自動(dòng)避障小車硬件設(shè)計(jì)研究

摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)也日臻完善。移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，因其具有靈活、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在多領(lǐng)域都得到了長(zhǎng)足發(fā)展和應(yīng)用，比如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)和醫(yī)療等行業(yè)。此外，移動(dòng)機(jī)器人在空間探測(cè)、國(guó)防和城市安全等復(fù)雜環(huán)境危險(xiǎn)場(chǎng)合也得到了廣泛的應(yīng)用。文章針對(duì)自動(dòng)避障小車硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；自動(dòng)避障；小車硬件設(shè)計(jì)；空間探測(cè)；國(guó)防；城市安全 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2017）08-0010-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.005

避障小車是一種采用了紅外、超聲波、CCD和激光等傳感器設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人。其工作原理是：避障小車在復(fù)雜環(huán)境自主移動(dòng)時(shí)，通過(guò)傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境從而完成避障。避障控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是基于自動(dòng)引導(dǎo)小車系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用傳感器感知路線和障礙，根據(jù)智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，在遇到障礙時(shí)自動(dòng)避讓，并且選擇正確的路線行進(jìn)。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

1.1 設(shè)計(jì)思想

本系統(tǒng)要求自行設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車，該小車在前進(jìn)的過(guò)程中能夠檢測(cè)到前方障礙并自動(dòng)避開(kāi)，達(dá)到避障的效果。設(shè)計(jì)思想是采用單片機(jī)為控制核心，利用位置傳感器檢測(cè)道路上的障礙，通過(guò)采集數(shù)據(jù)并處理后由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障、快慢速行駛以及自動(dòng)停車。

1.2 功能概述

本系統(tǒng)主要由微控制器模塊、避障模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊電源模塊等構(gòu)成。

微控制器模塊：通過(guò)采用STC89C52作為微控制器接受傳感器部分收集到的外部信息進(jìn)行處理，并將結(jié)果輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)運(yùn)行。

避障模塊：采用位置傳感器的漫反射檢測(cè)來(lái)檢測(cè)前方是否有障礙，通過(guò)紅外光電開(kāi)關(guān)將采集到的信號(hào)送到微控制器。

驅(qū)動(dòng)模塊：通過(guò)接收微控制器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)快慢速行駛，轉(zhuǎn)向控制以及自動(dòng)停車。

電源模塊：為保證正常工作，為整個(gè)電路模塊提供電源支持。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

關(guān)鍵元件選擇討論：

2.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)全稱單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer），簡(jiǎn)稱SCM，把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，具有質(zhì)量輕、體積小、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。單片機(jī)內(nèi)部也有著內(nèi)存、CPU、類似硬盤一樣具有存儲(chǔ)功能的器件等與電腦功能類似的模塊。

單片機(jī)的核心是集成電路芯片，該芯片采用了規(guī)模超大的集成電路技術(shù)，將各種模塊集成在一起，包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的中央處理器CPU、模擬多路轉(zhuǎn)換器、顯示驅(qū)動(dòng)電路、中斷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器等，這些功能模塊被集成在硅片上，形成了一個(gè)小型的、完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部含有九個(gè)功能部件：CPU（運(yùn)算器、控制器和專用寄存器）、程序存儲(chǔ)器（ROM和Flash存儲(chǔ)器）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行輸入/輸出（I/O）接口（P0-P3口）、全雙工串行接口、中斷系統(tǒng)、時(shí)鐘電路和內(nèi)部總線。

STC89C52單片機(jī)是帶有8K字節(jié)閃爍可編程可擦除功能的只讀存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器控制器為CMOS8位微控制器，其能耗較低、性能較高，同時(shí)在一個(gè)芯片上可以安裝具有可編程Flash功能，并且擁有8位CPU。STC89C52可以為嵌入式控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的解決方案，其各個(gè)部分的具體標(biāo)準(zhǔn)是：Flash為8k字節(jié)，RAM為512字節(jié)，I/O口線為32位，內(nèi)置4KBEEPROM，看門狗定時(shí)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工串行口。此外，當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)的時(shí)候，CPU會(huì)立即停止工作，但是RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷等模塊會(huì)繼續(xù)保持工作狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，RAM的內(nèi)容可以被及時(shí)保存，振蕩器會(huì)被凍結(jié)，單片機(jī)的所有工作都會(huì)隨即停止，直到具體的硬件復(fù)位到工作狀態(tài)或者下一個(gè)中斷出現(xiàn)，才能繼續(xù)恢復(fù)工作。

2.2 傳感器的選擇

避障小車是通過(guò)傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境，在復(fù)雜環(huán)境中自主移動(dòng)并完成避障的任務(wù)。要想實(shí)現(xiàn)避障小車的視覺(jué)功能有多種方式，可以使用CCD攝像頭進(jìn)行圖像采集和識(shí)別的方法，基于檢測(cè)對(duì)象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化的電容式接近傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測(cè)物體的接近程度的超聲波傳感器以及包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）的紅外反射式光電傳感器。由于CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于CCD傳感器，紅外傳感器優(yōu)勢(shì)明顯，其不但方向感強(qiáng)、探測(cè)視角小、測(cè)量精度高，而且價(jià)格也不算高，又能在夜間工作，所以移動(dòng)機(jī)器人避障的視覺(jué)可選用紅外傳感器。基于上述要求，避障小車一般情況下只需粗略感知，不需要清晰的圖像，因此，物美價(jià)廉的紅外反射式傳感器便在與昂貴的CCD傳感器的競(jìng)爭(zhēng)中勝出。

這次采用的小車傳感器是紅外位置傳感器，用漫反射式光電開(kāi)關(guān)對(duì)故障進(jìn)行規(guī)避，光電接近開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)稱為紅外線光電開(kāi)關(guān)。是利用紅外線進(jìn)行遮光和反射的原理對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)的方式，光電接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)范圍包括所有具有反光特性的物體，不僅局限于金屬，只要可以反光，其他材質(zhì)的材料也可以。漫反射式光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)的原理為：當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器就會(huì)發(fā)射充足的光線，這些光線被反射到接收器，開(kāi)關(guān)信號(hào)由此產(chǎn)生。

2.3 電機(jī)類型的選擇

2.3.1 步進(jìn)電機(jī)。小車前進(jìn)和避障由步進(jìn)電機(jī)控制。脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，輸入的脈沖頻率決定其步距角和轉(zhuǎn)速，脈沖的頻率以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速是成正比的，因此可以通過(guò)對(duì)電機(jī)的脈沖頻率進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電機(jī)工作的目的，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖可以通過(guò)單片機(jī)的相關(guān)部件輸出。對(duì)于需要用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的原因由于步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)需要較大的工作電流，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)法我們通過(guò)ULN2803芯片進(jìn)行，并且用單片機(jī)的P0I/O口來(lái)給ULN2803芯片輸入不同頻率的脈沖，再通過(guò)ULN2803來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

在本文中，對(duì)智能小車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的是兩個(gè)四相五線的步進(jìn)電機(jī)。四相五線步進(jìn)電機(jī)中一共包括五根線，其中紅色的線接通電源的正極，剩下的四根線分別與ULN2803芯片的輸出端相連接，為了使得步進(jìn)電機(jī)能夠正常工作，則需要保持四個(gè)I/O口依次輸出高電平。智能小車的車輪也受到不同電機(jī)的控制，前面的輪子用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同的時(shí)候，車子就可以保持直線前行，但是當(dāng)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不相同，則車子的運(yùn)行路徑不為直線，會(huì)出現(xiàn)拐彎，因此想要讓小車在行進(jìn)過(guò)程中變換方向，則只需要通過(guò)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變即可。具體的運(yùn)動(dòng)方向原則是：如果右邊的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速比左邊的快，小車則會(huì)向左邊拐彎，相反，如果左邊的電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，車子則會(huì)向右邊轉(zhuǎn)彎。通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以控制小車的運(yùn)行方向，從而對(duì)障礙進(jìn)行有效規(guī)避。

2.3.2 語(yǔ)音提示功能模塊。語(yǔ)音提示指的是在智能小車的運(yùn)行過(guò)程中提供語(yǔ)音服務(wù)，提示用戶小車遇到的障礙情況。當(dāng)小車與障礙物比較接近的時(shí)候，提示系統(tǒng)可以發(fā)出類似語(yǔ)音：“在距您車前方x米的地方有一障礙物，請(qǐng)您注意避讓”。此功能是用ISD1760語(yǔ)音芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，預(yù)先給語(yǔ)音芯片錄入“在距您車前方”，“米的地方有一障礙物，請(qǐng)您注意避讓”，“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“10”等語(yǔ)音信息，語(yǔ)音提示的實(shí)現(xiàn)通過(guò)在單片機(jī)程序來(lái)控制語(yǔ)音芯片的定點(diǎn)放音。ISD1760語(yǔ)音芯片的定點(diǎn)放音的控制通過(guò)單片機(jī)的P2.2到P2.5四個(gè)I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)。錄音時(shí)一直按住RES鍵，錄完后松手，按住PLAY鍵即可播放剛錄制的語(yǔ)音片段；可以通過(guò)按動(dòng)VOL鍵加減音量，如果想增大一級(jí)音量，只需按動(dòng)一次VOL鍵。由于音量調(diào)節(jié)只有8級(jí)，因此如果想要聲音重新回到最小音量，就必須按動(dòng)VOL鍵9次。ERASE鍵可以擦除已經(jīng)錄入的語(yǔ)音片段，通過(guò)長(zhǎng)按、短按刪除不同的語(yǔ)音片段：短按此鍵可以擦除上一段錄音，長(zhǎng)按此鍵可以擦除所有錄音；通過(guò)SCLK、SS、MISO、MOSI腳與單片機(jī)進(jìn)行SPI通信，單片機(jī)就是通過(guò)這幾個(gè)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ISD1760的定點(diǎn)放音。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)總體思路

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將STC89C52單片機(jī)作為控制核心，利用紅外位置傳感器檢測(cè)道路上的障礙信息，而小車通過(guò)位置傳感器獲得路徑信息，當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平，并且將檢測(cè)到信號(hào)返回到單片機(jī)中，然后STC89C52進(jìn)行判斷并開(kāi)始處理小車所處的狀態(tài)，采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障、快慢速行駛以及自動(dòng)停車。

3.2 PWM控制的實(shí)現(xiàn)

Pulse Width Modulation簡(jiǎn)稱PWM控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在逆變電路中PWM控制技術(shù)應(yīng)用得最為廣泛，PWM型在應(yīng)用的逆變電路中最為常見(jiàn)，可以說(shuō)電力電子技術(shù)中的重要地位的確定正是由于PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用。作為直流電機(jī)的調(diào)速方式，PWM驅(qū)動(dòng)基本是不二的選擇，特別是單片機(jī)日益普及的今天。而我們?cè)O(shè)計(jì)中的電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，而電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。我們?cè)诳刂瞥绦蛑锌梢栽O(shè)置一個(gè)寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)PCA0L的初值，通過(guò)改變PCA0L的初值來(lái)對(duì)小車的方向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

3.3 小車狀態(tài)定義

我們?cè)谠O(shè)計(jì)小車的程序設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)思想如下：小車在運(yùn)行狀態(tài)中當(dāng)前方有障礙的時(shí)候，傳感器將得到信號(hào)返回到單片機(jī)后，單片機(jī)產(chǎn)生中斷讓小車停駛，并且產(chǎn)生PWM波讓小車前輪轉(zhuǎn)向中倒車一定的時(shí)間，然后再次返回到主程序中運(yùn)行，直到再次檢測(cè)到障礙物時(shí)中斷再次執(zhí)行……直至順利到達(dá)目的地，完成避障功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程——入門、提

高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版

社，2009.

作者簡(jiǎn)介：李彤（1988-），男，天津人，供職于天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，初級(jí)職稱，碩士，研究方向：電腦鼠算法優(yōu)化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）