作。通過按鍵1切換紅外模式和自動避障模式。

程序進入紅外模式時，可通過遙控器的“#”，“*”，“↑”“↓”“←”“→”按鍵分別控制小車速度增加，速度減小，前進，后退，左轉，右轉。

程序進入自動避障模式時，可判斷按鍵2是否按下，選擇進入避障設備界面，或者以默認安全距離為25cm的狀態下自動駕駛。在避障設置中，可通過按鍵加減安全距離的長度，參數設置成功，則可跳轉至自動避障狀態。

圖7 主程序流程圖

4 功能測試

系統功能測試主要分為3個部分，分別為實物展示，外紅遙控功能測試，避障功能測試。

4.1 實物展示

本次設計采用的是前兩輪分別驅動，后萬向輪轉向的三輪車模，各部分模塊電路集成在一塊簡易的洞洞板面。實物如圖8，小車初始化界面如圖9所示。

圖8 實物圖1

圖9 實物圖2

單片機初始化后，液晶屏幕上顯示的參數有速度，與障礙物實時距離，系統運行時間，速度百分比4個部分。左上角為瞬時速度顯示，初始化后小車為停止狀態，顯示的速度為0km/h。右上角顯示的參數是與障礙物的實時距離。左下角顯示的是系統執行時間，當前顯示的是3秒。右下角顯示的參數是當前可執行速度值，默認狀態下為40%，該參數是通過改變pwm的占空比從而調節速度比值，調節的范圍為0～100%。當前顯示參數正常。

4.2 紅外遙控測試

可通過按鍵1自動切換小車運行模式。按壓遙控器上“#”，“*”，“↑”“↓”“←”“→”分別對應的是小車速度增加，速度減小，前進，后退，左轉，右轉。記錄并觀察小車的運行動作，如圖10所示。

圖1 系統框圖

圖10 小車速度設置

小車初始化之后的速度默認為40%，每按下“#”數值會相應增加1%，同理當按下“*”數值會相應降低1%。配合加速和減速的按鈕，可調節速度在0～100%之間。同時，小車可做出四個運行動作，分別為小車前進，后退，左轉，右轉。轉向動作是采用單輪不轉，另外一輪前向轉動完成的。紅外遙控的6個按鍵完全滿足了設計要求。

4.3 避障測試

按鍵1可自動切換小車避障模式，默認的安全避障距離為25cm，按下按鍵2可直接啟動小車，當與障礙物小于25cm時自動進行聲光警報并且避障，反之小車正常運行。

在默認避障安全距離為25cm下，按下按鍵2的小車正常行駛狀況。小車通過超聲波測量出的避障距離為47cm大于默認安全距離25cm，故小車正常行駛且瞬時速度為2.1km/h，當小于安全避障距離時，小車自動發出聲光警報，即刺耳的蜂鳴聲和尖銳的紅色彩燈，當前小車速度為0km/h，即停車。然后小車自動按當前速度后退一秒，停頓兩秒后，左轉相應角度，繼續行駛直到遇到小于安全距離時重新進入上述循環，從而做到自動避障。

同時可自行設置小車的安全避障距離，當小車按下按鍵3時自動轉入避障設置界面，如圖11、圖12所示。

圖11 默認避障距離設置界面

圖12 安全距離設置界面

圖11為小車安全距離設置界面，“L-H”可設置安全距離的增減。并且可看出系統默認的安全距離為25cm。在該界面下，可通過按鍵1和按鍵2調節小車的安全距離設置。按鍵1、2可增加減小安全距離的數值參數。當安全距離設置完成時，可重新按下按鍵3，保存參數并且跳出設置界面，重新回到原來的界面。

5 結束語

本設計是以STC89C52單片機作為整個系統的核心，用其控制小車的運行方式，以實現其既定的性能指標。是一個具有測距功能，并能夠設置避障距離的紅外遙控小車的設計。小車具有避障提醒功能，能夠自動避障，避障靈敏度高。本設計中仍然存在不足：電路板設計不理想，電源擺放影響小車平衡；超聲波識別距離的頻段過短；小車速度設置的范圍過窄，且不能液晶顯示。

下步展望：通過方案論證、資料查詢及電路設計和反復調試等步驟，融合RFID技術、深度強化學習進一步提高小車信息化及智能化水平。