單片機技術在智能小車避障循跡系統設計中的應用

摘? 要：提出了智能小車避障循跡系統總體設計思路，并進而分析了智能小車避障循跡系統硬件設計，提出有效設計驅動模塊、主控制模塊、伺服電機模塊、避障模塊、循跡傳感器、循跡系統設計，提出優化系統軟件設計，從硬件設計與軟件系統運行兩個角度進行研究，由此論證智能小車避障系統設計過程中單片機的運用方式，要求有效設計智能機器人基本動作，實現智能小車循跡功能，為智能小車避障循跡系統設計提供了一定參考意見。

關鍵詞：單片機技術;智能小車;避障循跡系統;伺服電機模塊

Abstract：The overall design ideas of the intelligent car obstacle avoidance tracking system are proposed，and then the hardware design of the intelligent car obstacle avoidance tracking system is analyzed，and the effective design of the drive module，main control module，servo motor module design，obstacle avoidance module，tracking sensor，tracking system design，proposed optimization system software design，researched from two perspectives of hardware design and software system operation，thus demonstrating the use of single-chip microcomputer in the design process of intelligent car obstacle avoidance system，which requires effective design of basic actions of intelligent robots to achieve intelligence car tracking function provides a certain reference for the design of the intelligent car obstacle avoidance tracking system.

Keywords：single chip microcomputer technology;intelligent car;obstacle avoidance tracking system;servo motor module

0? 引? 言

在目前信息技術快速發展的背景下，機器人研究成為國際上多個國家研究的重要課題之一，研究以機器人取代人工勞動是目前相關信息技術發展的重要方向之一。智能小車是機器人研究的重要項目之一，本文運用單片機技術提出智能小車避障循跡系統的設計與選擇過程，智能小車達到了良好的運行效果。

1? 智能小車避障循跡系統總體設計

人工智能機器人目前在多項領域中均有運用，研究過程受到理論界的廣泛關注，在設備檢測與貨物搬運過程中可以運用機器人完成，在智能小車行駛過程中，要求能夠沿著系統設定的路線行駛，并正確避開障礙物。為了達到良好的運行效果，要求積極加強系統的總體設計。在無錫工藝職業技術學院單片機相關理論研究與教學進行過程中，對單片機在智能小車循跡避障系統中的運用有了更深的理解與體會。

本次利用單片機技術進行智能小車避障系統設計過程中主控芯片為STC89C52單片機，小車行駛信息與路況信息收集方面運用LCD顯示器，小車與障礙物之間的距離測量上運用超聲波測距進行測量，小車的行駛速度與行駛方向，可以通過主控系統進行反應與體現，小車運行過程中能夠自動地辨識障礙物，并以此指導小車的行駛行為，使得小車能夠沿著水平方向行駛。

STC89C52單片機設計與運行過程中能夠在LCD顯示模塊中表現出智能小車的行駛速度與行駛方向，在綜合收集多項數據的前提下正確分析路況信息，并準確避開障礙物，使得小車最終能夠沿著直線行駛。

本次在運用單片機進行智能小車避障系統設計過程中，系統的主要構成包含了避障、前進、液晶顯示模塊、主控制模塊、傳感器模塊、循跡感測模塊、轉彎控制電機、底部部件等部分。智能小車車體結構如圖1所示。

本次智能小車避障循跡系統設計過程中選擇AT89S52單片機，并據此設計了相應的時鐘電路、傳感器模塊、電源模塊、復位電路、伺服電機模塊等，不同模塊對系統運行發揮著不同作用。智能小車在黑色軌跡路線上行駛時需要依靠傳感器模塊，小車基本動作的完成方面則需要依靠伺服電機模塊。智能小車為了能夠靈活循跡采用了三輪結構車體，在小車運行過程中要求能夠優化硬件設置與軟件設置[1]。

2? 智能小車避障循跡系統硬件設計

2.1? 設計驅動模塊

系統運行過程中以電機來帶動，在對系統運動方向的把握上則采用電機的正轉與反轉來實現，行進中的路況信息能夠反映在單片機之中。H橋式驅動電路是系統運行過程中一般采取的主要電機驅動，本文研究中運用的系統采用的同樣是H橋式驅動電路，屬于L298N內部集成運行方式。在小車啟停與速度的掌握上則運用L298N電路PWM信號進行指導，單片機能夠對此做出相應控制與指導[2]。

2.2? 設計系統主控制模塊

主控制模塊是系統運行過程中的重要根基，本次智能小車避障循跡系統運行中的主控制模塊選擇8位微控制器STC89C52單片機，對系統運行中的各個層面進行指導。此次設計中的避障方案選擇超聲波-光電接近開關避障方案，STC89C52的I/O口能夠有效收集并處理系統運行中的多種信號，以此優化避障系統中的多個路徑，電機控制信號通過P0口輸出，以此對小車運行起到良好的運動指導效果[3]。

2.3? 優化伺服電機模塊設計

本次設計過程中伺服電機模塊選擇360°伺服舵機，以此使得循跡系統在運行過程中能夠準確掌握路況，獲取較為連續的數據信息，從而進行有效的速度管理與控制。360°伺服舵機具有三條輸入線，分別是紅、黑、白，其中紅色負責伺服機電源，黑色負責伺服機接地，白色負責伺服機的信號控制。伺服電機模塊運行過程中為了加強對小車的有效控制，在伺服電機模塊運行過程中安裝了一個比較器和一個基準電路[4]。

2.4? 設計避障模塊

智能小車避障循跡系統設計中的核心技術為避障系統，也是系統運行中最為核心的模塊，構成了智能小車運動控制中最為核心的技術，系統運行優劣情況的重要評價指標之一是避障系統。本次避障過程中采用HC-SR04超聲波模塊，在2 cm～400 cm非接觸式距離中能夠進行準確測距，具有3 mm的測距精度，運行效果較為顯著。使用過程中既符合了系統運行要求，同時其抗干擾性能與精度也相對較高。避障模塊的構成部分包括接收器、超聲發射器、控制電路等部分。小車運行過程中避障模塊能夠有效處理地面上一些不可穿越的障礙，對此進行正確判斷，并給出相應的應對之策。

2.5? 設計循跡傳感器

傳感器設置過程中主要是基于循跡傳感器模塊的設置，設置過程中采用了紅外傳感器方式，以此能夠促進反射光強度的吸收，以此探測不同顏色的物體，由此QTI傳感器能夠接收到系統運行中不同的電平信號，優化智能小車的運行，在智能小車避障系統與循跡系統設計過程中能夠有效接收不同信號，并對此進行有效處理[5]。

小車循跡避障系統設計過程中要求優化伺服機電模塊，其中重要設計內容之一為循跡傳感器設計，要求優化傳感器設計。本次智能小車循跡傳感器設計過程中采用了QTI傳感器，為紅外線傳感器，運行過程中能夠接收不同的反射光強度，以此探測小車行進過程中的物體，并探測得到的數據輸出為不同的電平信號。以此為智能小車避障系統提供數據支持依據。

2.6? 優化小車循跡系統設計

小車運行中的循跡系統則是采用紅外探測法，智能小車運行過程中必然會遇到不同的物體，而不同顏色的物體表面通過紅外線能夠具有不同的反射規律，通過對此信息的整合能夠正確判斷出智能小車運行過程中面對的不同物體。本次系統設計中采用TCRT5000型光電對管進行探測與循跡，運行流程為小車運行過程中向前方發射紅外光，在遇到白色地面時出現漫反射現象，智能小車上安裝了接收管，能夠在第一時間接收發射光。而在遇到黑線的情況下則能夠被黑線吸收，此時智能小車上不會接收到任何信號。為了加強對小車運行過程中的信號檢測，運用高低電平的操作方式，通過LM324來實現，以此達到良好的循跡效果[6]。

在循跡系統設計完成之后，要求不斷優化小車循跡策略，安裝QTI傳感器，此次設計與運行過程中有效連接了智能小車平臺I/O口與QTI傳感器SIG信號線，使得系統運行過程中能夠針對不同的系統采用不同顏色的信號線，以此能夠促進智能小車運行過程中可能出現的錯誤，建立良好的錯誤排查方式，并針對出現的錯誤采取有效的應對處理措施。在智能小車運行過程中，在對傳感器信號控制方面建立了兩級方向控制方式，能夠有效接收到傳感器信號，并對其進行有效處理。最終在兩級系統支持之下，有效控制智能小車的運行軌跡，并對其中可能出現的錯誤及時糾正，通過這一方式的實施顯著提升了智能小車的循跡性能。

3? 優化系統軟件設計

軟件設計是智能小車避障系統設計過程中的重要因素之一，以此優化智能小車的軟件運行，有效設計智能機器人基本動作，實現智能小車循跡功能。

3.1? 設計智能機器人基本動作

在設計智能機器人基本動作過程中，要求能夠結合智能小車運行過程中輪子的旋轉情況，并以此優化智能小車循跡系統設計。從左輪角度看，智能小車行進時為逆時針方向旋轉，而從右輪角度看則為順時針旋轉。由此能夠判斷出小車行駛速度與行駛方向，因此為了在運行過程中對小車進行加速與減速控制與管理，應當對小車車輪進行有效設置。并將這一設計理念反映在小車的C語言的設計過程之中，并以right與left表示，以此完成智能機器人的基本動作設計，優化智能小車循跡系統設計。

3.2? 實現智能小車循跡功能

智能小車軟件系統設計過程中要求積極優化避障循跡功能，應當對智能小車運行建立QTI傳感器循跡策略表，以此在智能小車的自主循跡過程中運用move函數，表1體現了QTI傳感器下智能小車運行的循跡局部策略。通過這一局部策略的運用能夠擴展小車的其他運行方式。

4? 結? 論

本文提出了單片機智能小車避障循跡系統設計中的硬件設施與軟件設施，硬件設計過程中要求有效設計驅動模塊、設計系統主控制模塊、優化伺服電機模塊設計、設計避障模塊、設計循跡傳感器、優化小車循跡系統設計。要求不斷優化智能小車的軟件運行，有效設計智能機器人基本動作，實現智能小車循跡功能。

在實際的測試運行過程中取得了良好的運行效果，所設計的智能小車達到了良好的識別效果，小車運行的穩定與可靠性較為良好。但是在實際具體運行過程中可能會出現抖動厲害或者無法循線現象，這主要是由于QTI傳感器的安裝高度問題。在智能小車以較高速度行駛過程中可能會出現突然翻車現象。小車行進時需要設置引導線，引導線的顏色要求適宜，在顏色較淡時會影響循跡系統的正常運行，在設計過程中要求充分考慮到這一問題。

參考文獻：

[1] 寸巧萍.基于Mega16單片機的智能小車循跡避障設計方案 [J].電子技術與軟件工程，2015（18）：258.

[2] 申扣明，楊國平.基于單片機技術的自動循跡避障尋光智能小車系統設計 [J].自動化應用，2018（9）：75-76+82.

[3] 孫艷龍，秦暢.智能小車上也有超聲波測距避障技術的身影 [J].中國航班，2019（3）：41-42.

[4] 張偉.基于C51單片機的搬運機器人控制系統設計 [J].漳州職業技術學院學報，2019，21（1）：92-94.

[5] 曾祥蘋，栗江，劉興教.火龍果采摘用輪式AGV行走系統導航避障策略研究 [J/OL].機床與液壓.（2019-07-31）.http：//www.jcyyy.com.cn/tg/jcyyy/ch/reader/view_abstract.aspx？ flag=2&file_no=201907310000009.

[6] 李毓川.一種具有完整性約束智能小車運動控制的實現 [J].電子測量技術，2018，41（10）：29-34.

作者簡介：馮喬（1981—），女，漢族，江蘇宜興人，實驗師，工程碩士，研究方向：單片機、嵌入式等控制技術。