基于單片機控制的多功能空地兩用小車設計與實現

徐倩，康紹鵬，李煜昕，孫文杰，陳俊

(江蘇理工學院機械工程學院，江蘇常州213001)

1 引言

移動巡視機器人在人們生活中的廣泛應用越來越常見。無論是室內環境，如地下停車場、倉庫、鏟車間等，還是室外環境，如變電站，對移動機器人的應用需求都逐漸增加。移動巡視機器人主要在陸地工作較多，對于觀測空中工作的情況時，大多使用無人機來進行巡視。無論在軍用還是民用的空中領域，無人機巡視都得到了廣泛的應用，例如航拍航測、電力巡視、交通巡查、內河航道巡航等[1]。無論是陸地領域的移動巡視機器人和還是空中領域的無人機都有廣泛的應用，但目前市面上既能在陸地移動，也能在空中飛行，二者同時具備的巡視機器人較少。使用模式單一的巡視機器人進行巡查，難免會出現因為巡視環境復雜而導致巡查監管不全面的問題，可見研發功能多類型機器人進行協調配合的重要性不可忽視。所以針對現存市場中巡視機器人功能較單一的缺點，我們設計了一款飛行和地面移動功能相結合的多功能空地兩用智能巡視小車。該型空地兩用巡視小車具備行駛/飛行切換、遠程遙控、圖像傳輸、行駛避障、循跡等功能，能夠在低成本、低功耗、可靠性高的情況下解決上述問題。該型巡視小車能夠全適應天空和地面環境，實現智能化立體巡視監測，并且可以替代巡檢人員進入高空及地面危險區域高效且安全地完成巡視任務。該型小車的設計與實現對巡查檢測具有重要的意義，同時具有較好的市場需求。

2 多功能空地兩用小車總體設計

空地兩用巡視小車共有兩大部分組成——地面巡視小車和四旋翼飛行器，其整體結構如圖1所示。地面巡視小車的底盤由高強度光敏樹脂3D 打印制造而成，可以承受降落帶來的沖擊。小車采用麥克納姆車輪，能夠實現全向移動，具有極佳的靈活性。同時巡視小車也配有紅外傳感器、720P 高清攝像頭、舵機、WiFi 傳輸模塊等設備，能夠使小車實現自動避障、循跡功能，配備的高清攝像頭可以在舵機的協助下實現多姿態高清攝錄，視頻信息通過WiFi 傳輸模塊傳輸到手機App 上便于巡檢人員巡視。飛行器部分沒有采用固定翼，而是由四旋翼無人機實現完成。旋翼飛行器可以實現較長時間定點懸停，也可進行超低空飛行，方便獲取目標地的詳細影像資料。同時旋翼無人機能夠垂直起降，不需要跑道，對起飛場地沒有特殊要求。

圖1 空地兩用巡視小車整體結構示意圖

3 多功能空地兩用小車硬件組成

巡視小車使用STC89C52 單片機作為主控芯片，采用紅外傳感器實現避障循跡操作，通過L293D 芯片驅動直流電動機,并且可以通過藍牙WiFi模塊控制小車的運行和視頻信息的傳輸[2]。其總體框圖如圖2所示。

圖2 巡視小車總體框圖

3.1 單片機最小系統設計

單片機最小系統是能夠使單片機正常運行的最低硬件配置電路，它通常由3部分構成包括電源電路、時鐘電路、復位電路，其最小系統電路如圖3所示[3]。

圖3 巡視小車控制電路最小系統電路圖

3.2 電機驅動模塊

多功能空地兩用巡視小車采用麥克納姆輪作為車輪，使用4 個直流電動機作為動力輸入。4 個直流電動機通過兩枚L293D 芯片驅動。該型芯片可提供高達600mA 的雙向驅動電流。電機驅動電路如圖4所示。

圖4 電機驅動電路圖

3.3 避障循跡模塊

多功能空地兩用巡視小車車頭安裝了紅外傳感器，通過車頭的紅外傳感器實現避障循跡功能。紅外循跡傳感器發射紅外光線，若發射出的紅外線沒有被障礙物反射回來，此時避障循跡模塊輸出端將輸出低電平。若發射的紅外線別障礙物反射回來，此時模塊輸出端輸出高電平[4]。單片機可通過反射回來的紅外光來確定巡視小車的行駛路線。避障循跡模塊電路如圖5所示。

圖5 避障循跡模塊電路圖

3.4 圖像采集與數據傳輸模塊

多功能空地兩用巡視小車可以通過其攜帶的高清攝像頭采集圖像，并且可以通過WiFi 模塊無線傳輸圖像信息至手機端App。同時也可以將手機作為控制器，利用手機端App遠程遙控巡視小車。手機端和單片機協同操作從而達到對車體的中遠距離實時控制。數據傳輸模塊接口電路如圖6所示。

圖6 數據傳輸模塊電路圖

3.5 飛行模塊

為實現巡視小車的飛行功能，我們在車體頂部安裝了一架四旋翼無人機，如圖7所示。該型無人機有較大的起飛重量可以載重2 公斤飛行至50 米高度。借助無人機巡視小車可以實現較長時間定點空中懸停，可更加詳細地獲取巡視目標的圖像資料。且巡視小車能夠實現垂直起降，不需要跑道，對起飛場地沒有特殊要求，大大增加了巡視小車日常使用的便利性。

圖7 四旋翼無人機飛行模塊

4 程序設計

為實現巡視小車運動控制、避障循跡及遠程遙控等功能，使用C 語言對51單片機進行編程。巡視小車采用了麥克納姆輪，因此可以通過調整各個電機轉動的方向和速度實現前進、后退、左移、右移等運動方式。以左移為例，其運動方式如圖8所示，控制程序如下：

圖8 巡視小車左移運動圖解

void left_run()

{

IN1=1,IN2=0,IN3=0,IN4=1,IN5=0,IN6=1,IN7=1,IN8=0;

}

通過單片機控制左前輪和右后輪反轉左后輪和右前輪正轉即可實現巡視小車的左移運動。其余的運動方式與之類似。巡視小車使用紅外傳感器實現避障和循跡操作，紅外循跡傳感器發射紅外光線，若發射出的紅外線沒有被障礙物反射回來，此時避障循跡模塊輸出端將輸出低電平。若發射的紅外線別障礙物反射回來，此時模塊輸出端輸出高電平。單片機可通過反射回來的紅外光來確定巡視小車的行駛路線，循跡程序流程圖如圖9所示，循跡軌跡使用黑色線條標注。安裝在車體下方傳感器感應黑線，若左側傳感器感應到黑線則小車將向左修正行駛軌跡。若右側傳感器感應到黑線則小車將向右修正行駛軌跡。

圖9 循跡流程圖

避障程序流程如圖10 所示，避障功能同樣采用紅外傳感器實現。若左側傳感器感應到障礙物右側傳感器沒有感應到障礙物則小車將右移避障。反之若右側傳感器感應到障礙物左側傳感器沒有感應到障礙物則小車將左移避障。若兩側傳感器都感應到障礙物則小車將后退避障[5]。

圖10 避障流程圖

遠程遙控功能通過紅外遙控器遙控實現。按下遙控器上不同的按鍵控制小車移動。遠程遙控控制程序使用C 語言中的switch()函數實現，程序流程圖如圖11所示。

圖11 遠程遙控流程圖

5 實驗測試

空地兩用智能巡視小車對于一些大型障礙物可以快速地進行避障操作，但對一些目標較小的障礙物傳感器不能夠精準識別。遙控器可以遠程遙控小車的運動且操作指令準確。對于傾角較小的坡道巡視小車有足夠的動力通過。對于小車的循跡功能，經測試小車可按照規劃的黑色軌跡行駛且運行平穩，測試結果如圖12 所示。對于信號傳輸我們也進行了大量測試，結果顯示車載攝像頭采集的視頻畫面延遲很短且十分清晰。經過測試我們發現在日常使用時手機與巡視小車之間應當避免障礙物遮擋，否則將影響畫面質量。對于飛行功能，同樣在進行了大量測試工作，進實驗測試空地兩用巡視小車可以實現垂直起降，并且可以在空中長時間穩定懸停，測試結果如圖13所示。

圖12 巡視小車循跡測試圖

圖13 巡視小車飛行測試圖

6 總結與展望

傳統的巡檢工作量大效率低，市面上普通的巡檢小車功能單一，本文設計的多功能空地兩用巡視小車既能夠幫助巡檢人員巡視地面區域，并且可以很好地適應立體復雜環境，在空中和陸地兩種工況下都能夠正常使用，高效完成工作。小車在運行過程中可以通過智能終端設備傳輸圖像，使我們能夠實時獲取巡視目標的圖像信息。空地兩用智能巡視小車操作簡單，顯示直觀。在很大程度上解放了勞動力，降低了巡視成本，并且可以在保證巡檢質量的前提下提升巡檢工作的效率[6]，具有很大的推廣價值，市場前景廣闊。