基于單片機的智能小車避障系統的設計與實現

黃永濤 王功喆 劉春瑞

（濰坊科技學院，山東 濰坊262700）

智能小車是機器人研究的一個重要方面，從目前的設計和研發情況來看，主要分為了藍牙遙控、超聲波避障、光電尋跡等，其中藍牙遙控小車使用手機串口軟件和小車上的藍牙芯片進行通信，可以控制小車轉向、前進、后退、停止、啟動等；超聲波避障則是在小車系統中設置超聲波避障模塊，提高小車運行的安全性。本文將結合單片機技術，提出智能小車避障系統的設計和實現途徑，希望對智能小車研發提供必要的幫助。

1 智能小車避障系統的總體設計

智能小車在行駛中，需要沿著指定的路線運動，并實現對周圍障礙物的躲避。為了實現小車的避障功能，需要對智能小車車體進行總體設計。當前，單片機技術在智能小車避障系統的設計中應用開始增多，本文在避障系統中采用的主控芯片為STC89C52 單片機，小車行駛中的影像資料收集在LCD 顯示器上，對于障礙物的測距則采用超聲波技術，行駛速度和方向通過主控系統進行體現。本文設計的智能小車避障系統，小車在運行中可以將前方的障礙物及時辨識，在距離障礙物一定范圍時，做出減速和轉向等動作。

基于STC89C52 單片機的小車避障系統，能夠及時將小車運行情況進行顯示，在收集各種小車運行數據之后，根據小車距離障礙物的距離和角度，準確的避開周圍障礙物，滿足直線行駛的要求。本文設計的智能小車避障系統基本組成為避障模塊、前進模塊、液晶顯示模塊、主控制模塊、轉彎控制電機以及底盤部件等部分。小車車體的智能結構圖如圖1 所示。

圖1 智能小車車體結構圖

本文智能小車避障系統設計采用的單片機為AT89S52，與該單片機配套設計了傳感器模塊、電源模塊、復位模塊、伺服電機模塊以及時鐘模塊等，這些模塊對系統運行起到了關鍵性的作用。小車在軌跡路線上運行需要依靠傳感器模塊，前進、后退以及轉向等則是依靠伺服電機模塊。

2 智能小車避障系統硬件組成

2.1 驅動模塊的設計

小車的行駛通過電動來驅動，在方向的調配上則是采用電機的正轉和反轉來實現，利用單片機能夠反映小車在行進中的路況信息。電機驅動電路是驅動模塊的重要內容，本文選用H橋式驅動電路，運行方式為L298N 內部集成式。小車啟動與速度的控制上則是采用L298N 電路PWM 信號進行調制，在運行中單片機能夠做出控制和指導。

2.2 避障系統主控制模塊

主控制模塊協同控制避障系統高效發揮作用，是系統運行的核心。本文的智能小車避障系統選用的主控制模塊為8 位控制器STC89C52 單片機，可以實現對不同模塊的整體指導。由于本次設計的避障系統采用的是超聲波- 光電接近開關避障方案，選用的STC89C52 單片機能夠有效手機并處理系統多種信號，對小車的運行過程進行綜合的指導，而在電機控制信號上則是利用P0 輸出，這樣可以保證避障系統功能模塊之間更好的協調。該模塊的外圍電路原理圖如圖2 所示。

圖2 避障系統主控制模塊外圍電路圖

2.3 優化伺服電機模塊

為了保證小車在運行中路況信息的清晰化，本文采用的伺服電機為360°伺服舵機，這樣可以保證避障系統在運行中更好的掌握路況信息，獲得連續的數據，從而對實況進行管理和控制。360°伺服舵機主要包含三條輸入線，分別是紅、黑、白，其中紅色主要與伺服機電源連接，黑色與伺服機接地連接，白色則是負責伺服機的信號。為了讓伺服電機模塊更好的實現對小車的控制，本文在伺服電機模塊中增加了一個基準電路和比較器，這樣可以對小車的運行路線和路況進行微調，保證小車前進中的安全性和靈活性。該模塊的外圍電路原理圖如圖3 所示。

圖3 伺服電機模塊外圍電路原理圖

2.4 避障模塊的設計

智能小車避障系統的核心模塊為避障模塊，這也是小車行進中避免周圍障礙物的核心系統。本次避障過程采用HC-SR04 超聲波模塊，可以實現3-500cm 內非接觸時的準確測距，誤差范圍在2.5mm 之內，運行效果較理想。避障模塊的使用既滿足了系統運行的需要，同時其抗干擾性較強，可實現精確的測距。本文的避障模塊構成主要有超聲波發射器、控制電路和接收器三部分，小車在實際運行中，能夠主動的規避一些不能穿越的障礙物，自動實現轉向和掉頭，并根據系統提示，重新選擇新的路線。

2.5 循跡傳感器的設計

本模塊設計的主要作用為利用紅外線探測不同顏色前方物體，幫小車更好的規劃線路。原理為通過設置紅外傳感器，接受系統中不同的電平信號，優化小車的運行。在設計中充分將循跡傳感器與伺服電機模塊進行了融合，利用QTI 傳感器探測小車前方反射光的強度，，最終得到前方物體的具體情況，將探測得出的數據輸出為不同的電平信號。循跡傳感器外圍電路原理圖如下圖4 所示。

圖4 循跡傳感器外圍電路圖

2.6 優化小車循跡系統的設計

雖然循跡傳感器能夠檢測到各種不同顏色的物體，但是由于這些物體的反射規律不同，小車在運行中并不能完全快速避障。本文在避障系統設計中，對小車循跡系統進行了優化，采用TCRT5000 型光電對管進行探測和循跡，小車在運行中自主的向前方發射紅外光，針對白色光的漫反射現象，在智能小車上安裝了接收管，能夠在第一時間內接收反射光。在循跡系統設計完成之后，我們在小車上安裝了QTI 傳感器，對智能小車I/O口與QTI 傳感器進行了SIG 信號測試，系統能夠及時對不同顏色的物體進行檢測，避免小車在運行中出現各種錯誤。此外，在智能小車運行中，在傳感器的控制上，采用了兩級控制策略，可以快速接受傳感器信號，并對其處理。通過兩級控制的方法，智能小車的運行軌跡更加合理，對于出現的錯誤及時調整，從而提升了小車的循跡能力。

3 智能小車避障系統軟件組成

3.1 智能小車避障動作設計

在智能小車基本動作的設計張，要結合其車輪的轉動情況，優化智能小車循跡系統。從左輪角度來看，小車行進可以采用逆時針轉動，在右輪設計中則是順時針旋轉。通過這樣的設計，可以及時判斷小車的行駛方向和速度，便于對其進行加速和減速控制與管理。本文將這一設計理念通過C 語言進行反饋，用right 和left 來表示，這樣就能完成小車的基本動作設計，提高避障系統的可操控性。

3.2 小車循跡功能的實現

對于智能小車避障系統的軟件設計要集中在避障功能優化上，可以建立QTI 傳感器循跡策略表，在循跡軟件設計中運用move 函數，這樣就能通過對避障數據的逐步優化，讓小車在人工的控制下，實現避障。QTI 傳感器智能小車循跡策略圖如下表1 所示，這種策略同樣可以拓展到到避障系統的其它模塊中。

表1 QTI 傳感器循跡指導

結束語

綜上所述，傳統的智能小車在設計中忽視單片機的作用，沒有設置超聲波模塊，導致對前方物體檢測能力不強，小車易出現碰撞。為了解決上述問題，本次設計的智能小車避障系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件包含驅動模塊、優化伺服電機模塊、設計循跡傳感器模塊等組成，軟件模塊則是利用C 語言和move 函數等對小車基本運行動作進行細微調整。在實際的測試中，小車運行狀態較為平穩，通過對QTI 傳感器安裝高度的調整，小車不再出現抖動和無法循線的情況，規避前方障礙物的能力有較大的提升。