循跡避障智能小車設(shè)計(jì)及分析

中圖分類號(hào)：U462.1 收稿日期：2025-04-12 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.011

Design and Analysis of Smart Cars for Obstacle Avoidance

Qiu Chenxi Fuzhou Polytechnic Institute of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China

Abstract：Inordertodesignacarthatcandriveautonomously，sensetheenvironmentandavoidobstacles，thispaperprovidesa hardware modelandsoftwarealgorithm.Thesensormeasurement module，controlermoduleandelectricdrivemoduleareadopted， andtheinfraredlightcontroltubeisusedtomeasureandidentifythepathofthebarier-freeblackline，andtesteeigoftheelectric vehicleiseguatedwithorwithoutightreception，soastochievethefunctioofutomatictrackingpositioniformatio.Thisdesign canrealiethefunctionofautomaticrackingpositioninformation，andhashighreliabilityItprovidesanewideaandmetodfortere search of intelligent vehicle for tracking obstacle avoidance.

Keywords：Line following;Obstacle avoidance;Smart car;Microcontroller;Sensor;Module

1前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，有關(guān)人工智能的問(wèn)題正日益被人重視。智能小車在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛的使用前景，它能在惡劣條件下代替人們進(jìn)行物品搬運(yùn)和儀器檢查等工作。對(duì)于智能小車而言，其在選擇的道路上合理行駛并避免與其他車輛碰撞至關(guān)重要。因此，對(duì)智能小車的循跡避障系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究變得非常重要。

目前，智能車輛已應(yīng)用于工業(yè)、軍隊(duì)國(guó)防建設(shè)、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)和民眾的生活中。李成勇等1使用擁有高性能STM32F427單片機(jī)的OpenMV（機(jī)器視覺(jué)模塊）作為MCU（微程序控制器），設(shè)計(jì)了一輛基于機(jī)器視覺(jué)的循跡避障智能小車系統(tǒng)，能夠從標(biāo)記的指定位置出發(fā)，迅速找尋規(guī)定場(chǎng)內(nèi)隨機(jī)點(diǎn)亮的信號(hào)表示燈。楊瑞東等[2]基于Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款智能循跡避障小車用于研究無(wú)人駕駛。

基于以上背景，本文主要研究設(shè)計(jì)一款采用STC89C52系列微機(jī)控制系統(tǒng)的智能小車，其核心功能（自主循跡與避障）是自動(dòng)化導(dǎo)引運(yùn)輸車（AutomatedGuidedVehicle，AGV）、服務(wù)機(jī)器人等專用移動(dòng)平臺(tái)的基礎(chǔ)。該小車可應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流（沿地標(biāo)線搬運(yùn)）生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)及醫(yī)院/餐廳（室內(nèi)避障）等場(chǎng)景，為開(kāi)發(fā)低成本、高可靠的專用平臺(tái)提供技術(shù)路徑與原型驗(yàn)證[3]。

2總體方案選擇

智能小車采用STC89C52單片機(jī)作為控制芯片，在其硬件配置中包括紅外傳感器循跡模塊、自動(dòng)導(dǎo)引循跡功能和避障功能。為了保證小車能夠有效地進(jìn)行循跡，并減少外部光線對(duì)其的干擾，采取了一系列機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先，在小車底盤(pán)上安置了道路檢測(cè)電路板和紅外傳感器，以確保循跡功能的正常運(yùn)行。同時(shí)，在小車的左前部放置了循跡模塊，而在右前部則安裝了超聲波探測(cè)與定位系統(tǒng)。為了保持小車的平衡度，將單片機(jī)控制板置于小車的正前方。此外，還將直流電機(jī)和電源模塊放置在車輛的中部位置，以方便控制和有效控制小車的電源。要盡量保持這些組件在一條豎線上的布局，以便既能減小小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的慣性，也能增強(qiáng)其穩(wěn)定性。圖1為該智能小車的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1小車的總體框架設(shè)計(jì)圖

在硬件設(shè)計(jì)中，選用STC89C52單片式微型計(jì)算機(jī)，這是一種CMOS（ComplementaryMetal OxideSemi-conductor）架構(gòu)的八位微控制器，具備低功耗和高性能的特點(diǎn)。該微控制器內(nèi)置了8KB的可編程Flash存儲(chǔ)器，并且通過(guò)8個(gè)靈巧的CPU以及在系統(tǒng)內(nèi)的可編程Flash存儲(chǔ)器，賦予STC89C52在許多嵌入式控制應(yīng)用操作系統(tǒng)中更高的靈活性。

2.1驅(qū)動(dòng)模塊選擇

L298N是一種簡(jiǎn)便的電動(dòng)機(jī)控制器，不需要進(jìn)行電路隔離。通過(guò)利用單片機(jī)的輸入/輸出接口，改變芯片輸入端的電平，可以輕松地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止操作。這種控制方式非常便捷，同時(shí)也能夠滿足直流減速電動(dòng)機(jī)對(duì)于高輸出電壓的需求。在運(yùn)行后對(duì)應(yīng)程序表用程序輸人相應(yīng)的代碼值，就可以完成相應(yīng)的操作，調(diào)試通過(guò)。

2.1.1PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速原理

PWM直流調(diào)速原理，即為保持脈沖電壓頻率恒定，通過(guò)改變脈沖寬度（導(dǎo)通時(shí)間）調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)具有慣性，其電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)平滑。施加高頻PWM電壓序列時(shí)，其平均效果等效于直流電壓，脈寬變化即對(duì)應(yīng)電壓變化，如圖2所示。脈沖寬度的調(diào)節(jié)可以導(dǎo)致電壓的變化。

圖2PWM等效圖示意圖

2.2循跡方案選擇

使用兩個(gè)紅外線接收器接受紅外線探測(cè)到的黑色軌跡，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)大小彎，直角（因?yàn)橹苯翘庈壽E寬度超過(guò)了探測(cè)器的寬度，所以需要一些額外處理），但是無(wú)法通過(guò)銳角。

在彎道處，車輛應(yīng)將直行速度控制在彎道的安全速度上限值以下以防止車輛沖出曲線。當(dāng)彎道剛結(jié)束時(shí)，小車保持直行暫不加速，之后小車在設(shè)定時(shí)間內(nèi)加速至最高速度，以提升車輛的平均速度。持續(xù)記錄上一個(gè)轉(zhuǎn)向狀態(tài)，當(dāng)傳感器全為黑色時(shí)執(zhí)行保存的轉(zhuǎn)向操作，以成功通過(guò)直角彎道。利用STC89C52中的定時(shí)器輸入捕獲功能對(duì)速度脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，從而準(zhǔn)確計(jì)算車輛的行駛速度[4]。

slow%指一個(gè)小于 100% 的百分比數(shù)值，表示彎道時(shí)的安全速度。

串口通信程序：小車硬件平臺(tái)預(yù)留一個(gè)串口通信接□，通過(guò)STC89C52的串口可以方便地與其他串行接口設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸。

方案一：采用簡(jiǎn)易的光電傳感器以及相應(yīng)的外圍線路檢測(cè)設(shè)備，然而實(shí)際效果卻明顯不如人意。此外，該系統(tǒng)對(duì)車輛行車時(shí)的地面穩(wěn)定性要求相當(dāng)高，而且存在較大的錯(cuò)誤概率，其受光照條件和周圍道路介質(zhì)的干擾影響也極易發(fā)生故障。在安裝過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)錯(cuò)誤的現(xiàn)象十分普遍，甚至可能因某些組件缺陷而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，這一方案最終沒(méi)被選擇。

方案二：使用兩個(gè)紅外線對(duì)管，將它們放置在小車機(jī)身內(nèi)導(dǎo)軌的兩端。利用兩個(gè)光電子開(kāi)關(guān)與白線和黑條紋接觸的情況，來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向和車向調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，只需要正確設(shè)置兩個(gè)光電子接近位置的情況，就可以有效地實(shí)現(xiàn)循跡的控制。

方案三：當(dāng)使用三只紅外傳感器，即一只放在黑色軌跡線中央，兩只放在黑色軌跡線外邊，當(dāng)小車離開(kāi)黑色軌跡線后，或當(dāng)置于中央的一個(gè)電光開(kāi)關(guān)脫離黑色軌跡線后，或在最外邊的另一個(gè)探測(cè)到黑線時(shí)，則通過(guò)控制左右輪速度差來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)車身，調(diào)整車身方向，直至在中央的光電接近開(kāi)關(guān)再次探測(cè)到黑線時(shí)。而實(shí)踐證明，由于三個(gè)紅外傳感器小車在尋跡進(jìn)程中，雖然能找回軌道，但左右搖擺現(xiàn)象過(guò)于明顯，同時(shí)容易翻車，故采用方案二。

2.3避障方案選擇

將紅外傳感器循跡模塊與超聲波相結(jié)合，并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，智能小車能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：在超聲波探測(cè)到障礙物時(shí)，小車會(huì)停止前進(jìn)；若超聲波未探測(cè)到任何障礙物，則會(huì)依據(jù)紅外傳感器循跡模塊所探測(cè)到的軌跡繼續(xù)前進(jìn)。這種配置使智能小車具備了避障和循跡的能力。這樣的設(shè)計(jì)方案展示了將紅外傳感器和超聲波相結(jié)合的可行性，并且通過(guò)軟件編程有效地實(shí)現(xiàn)了所需功能[5-6]。

方案一：使用一個(gè)紅外對(duì)管放在車輛中部，它設(shè)置簡(jiǎn)單，并且能夠偵測(cè)到障礙物的存在，但是難以確定小汽車在水平方位上是否會(huì)和障礙物碰撞，也無(wú)法使小汽車作出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。

方案二：將兩根紅外傳感器分別放置于車輛的前部?jī)蓚?cè)，與車輛行進(jìn)的方向平行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛與障礙物相對(duì)位置和方向的精確判斷與準(zhǔn)確響應(yīng)。這種方法主要依賴于硬件設(shè)備，成本相對(duì)較高，且缺乏創(chuàng)新性，同時(shí)車輛左側(cè)的紅外傳感器的應(yīng)用潛力也極為有限，因此并未得到實(shí)際的應(yīng)用。

方案三：選擇一個(gè)紅外對(duì)管并放在車輛右側(cè)，通過(guò)測(cè)試，這個(gè)方法就可以很好地實(shí)現(xiàn)車輛躲避障礙物，并充分地利用資源而不會(huì)浪費(fèi)，所以采用方案三。

3硬件設(shè)計(jì)與說(shuō)明

3.1小車的硬件分配

本系統(tǒng)的小車硬件主要包括兩個(gè)部分，一部分是機(jī)械設(shè)計(jì)，一部分是電路設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)主要是對(duì)小車的機(jī)械部分進(jìn)行選件和裝配；電路設(shè)計(jì)指的是對(duì)核心單片機(jī)以及復(fù)位工作模式、晶振頻率、感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、電源控制模塊、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等加以介紹。

3.1.1機(jī)械部分材料清單

材料清單分為：電動(dòng)機(jī)芯裝配材料清單、小車裝配清單與電路板硬件材料清單。

a.電動(dòng)機(jī)芯裝配材料清單如表1所示。

表1電動(dòng)機(jī)芯裝配材料清單

b.小車裝配清單如表2所示。c.電路板硬件材料清單如表3所示。

3.2循跡 + 避障模塊

小車循跡模塊采用TCRT5000紅外反射傳感器，集成紅外發(fā)射管與光電晶體管。工作原理：發(fā)射紅外光，白面漫反射使接收管導(dǎo)通輸出低電平；黑線吸收致反射微弱，輸出高電平。典型探測(cè)距離為 2.5～25mm （本設(shè)計(jì)安裝高度 5～10mm ），響應(yīng)時(shí)間約為 15μs 。輸出信號(hào)經(jīng)LM324比較器整形為數(shù)字電平，增強(qiáng)抗干擾能力與狀態(tài)判別可靠性7]。相關(guān)的實(shí)物如圖3、圖4所示。

3.3控制模塊

本設(shè)計(jì)的主控模塊是以嵌入式數(shù)字單片機(jī)為內(nèi)核，并使用了STC89C52型單片機(jī)芯片。它具備了體積較小、低功耗、效率高、抗干擾能力較強(qiáng)且售價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)，并使用了DIP40的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式[8]。另外還在智能小車的底板上安裝了相應(yīng)的單片機(jī)存儲(chǔ)器接口，以便在用戶燒錄程序時(shí)插拔單片機(jī)。

表2小車裝配清單

表3電路板硬件材料清單

確保其運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。L298N芯片既能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接控制，并利用主要控制器芯片的I/O輸入對(duì)其調(diào)節(jié)電平加以設(shè)置，同樣也能為電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)或逆向控制驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好，也能夠適應(yīng)直流電機(jī)的大電壓驅(qū)動(dòng)要求9，且一個(gè)L298N芯片能夠同一時(shí)間分別操控二臺(tái)直流電機(jī)，作為電源驅(qū)動(dòng)模塊，該芯片的操作簡(jiǎn)便，同時(shí)具備卓越的性能與良好的穩(wěn)定性。電機(jī)實(shí)物如圖5所示。

圖5超聲波和紅外對(duì)管實(shí)物圖

3.5電源模塊

圖3小車上的循跡紅外對(duì)管實(shí)物圖

采用電池組提供，并使用2支 1.5V 電池雙電源，分別提供給單片機(jī)STC89C52與電機(jī)，讓小車都能夠?qū)崿F(xiàn)其功能，且電池電量比較足，也可以充電以便重復(fù)利用，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求。電池實(shí)物如圖6所示。

圖4超聲波和紅外對(duì)管實(shí)物圖

3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在電機(jī)方面，本小車主要使用直流電機(jī)，而針對(duì)直流電機(jī)使用分立元件構(gòu)成的控制回路，構(gòu)造簡(jiǎn)便，且價(jià)格相對(duì)低廉，在實(shí)際使用中運(yùn)用普遍。不過(guò)這個(gè)電路結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的性能并不穩(wěn)定，所以本文采用了智能小車專用的L298N芯片作為小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N芯片是一種能夠承受較高電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)均能夠驅(qū)動(dòng)。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電芯都能夠同步操控兩臺(tái)直流減速電機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)特性，使其在電流范圍從6～46V內(nèi)提供最大2A輸出電流的能力。此外，這兩臺(tái)電機(jī)還具備過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)功能，以

圖6小車上的電源模塊實(shí)物圖

4軟件設(shè)計(jì)與說(shuō)明

4.1系統(tǒng)軟件流程

具體的電循跡避障流程如圖7所示。

小車在行進(jìn)過(guò)程中的避障決策如圖8所示。

4.2系統(tǒng)程序

循跡避障程序如下：//#include//#include//包含52單片機(jī)頭文件，內(nèi)部有各種寄存器定義。#include //包含HJ-4WD藍(lán)牙智能小車驅(qū)動(dòng)IO口定義等函數(shù)。

//主函數(shù)

圖7循跡避障流程圖

圖8小車在行進(jìn)過(guò)程中的避障決策示意圖

void main（void）

{

Unsigned char i;

P₁=0×00 ；/小車停止。T_MOD=0×01 ·

T_H0=0×F_c;//1ms 定時(shí)。T_L0=0×18

T_R0=1

E_T0=1 ·

E_A=1

while（1）//無(wú)限循環(huán)。{//白線有信號(hào)為0，黑線沒(méi)有信號(hào)為1，amp;amp;與運(yùn)算，2

個(gè)條件同時(shí)成立才有。if（Left_X_led == 0amp;amp;Right_X_led ==0 ）//當(dāng)左右傳感

器同時(shí)在白線上。run;/調(diào)用小車前進(jìn)函數(shù)，小車往前走。//delay（20）；Else{if（Left_X_led 1amp;amp;Right_X_led ==0 ）//L左邊檢測(cè)

到黑線。廣leftrun;//調(diào)用左轉(zhuǎn)函數(shù)。}if（Left_X_led ==（ 0amp;amp;Right_X_led ==1 ）//R右邊檢測(cè)

到黑線{rightrun;//調(diào)右函數(shù)}}//避障簡(jiǎn)單算法。if（Left_B_led == 0amp;amp;Right_B_led 1==0 //兩個(gè)傳感器

同時(shí)檢測(cè)到物體時(shí)。{stop;//調(diào)用停止函數(shù)delay（10）；}}}

4.3軟件算法與硬件協(xié)同

軟件算法通過(guò)輪詢讀取連接在單片機(jī)I/O口上的左右兩個(gè)TCRT5000傳感器的數(shù)字輸出狀態(tài)（Left_led，Right_led）。其核心控制邏輯（如3.2節(jié)主程序所示）是一個(gè)基于狀態(tài)機(jī)的決策樹(shù)：

（0，0）：表示雙白線，小車直行。

（1，0）：表示左黑右白，小車左轉(zhuǎn)。

（0，1）：表示左白右黑，小車右轉(zhuǎn)。

硬件（傳感器 + 比較器）負(fù)責(zé)精確感知路徑信息并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，軟件（單片機(jī)程序）則根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則解析這些信號(hào)，生成相應(yīng)PWM控制指令（通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)模塊）調(diào)節(jié)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向調(diào)控。這種“感知-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)協(xié)同機(jī)制是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循跡的關(guān)鍵。

4.4系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程

該小車具有循跡避障能力，它可按照當(dāng)?shù)氐暮谏窂叫凶咄瓿裳E操作，還可探測(cè)到鐵軌二端的擋板，并順著擋板行走，完成檢測(cè)定位操作。尋跡避障小車軌道示意圖說(shuō)明：鐵軌主要由循跡部門(mén)（黑線）和避障部門(mén)（路線二側(cè)加擋板）兩部門(mén)構(gòu)成，車輛首先駛?cè)胙E鐵軌，沿黑線行進(jìn)，在兩個(gè)部門(mén)連接的探測(cè)與定位鐵軌則沿?fù)醢逍羞M(jìn)，并以此進(jìn)行尋跡與探測(cè)定位能力的展示[10]。小車的循跡和避障示意如圖9、圖10所示。

圖9小車的循跡示意圖

圖10小車的避障示意圖

4.5系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

簡(jiǎn)單場(chǎng)景下的小車循跡功能測(cè)試在室內(nèi)的循跡地圖上進(jìn)行，小車循跡功能測(cè)試結(jié)果具體如圖11所示，結(jié)果表明，小車可以根據(jù)預(yù)期進(jìn)行探測(cè)定位動(dòng)作完成循跡功能。

圖11小車循跡功能測(cè)試

簡(jiǎn)單場(chǎng)景下的小車避障功能測(cè)試在室內(nèi)進(jìn)行，選定墻壁和門(mén)作為障礙物。測(cè)試過(guò)程中小車都能快速識(shí)別障礙物并進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向重新規(guī)劃路徑，小車避障功能測(cè)試結(jié)果具體如圖12所示，結(jié)果表明，該小車能在較高車速下實(shí)現(xiàn)避障功能，且穩(wěn)定性高。

5結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹一個(gè)基于單片微型計(jì)算機(jī)和傳感器基本原理的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用STC89C52單片微型計(jì)算機(jī)作為主控制芯片，并搭配L298N芯片和12V直流電機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)元器件。通過(guò)軟件編程使小車功能模塊化，具備反應(yīng)敏捷的循跡避障能力。經(jīng)過(guò)對(duì)小車循跡避障的測(cè)試結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)該小車能夠出色地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的避障循跡功能，并表現(xiàn)出出色的動(dòng)作響應(yīng)靈敏性和操作穩(wěn)定性。

圖12小車避障功能測(cè)試

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