智能垃圾車自我控制裝置設(shè)計

殷鳳來 韓楊碩 雷歌

摘要：本文主要以STC98C52單片機為主控芯片，搭建了智能汽車自我控制裝置系統(tǒng)，論文主要闡述了自我控制裝置的基本組成部分和工作原理。智能汽車自我控制裝置主要包括傳感器、觸發(fā)裝置、控制系統(tǒng)等。智能汽車在工作環(huán)境內(nèi)主要通過紅外線感應(yīng)器檢查目標(biāo)位置信息，并將這信息不斷傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)信息的不同不斷調(diào)整狀態(tài)使下車到達目標(biāo)位置，此時啟動觸發(fā)裝置控制機械臂進行拾起工作。

關(guān)鍵詞：路徑識別;自動駕駛;智能車;單片機

0? 引言

隨著旅游業(yè)的不多發(fā)展，越來越多的人喜歡上了旅游，可是好多旅客在景區(qū)游玩過程中總是在不經(jīng)意間亂丟垃圾，破壞環(huán)境衛(wèi)生。據(jù)統(tǒng)計今年“十一”假期，黃山風(fēng)景區(qū)僅10月3日一天進山的游客就接近四萬五千人。黃山風(fēng)景區(qū)黨工委宣傳部宣教科科長侯晏表示，黃金周不僅游客數(shù)量大增，景區(qū)垃圾量也幾乎有平日的兩倍。侯晏說：“平時15噸/日左右，周末20噸/日左右，黃金周長假最高峰可達30噸/日左右。”這樣給景區(qū)的環(huán)衛(wèi)工人帶來了巨大工作量，也大大降低了景區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，因此本文提出了一款智能車，本款智能車可以根據(jù)環(huán)境自動清理工作范圍內(nèi)的流動垃圾。這樣就可以及時清理旅客隨手丟掉的垃圾，減輕景區(qū)環(huán)衛(wèi)工人的工作壓力，同時又可以減少財力物力的浪費提高旅游區(qū)的質(zhì)量等級。

1? 工作原理

智能垃圾車自動控制裝置主要分為兩大板塊，如圖1所示，分別為紅外線與超聲波混合自動駕駛板塊、單片機控制機械臂拾取板塊。

紅外線與超聲波混合自動駕駛板塊主要有紅外線傳感器、超聲波傳感器、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成。其中紅外線傳感器板塊和超聲波傳感器采用購買現(xiàn)成的產(chǎn)品，本板塊主要是通過紅外線與超聲波的優(yōu)缺點互補來進行工作。主要利用超聲波來探測周圍環(huán)境物體，再結(jié)合紅外線探測的移動物體來對工作環(huán)境的確定以及目標(biāo)物體的定位，也是依據(jù)超聲波來檢測距離并通過紅外線進行確定方向，電機和電機驅(qū)動部分的直流減速電機主要由L298N電機驅(qū)動模塊來控制。[1]移動裝置設(shè)計為前輪確定以及控制轉(zhuǎn)向，通過STC98C52單片機主控芯片根據(jù)紅外線與超聲波傳感器接受的信號做出判斷，分析小車的動作要求，發(fā)送相應(yīng)的動作命令給電機驅(qū)動模塊，控制小車實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時發(fā)送至顯示屏，并執(zhí)行命令完成相應(yīng)動作，達到目標(biāo)地點。在小車確定目標(biāo)后，小車主要依靠兩邊的紅外傳感器，如圖2所示，進行對目標(biāo)位置的目標(biāo)移動，在運動過程中當(dāng)左邊檢測到運動障礙物時，單片機會控制舵機順時針轉(zhuǎn)動，并計算轉(zhuǎn)動時間，因為舵機主要控制車軸旋轉(zhuǎn)，來促使小車向右方轉(zhuǎn)向，當(dāng)左邊檢測的障礙物消失時單片機會控制舵機逆時針旋轉(zhuǎn)相同時間使小車恢復(fù)最初狀態(tài)，如果移動裝置的右邊傳感器檢測到運動障礙物時，主控芯片控制舵機逆時針轉(zhuǎn)動，并計算時間向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)右邊檢測的障礙物消失時單片機會控制舵向同時間使小車恢復(fù)最初狀態(tài)，當(dāng)前面有運動障礙物時則規(guī)定車停止運動。直到障礙物消失，再開啟運作以達到目標(biāo)地點。

單片機控制機械臂拾取板塊主要有觸發(fā)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和舵機組成。[2]工作原理是通過STC98C52單片機對多個舵機的控制，實現(xiàn)機械臂的彎曲、張開、閉合、旋轉(zhuǎn)等動作完成物體的抓放，主要機械臂的運作全部取決于紅外線與超聲波混合自動駕駛板塊是否完成，當(dāng)紅外線與超聲波混合自動駕駛板塊完成之后控制系統(tǒng)向單片機控制機械臂拾取板塊的控制系統(tǒng)發(fā)出電信號激發(fā)觸發(fā)系統(tǒng)控制各各舵機旋轉(zhuǎn)及復(fù)位同時。其過程是固定不變的。當(dāng)單片機控制機械臂拾取板塊完成后通過觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)出電信號激發(fā)紅外線與超聲波混合自動駕駛板塊啟動使小車回到出發(fā)點。

機械臂簡圖如圖3所示，五路舵機控制機械臂，其中1、2、3、4、5表示為5路舵機，1路舵機主要控制轉(zhuǎn)向來對整個機械臂的控制，2、3、4路舵機主要是對機械臂在拾取過程中靈活度的控制，5路舵機主要是控制齒輪來實現(xiàn)機械手的張開與閉合。五路舵機對實現(xiàn)目標(biāo)物的抓取工作主要是依據(jù)智能車的高度以及每個舵機的位置來確定旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)拾取工作。

2? 組成結(jié)構(gòu)

智能垃圾車主要組成結(jié)構(gòu)有紅外線尋跡模塊、超聲波定位模塊、單片機主控制模塊一、單片機主控制模塊二、驅(qū)動模塊這五大模塊組成，其垃圾車的運作主要靠這五大模塊相互配合實現(xiàn)的。

2.1 單片機主控制模塊一

該模塊基于單片機 STC89C52 設(shè)計的智能車，需供

+12V和+5V電源，為單片機及電機提供驅(qū)動電壓。該模塊主要作用是給舵機以及傳感器提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，來確保在工作中的流暢性，其功能主要根據(jù)紅外線傳感器和超聲波傳感器提供的數(shù)據(jù)進行處理，驅(qū)使電機駕駛小車到達預(yù)定地點。[3]

2.2 紅外線尋跡模塊

本文采用E18-D80NK-N紅外線傳感器來充當(dāng)智能車的“眼睛”，當(dāng)紅外線檢測到前方無障礙時傳感器就會輸出高電平，當(dāng)紅外線檢測到有障礙時輸出口電平會從高電平變成低電平，傳感器檢測到這一信號就可以確認正前方有障礙物，并傳送給單片機，我們通過這個原理來確定工作環(huán)境以及目標(biāo)點的確定。主要工作原理是通過紅外線傳感器接受外部信息，以5秒為計算單位，傳輸給單片機，當(dāng)工作環(huán)境出現(xiàn)目標(biāo)時以三個單位時間確定最終目標(biāo)，最后單片機通過輸入內(nèi)部的算法，協(xié)調(diào)小車兩輪工作，從而完成追蹤動作。

2.3 超聲波避障模塊

測距模塊通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差計算距離。超聲波發(fā)射端在單片機前置電路的驅(qū)動下工作，接收端的信號放大、整形后在單片機的中斷口產(chǎn)生中斷，通過發(fā)射和接收的時間差計算出小車與目標(biāo)的的相對距離。這里為了單片機控制機械臂拾取板塊能夠?qū)崿F(xiàn)，我們設(shè)定當(dāng)相對距離在10-15cm時，發(fā)出終止程序傳遞信號給單片機主控制模塊二完成下一動作。

2.4 單片機主控制模塊二

該模塊基于單片機 STC89C51，該單片機可以有6個PWM脈沖輸出，這樣就可以實現(xiàn)對6個自由度機械臂的控制，其控制原理主要通過單片機發(fā)出指令給驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行命令同 時反饋機械臂運行現(xiàn)狀，來實現(xiàn)信號的控制。該板塊有程序簡單不需要收集外部信息，每一次觸發(fā)后各路控制都是唯一不變的。該模塊與單片機主控制模塊一需要的電壓電源一樣，工作環(huán)境相同。在控制舵機時主要通過直流電來控制舵機運轉(zhuǎn)，根據(jù)電流的正負值來對機械臂進行復(fù)位，實現(xiàn)舵機在抓取實物后可以恢復(fù)原有狀態(tài)。（圖5）

2.5 驅(qū)動模塊

該模塊主要由電機和舵機組成與單片機相連，主要負責(zé)小車的行駛方向以及機械臂的運作，主要通過單片機處理后的命令來操控電機及舵機的運作與停止實現(xiàn)自動駕駛及自動拾取作業(yè)。

3? 結(jié)語

本文對目標(biāo)物拾取工作的核心部件主要有紅外線傳感器，超聲波傳感器以及舵機，E18-D80NK-N紅外線傳感器具有很高的精度，價格成本低、體積小等優(yōu)點;超聲波傳感器其頻率高，波長短具有很強的方向性等特點以及舵機具有很強的轉(zhuǎn)矩可以對較重物體進行抓放;STC98C52單片機與電機驅(qū)動芯片的結(jié)合，使單片機在工作中得到良好的工作環(huán)境，讓實現(xiàn)對目標(biāo)物拾取工作得到了保障，最后對該功能進行了程序編寫，并進行了仿真實驗，驗證了工作的可行性。

參考文獻：

[1]唐淵，周汝，段武斌，劉臻.基于單片機控制的紅外線與超聲波混合避障智能小車[J].中國設(shè)備工程，2018（12）：179-180.

[2]張昊，王超亮，田文龍，李擎.同步仿生機械臂設(shè)計車[J].兵工自動化，2015（5）：77-80.

[3]彭雪峰.直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2014（4）：99-101.

[4]楊安曌，伍煒，顏奔，趙海茹.基于單片機的遠程智能垃圾清理運輸車的系統(tǒng)模型研究[J].內(nèi)燃機與配件，2019（02）：233-235.