羅永超，黃子朋，陳楷昀，郭耿斌，黃世一

（廣州城市理工學院電氣工程學院，廣東廣州，510800）

0 引言

智能小車是機器人當中的一類，也是最近流行的一類，許多高校都設(shè)有相關(guān)的實驗室進行科研。從目前高校來看，智能小車采用STC15F2K16S2單片機作為控制系統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊和電源模塊，舵機模塊，紅外光電傳感器模塊。在智能小車運行中，遇到障礙物的時候，STC15F2K16S2單片機處理傳感器的模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，并把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給電機驅(qū)動模塊和舵機模塊進行調(diào)速和調(diào)控方向，有電源模塊提供足夠穩(wěn)定的電壓。其中采用紅外光電傳感器模塊，具有受干擾能力好、實時性好、成本低、對主控芯片要求較低，能很好的完成循跡和避障的設(shè)計。本文將結(jié)合STM單片機技術(shù)，設(shè)計智能小車的避障和循跡功能，希望對初學智能小車設(shè)計提供必要的幫助。

1 智能小車的總體設(shè)計

智能小車在行駛中，沿自己預先粘貼的黑色膠布軌道進行行駛，在軌道上放有超聲波模塊能感受的障礙物，超聲波模塊在距離障礙物一定距離時，會進行避障，并完成循跡。為了實現(xiàn)智能小車避障和循跡功能，對小車進行了總體設(shè)計?，F(xiàn)在，智能小車的避障和循跡的設(shè)計應用越來越多了，本文在避障和循跡采用STC15F2K16S2單片機作為主芯片，采用直流電機作為動力。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

■1.1 處理器

STC15F2K16S2芯片具有保密性強，速度快，時鐘精度誤差小，溫飄浮動小，Hz寬度可設(shè)置，節(jié)省一些復位電路，使得處理器速度快，內(nèi)存大，在系統(tǒng)可編程/在應用也可編程，耗能低設(shè)計，性價比高，常應用。工作電壓2.4V～3.6V或4.5V～5.5V，這款處理器符合本文智能小車控制設(shè)計。

■1.2 電機驅(qū)動模塊

為了讓小車能在平穩(wěn)的地方行駛，小車設(shè)計為4個輪子，后輪分別裝左直流電機和右直流電機，兩個電機是小車的主動力，后輪兩個輪子轉(zhuǎn)動起來，帶動前輪轉(zhuǎn)動，再結(jié)合適當?shù)臏p速比減速器，使小車能穩(wěn)定前行的情況下，還能調(diào)控速度。直流電機具有很好的調(diào)控速度，控制較為簡單，直流電機通上直流電，直流電機就會連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)電壓的大小來改變電機的轉(zhuǎn)動速度，從而改變小車的速度。通過程序控制，讓智能小車實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進、后退等功能。

圖2

■1.3 電源模塊

設(shè)計的模塊比較多，所以需要兩個電源模塊[3]分別對

電機驅(qū)動模塊和STC單片機進行供電。一個5V的電源給單片機供電，而舵機也可以接到單片機上一起供電。一個12V的電源給電機驅(qū)動模塊供電。這樣可以保證各模塊能得到充足的供電、并且還有安全性良好、性價比高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

■1.4 循跡傳感模塊

循跡傳感模塊采用的是紅外線傳感器，可以利用交流調(diào)制信號，可以降低外界光對紅外線傳感器的影響。在紅外線傳感器信噪比范圍內(nèi)，紅外線傳感器反應時間在3μs左右。光電傳感器采用紅外對管，由于物體對紅外線的反射效率有所不同，黑色物體反射率極低，白色物體反射率極高。當紅外線照射到黑色膠帶大部分時，此時小車光電管中的接收信管無法接收來自黑色膠帶的發(fā)射光線，而紅外線照射到白色膠帶大部分時候，紅外對管中的接收管能接收到紅外線。這是小車能判斷自身的運動狀態(tài)和位置信息的所在。

■1.5 避障模塊

圖3

圖4

避障模塊采用超聲波模塊，超聲波避障[1]原理就是通過給超聲波模塊超過10μs的高電平信號，自動發(fā)送8個40kHz的方波，來檢測是不是有信號的返回，如果有信號的返回，那么就判斷為前方有障礙物。然后將信號傳給單片機，單片機會根據(jù)程序控制小車進行原地左轉(zhuǎn)，如果左邊也有障礙物的話小車會退回原地，然后進行右轉(zhuǎn)。這樣檢測左右兩邊是否有障礙物，從而進行避障的功能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能小車是通過各種模塊的組合一起，軟件的設(shè)計和硬件系統(tǒng)相對應。軟件設(shè)計分為循跡程序和避障程序。主要的程序按照C語言的邏輯順序?qū)@些程序進行調(diào)用。軟件設(shè)計要結(jié)合程序進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳遞等。當在循跡的過程偏離航線時，單片機采集到各個模塊傳感器的信號，經(jīng)過單片機的處理，在傳遞給電機驅(qū)動模塊和舵機模塊，使智能小車進行減速和調(diào)整方向，使智能小車回歸規(guī)定的路線，實現(xiàn)循跡功能。當遇到前方有障礙物的時候，智能小車前方的超聲波模塊會將收集到的信息傳給單片機，單片機通過避障程序控制電機驅(qū)動模塊和舵機模塊，使其完成避障功能，回歸規(guī)定的路線。

■2.1 循跡程序

先確定紅外傳感器都能正常工作，紅外傳感器是放置在車體的正下方垂直于小車的運動方向一字排開，要求傳感器保持等距離且兩傳感器能采集到黑色膠帶的信息，兩測的傳感器可以采集到白色地板的信息。運用循跡算法完成[2]場地需要有以下的特征路徑：直線段、左拐90°轉(zhuǎn)彎，右拐90°轉(zhuǎn)彎。傳感器從左往右做標記，分別為1，2，3，4傳感器。當傳感器檢測到黑色的膠帶時，用數(shù)字“0”表示，沒檢測到用數(shù)字“1”表示，為了不漏掉有可能的狀態(tài)，四個傳感器有十六種狀態(tài)，可以用四位二進制表示。在直線段的時候，黑色膠帶應在傳感器2，3。即四位二進制為1001，而當四位二進制為1000、1100、1110、1101，即小車偏離了直線段。在左拐90°轉(zhuǎn)彎道路上，當四位二進制位0001，傳感器1、2、3能檢測到黑色膠帶時，通過單片機進行相應的程序，讓舵機配合電機驅(qū)動進行左拐90°轉(zhuǎn)彎。在右拐90°轉(zhuǎn)彎道路上，傳感器2、3、4能檢測到黑色膠帶時，即四位二進制為1000，通過單片機進行相應的程序，讓舵機配合電機驅(qū)動進行右拐90°轉(zhuǎn)彎。在十字路口路段，當傳感器1、2、3、4都能檢測出黑色膠帶時，小車直行通過十字路口。這些得通過實際調(diào)試來進行改進，讓傳感器返回值具有以上情況，否則會影響后面的程序的運行。

■2.2 避障程序

由于障礙物的大小形狀各不相同，處理避障問題可以很復雜，也可以很簡單。但是對于初學者來說，應該簡化設(shè)計、降低程序的難度、容易調(diào)試，使用一種能讓初學者能理解的比較簡單的方法。當檢測小車的速度和障礙物距離時，可以根據(jù)超聲波傳感器的測量距離算法[4]，使其小車完成避障的功能。當超聲波傳感器感受到障礙物的時候，通過避障程序，改變左右電機轉(zhuǎn)動快慢，使得小車進行左移或者右移來躲避障礙物，從而實現(xiàn)避障功能。這種方法比較適合初學者。在小車前放置一個超聲波模塊，當小車的前面有障礙物時，超聲波模塊會接收到反射回來的聲波，然后將信號傳給單片機。單片機會根據(jù)避障程序使小車左邊電機停轉(zhuǎn)，右邊電機正轉(zhuǎn)進行原地左轉(zhuǎn)。如果左轉(zhuǎn)后前面還是有障礙物，小車將退到原位置然后進行原地的右轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)避障的功能。

圖5

圖6

3 結(jié)論

本文說明了基于STC15F2K 16S2單片機芯片設(shè)計的智能小車循跡和避障的控制系統(tǒng)。通過紅外光電傳感器作為避障感覺，通過紅外感受器作為循跡的功能，使智能小車完成循跡。電機驅(qū)動和舵機為智能小車偏離軌跡或遇到障礙物時，電機驅(qū)動提供調(diào)速，舵機提供轉(zhuǎn)彎角度，使之更好的完成避障和循跡，使智能小車達到預期的效果。在設(shè)計過程，舵機效率高,速度快,穩(wěn)定性好,靈敏度高,但是維護起來比較復雜，舵機可以讓智能小車轉(zhuǎn)彎變得靈活，一旦舵機壞了維護復雜。光線會對循跡的傳感器有影響，這需要在實踐中，減少影響程度，同時得優(yōu)化一下循跡算法，讓循跡更加準確。