基于單片機的無人避障小車系統設計

凌宇翔　高韋　吳昊

【摘? 要】隨著經濟社會的持續快速發展，電子技術迎來了前所未有的重大發展機遇，采用機器人替代人工來探知一些危險區域或人類不能直接到達的地域，要求探測機器人在行進中可以實時檢測周圍的障礙物，然后根據檢測結果設計出合理的運行軌跡，保證機器人可以安全抵達任何位置。本文以自動避障功能為主要研究對象，選取合適的障礙物探測方式及避障控制算法，完成整個無人避障小車系統的設計。

【關鍵詞】無人小車;單片機;系統設計

引言

智能小車是一個集環境感知、規劃和決策于一體的多維度輔助駕駛集成系統，重點研究計算機與現代傳感技術、信息融合技術、通信技術、人工智能技術和自動控制技術，是新技術與高新技術的典型結合。智能小車可以用于在不利條件下進行無人檢測和操作，這種控制技術可應用于像智能物流這樣的物聯網工業應用領域。為了更深入的認識和了解智能化汽車，可通過設計與實現智能小車來進一步研究智能汽車的控制理念和方式。傳統的智能尋跡小車只能運行在簡單的賽道上，對復雜的賽道元素缺乏處理能力，具有很大的局限性，且不能將舵機轉向與電機速度控制有效結合，在尋跡路徑上還有很大的提升空間。

1單片機技術

單片機在1990年代得到了快速的發展，技術應用更加成熟，應用領域更加廣泛，并成為推動人類文明發展的抓手。伴隨智能技術得到應用與普及，單片機獲得了新的發展空間和渠道，能夠被廣泛地應用在自動控制、通信交流、自動測量、智能儀表等電子領域。可以通過與電子技術的充分融合，提升單片機的應用質量與效率。由于單片機技術是計算機領域的關鍵分支，因此其應用的廣度和深度，能夠提升產品的實效性和有效性，使智能化產品得到真正的普及和推廣。在概念界定上，單片機主要指單片微控器，具體包括隨機儲存器、只讀儲存器、中央處理器及終端系統等部分，能夠形成多種數據控制與采集系統，完成各類復雜的運算任務。譬如運算指令的下達與運算信號的控制等。單片機是種集成計算機系統的智能芯片。能夠實現對數據信息的高速而精準的處理。在硬件特征上。單片機擁有體積小、結構簡單、功能完備、集成度高、故障率低、低耗能、高控制性等特征，可以廣泛地應用在各類電子產品中，提升電子產品的智能化、自動化及信息化水平。而在單片機的具體應用中，單片機能夠使普通的電子產品擁有智能化特征。如將單品機應用在電飯煲中，可以使電飯煲擁有自動定時、自動控制、食材識別、時間選擇等智能化功能。而將其應用在傳統的智能化電子產品中，譬如定位系統中，可以提升數據收集、可視化應用、自動定位等功能的效益，使其擁有自動化的特征。

2系統設計方案

2.1障礙物檢測設計

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，該傳感器探測距離為2cm～450cm，探測角度為15°，工作電壓為5V，可以由單片機直接供電。為了實現無人避障小車180°的測距，增加了可旋轉360°伺服舵機來帶動超聲波傳感器進行測距，伺服舵機的轉動角度分別設計為0°、90°、180°，使得超聲波測距范圍形成一個封閉的半圓形結構。由于超聲波測距有一個測距周期，當沒有達到該測距周期時就使用紅外傳感器來代替超聲波傳感器進行障礙物的檢測，這是對超聲波傳感器的一個時間上的補償，這樣就能更加精確地對外界環境進行檢測。

2.2電機控制設計

本文中設計的無人避障小車系統采用4個直流電機，控制芯片為L293D，它是一款雙H橋驅動芯片，可同時驅動兩路直流電機，本文采用了兩個L293D，1個控制左側兩個直流電機，另一個控制右側兩個直流電機，然后通過輸入信號控制直流電機執行正轉、反轉、停止來實現小車的直行、左轉、右轉，具體的設計如下：（1）當檢測到沒有障礙物時，左側電機正轉，右側電機正轉，實現無人小車直行。（2）當檢測到左側有障礙物時，左側電機正轉，右側電機反轉，實現無人小車右轉。（3）當檢測到右側有障礙物時，左側電機反轉，右側電機正轉，實現無人小車左轉。

3基于單片機的無人避障小車系統設計

3.1軟件設計

無人避障小車控制部分軟件包括主程序、超聲波測距子程序、顯示模塊子程序、電機調速子程序和按鍵控制子程序等5個部分。小車啟動后朝正前方前進，當遇到障礙物時小車停止，這時單片機會先采集超聲波測量的正前方障礙物的距離并顯示，然后舵機左轉采集左側障礙物的距離并顯示，再讓舵機右轉測量右側障礙物的距離并顯示，如果三個方向的距離都小于10cm說明空間極其狹窄，小車會原地左轉然后繼續檢測直至小車檢測到有一條合理的路線離開這個空間;如果小車左側的距離大于右側小車就原地左轉，如果右側的距離大于左側小車就會右轉。然后小車繼續前行，直到再次遇到障礙物進入下一個循環。

3.2圖像采集

攝像頭就好比智能車的“眼睛”，為微控制器提供當前道路信息，并可將獲取的圖像信息實時傳輸到微控制器進行處理。為了更加符合真實汽車比例，系統的攝像頭安裝在車輛縱向平分線上，高度距地面10厘米。系統采用DMA方式采集圖像，DMA采集速度快且不經過微處理器，使單片機能獲得更多的有效數據。圖像采集的原始灰度圖像共186×70個像素，在視野廣、前瞻長的前提下，圖像采集速率能達到50fps，基本滿足系統尋跡高速穩定的要求。

3.3電機轉速整體控制思路

尋跡小車在直道設定較高的轉速，在彎道設定稍慢的轉速使小車能夠流暢的跑完整個賽道，其中直道速度能決定小車的整體速度，合適的彎道速度能夠提升小車的穩定性。由于直道入彎的過程是關鍵，系統采取了特殊的減速策略，即先根據小車當前速度給出相應減速需要的圖像場數，當減速場數較高時設定速度可較低，當減速場數較少時設定速度可較高，并隨著減速場數的減少設定速度可逐漸接近彎道速度，使小車能夠流暢的進入彎道，避免出現“猛加猛減”的情況。

結語

自動化技術的產生和發展使工業領域在工作環境、工作效率和生產質量等方面都有所改善。單片機與工業智能技術融合后，可以利用單片機的過程控制與數據采集，提高數據處理的準確性，實現自動化控制和遠程控制，讓人工操作變為人工控制，保證流水線作業體系，單片機在工業領域中的應用保證了工業生產的安全及效率，已經廣泛應用于流水線作業系統、自動報警系統等行業。單片機作為電子技術嵌入式系統的典型代表，給我們的生活帶來了極大的便利，滲透到了生活的各個領域，對實現數字化、自動化、智能化控制意義重大，其開發與應用已經得到了人們的高度重視。

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（作者單位：武漢東湖學院）