楊 帆，雷 迪

（武漢工程大學(xué)，武漢 430205）

0 引言

現(xiàn)今，人工智能已經(jīng)涉及到生活的方方面面，控制領(lǐng)域的智能避障小車也成為人工智能的重要應(yīng)用之一，并且取得了顯著的成果。一般避障小車分別使用紅外測距傳感器[1]、超聲波傳感器[2]、CCD鏡頭[3]、視頻采集模塊協(xié)同紅外避障模塊[4]作為障礙物識別模塊。在小車操縱上一般通過CCD攝像頭識別灰階軌道使小車做循跡運(yùn)動(dòng)[5]，或無線手柄、手機(jī)[6]連接小車進(jìn)行人工操控，還有的小車使用電子羅盤進(jìn)行精確定位以便電腦規(guī)劃路徑控制行駛[7]。算法上分為全局、局部路徑規(guī)劃方法[8]，具體的一般使用模糊控制算法[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[10]進(jìn)行避障路線規(guī)劃。本次設(shè)計(jì)的避障小車避障模塊在包含了紅外傳感器、超聲波傳感器外，還添加了傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測小車傾斜角度，使得小車在行駛過程中不會(huì)翻倒。小車通過手持紅外遙控器和車載紅外接收器進(jìn)行人工控制，在遇到障礙物、傾角角度過大可能引起翻倒時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的避障程序進(jìn)行自動(dòng)避障。

1 避障小車總體設(shè)計(jì)

本次避障小車設(shè)計(jì)選用STM32F103ZET6芯片作為主控芯片，小車大致可分為五個(gè)部分：電源模塊、障礙物檢測部分、控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外遙控模塊。選擇手持紅外遙控器作為操作指令輸入。小車系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

圖1 系統(tǒng)總體框圖

小車串聯(lián)兩節(jié)鋰電池提供7.2V電壓作為初始電源，經(jīng)LM2596S芯片轉(zhuǎn)換提供6V～12V電壓輸出，通過RC電路的調(diào)整為后續(xù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電源，為后續(xù)各個(gè)模塊提供5V電源，電源供電模塊如圖2所示。

圖2 電源供電模塊電路圖

2.2 超聲波避障模塊

超聲波測距原理：聲音在空中的傳播速度約為340m/s，時(shí)間△t為發(fā)射器發(fā)射超聲波的瞬間到接收器接收到超聲波的時(shí)長。

根據(jù)式(1)就能測出小車到障礙物的距離S。本文選用的是HC-SR04超聲波模塊，其測距范圍為2cm～400cm。

模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，超聲波模塊固定在小車的正前方，用來檢測正前方的障礙物，自動(dòng)檢測是否有信號返回。有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。與主控芯片PB14、PD8相連。超聲波避障模塊電路圖如圖3所示。

圖3 HC-SR04超聲波模塊電路圖

2.3 紅外線避障模塊

HJ-IR2紅外避障模塊采用紅外光反射原理進(jìn)行距離估算。該模塊位于車頭左右兩邊。本小車選擇的紅外傳感器，檢測距離為2cm～30cm。在設(shè)計(jì)上采用紅外避障模塊與超聲波模塊，兩種方案同時(shí)檢測，并依據(jù)兩者測得的距離為轉(zhuǎn)向角提供數(shù)據(jù)，兩邊的紅外避障模塊分別與STM32中PC7、PG2相連接，紅外避障模塊電路圖如圖4所示。

圖4 左右紅外傳感器模塊電路圖

2.4 傾角檢測模塊

該小車使用MMA7361L傾角傳感器，安裝于小車中間部分。如果沿著某個(gè)方向（軸向、徑向平行、徑向垂直）活動(dòng)或受到重力作用，輸出電壓就會(huì)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方向以及設(shè)定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓，該信號通過（引腳）送入主控芯片，就可以檢測小車傾角。其中MMA7361L芯片Xout、Yout、Zout、SelfTest、g-Select、0g-detect、Sleep輸出端口分別與主控芯片的PB0、PB1及PC1-PC5端口相連。當(dāng)X、Y、Z各軸的信號在不運(yùn)動(dòng)或不被重力作用的作用的狀態(tài)下（即0g狀態(tài)），其輸出為1.65V，檢測靈敏度為800mv/g。令X、Y、Z軸輸出電壓分別為：Ux、Uy、Uz。

三軸輸出電壓計(jì)算公式如下：

加速度傳感器Z軸輸出電壓為：

加速度傳感器X軸輸出電壓為：

加速度傳感器Y軸輸出電壓為：

根據(jù)計(jì)算所得的三軸電壓，三軸傾角算法如下：

加速度傳感器Z軸與自然坐標(biāo)系Z軸夾角：

加速度傳感器X軸與自然坐標(biāo)系X軸夾角：

加速度傳感器Y軸與自然坐標(biāo)系Y軸夾角：

三軸角度示意圖如圖5所示。

傾角檢測芯片電路圖如圖6所示。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及直流電機(jī)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用雙H橋L298P電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)4馬達(dá)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行和PWM軟件調(diào)速。L298P驅(qū)動(dòng)4路直流電機(jī)，通過主控芯片的PC11、PD0、PD6、PG9端口相連，輸出改變L298N的控制端電平，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。左電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖7所示（與右側(cè)車輪相同）。

圖5 三軸角度示意圖

圖6 MMA7361L芯片電路圖

2.6 光電測速模塊

此次智能小車選用HJ-IR6光電測速模塊，位于小車下方后車輪兩側(cè)，對車輛行駛時(shí)的速度進(jìn)行精確測量并為主控芯片提供數(shù)據(jù)，為小車制動(dòng)提供速度數(shù)據(jù)，其與主控芯片PD10、PD11相連。

圖7 L298P左側(cè)車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電路圖

2.7 手持紅外遙控器及紅外遙控接收模塊

設(shè)計(jì)的智能小車并未使用循跡控制，而是選擇了紅外遙控的人工控制方式。小車配備紅外接收IR1838芯片模塊與手持紅外遙控器，IR1838芯片輸出端與主控芯片PD10相連。操縱手持紅外遙控器即可對小車進(jìn)行操縱，紅外接收模塊電路圖及手持紅外遙控器如圖8所示。其中，遙控器“CH”鍵、“+”鍵、“倒放”鍵、“播放暫停”鍵依次對應(yīng)設(shè)置為小車的上下左右控制鍵，控制小車行駛。

圖8 紅外接收模塊電路圖及手持紅外遙控器

3 軟件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)中，因選擇STM32F103ZET6作為主控芯片，故使用非常成熟的C語言進(jìn)行配套編程，配合編譯軟件KeilμVision5進(jìn)行編譯，完成了主程序及避障程序的設(shè)計(jì)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序中，對各項(xiàng)函數(shù)進(jìn)行初始化，清空前期累計(jì)數(shù)據(jù)。隨后，小車等待紅外遙控器發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，在檢測到傳輸指令并識別后，進(jìn)入避障程序。避障程序內(nèi)判斷是否觸發(fā)不同種類避障過程。若不觸發(fā)避障過程則執(zhí)行人工操作指令然后返回任務(wù)等待步驟。主程序?qū)?yīng)的程序流圖如圖9所示。

圖9 主程序流圖

3.2 避障程序

主程序中的避障功能是本次設(shè)計(jì)小車的重點(diǎn)功能，分別對不同障礙物情況設(shè)計(jì)了對應(yīng)的避障處理程序。其中，光電測速模塊檢測小車速度為后續(xù)避障程序提供速度數(shù)據(jù)。左右紅外測距傳感器測量車身的左右障礙物距離，超聲波傳感器測量小車正面距障礙物距離，傾角傳感器測量車身傾斜角度。避障程序流圖如圖10所示。

圖10 避障程序流圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)主要任務(wù)：平整道路行駛避障、傾斜道路行駛避障。在實(shí)驗(yàn)場所設(shè)置多個(gè)障礙物，及傾斜坡道。小車上電啟動(dòng)后，開始根據(jù)遙控器發(fā)出指令進(jìn)行人工行駛，判斷前方有障礙物后開始避障實(shí)驗(yàn)，如遇到障礙物，小車執(zhí)行避障程序。隨后，小車進(jìn)行爬坡操作，小車行駛到達(dá)程序設(shè)定傾角后轉(zhuǎn)向下坡方向。小車經(jīng)過反復(fù)的室內(nèi)測試，調(diào)整紅外傳感器、超聲波傳感器最大檢測距離，在程序中對傾角信號做消抖處理，最終使得小車三種避障方式效果達(dá)到預(yù)期，順利完成各類障礙物避障要求，實(shí)驗(yàn)成功結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 行駛過程中障礙物避障

圖12 行駛過程中傾角避障

本文基于STM32設(shè)計(jì)出了一款帶傾角避障的智能小車，使用超聲波及紅外避障模塊，傾角檢測模塊檢測障礙物信息，使得小車具備在距障礙物10cm距離外進(jìn)行避障操作，小車在路面傾角為30°時(shí)選擇下坡進(jìn)行避障操作防止傾倒。通過光電測速器采集速度數(shù)據(jù)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高小車速度的控制精度和穩(wěn)定性。