阮俊輝

浙江師范大學 工學院 浙江 金華 321000

引言

智能化發(fā)展十分迅速。一方面隨著機器人日益集成化和操作的日益簡單化，因此會朝著技術和裝備成套化的方向穩(wěn)步地發(fā)展；另一方面，機器人仍有朝著非制造業(yè)應用以及微小型方向發(fā)展的趨勢。智能避障小車是機器人的一個特例，是一種由電子元件組裝而成的微型機器人，可以手動編程來實現(xiàn)特定的項目。研究并設計智能小車，能夠為設計新的機器人提供經(jīng)驗，具有廣泛的遷移價值，可以大大提高人民的生活水平和生活質量，也是人類未來發(fā)展中不可或缺的組成部分。

其中，UllahSaleem[1]以Arduino為主控芯片開發(fā)的汽車控制系統(tǒng)，利用手的運動和位置，將它轉換成不同的角度值發(fā)送給主控芯片，并做出對應的指令。Ujjwal Gulati[2]在介紹了一種語音控制汽車，具有智能障礙檢測能力，方便身體殘疾患者。徐友春[3]等人提出了一種智能車輛轉向控制模型。該模型采用路標的方向偏差和距離偏差作為輸入?yún)?shù)，輸出前輪轉向角；采用了狀態(tài)控制法。

上訴研究者對智能小車控制技術已經(jīng)有所研究，然而，對人機交互性及可操作性卻處于滯后的狀態(tài)。本文提出自動避障/手動遙控雙模式的智能小車設計，提高了小車的交互性及智能化水平。

1 方案設計

1.1 技術要求

設計一款具有自動避障功能的智能小車，小車必須可實現(xiàn)紅外模式和自動避障模式的切換。自動避障模式下，小車低于安全距離自動避障，在紅外遙控模式下，可以遙控指揮小車運行。系統(tǒng)具體設計要求如下[4-5]：①利用穩(wěn)壓芯片為單片機電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓；②利用電機驅動模塊實現(xiàn)直流減速電機的啟、停、正、反控制；③通過直流減速電機，實現(xiàn)小車前后左右的運行；④利用超聲波模塊測量避障距離，并且實現(xiàn)小車避障；⑤利用紅外遙控器和紅外接收頭現(xiàn)實小車遙控控制；⑥通過編程實現(xiàn)系統(tǒng)程序的模塊化設計。

1.2 系統(tǒng)功能

功能描述，該系統(tǒng)中小車整體車身采用的設計是前兩輪分別驅動，后萬向輪轉向的三輪車型，電路采用STC89C52微控制器作為系統(tǒng)的主控芯片，L293D為電機驅動芯片，通過pwm提供使能信號可同時控制小車的前兩輪的轉速，提供小車的運行方式。

系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為核心控制單元，主要包括了紅外控制模塊，避障模塊，按鍵輸入，7805穩(wěn)壓電路，l298電機驅動模塊，聲光報警模塊，1602液晶顯示模塊等。避障小車可通過按鍵自由切換小車的運行模式，在紅外控制模塊下（即手動控制模式），用HS0038B集成電路解碼遙控器的按鍵碼，分別可控制小車的前后左右4個方向的運轉[6]。按鍵切換模式后可進入自動避障模式（即自動駕駛模式），在該模式下，可通過LCD1602直接顯示小車的瞬時速度，避障距離等參數(shù)。所有操作步驟都可以通過LCD1602液晶顯示相應的步驟過程。

2 硬件電路實現(xiàn)

2.1 聲光警報模塊

利用BUZZER的高低電平驅動蜂鳴器，蜂鳴器產(chǎn)生的轟鳴聲較輕，因此設計重新加上了8550三極管，通過三極管放大信號，增強的聲音的穿透力，符合聲光報警的要求。如圖2所示。

圖2 聲光警報模塊電路

2.2 紅外遙控模塊

紅外控制接收電路設計采的是HS0038B集成電路，紅外遙控是包含紅外遙控器和紅外接收頭兩部分[7]。本設計中不同按鍵對應不同編碼紅外信號波，信號“搭載”8KHZ的載波，與主控連接的HS0038B紅外接收頭解碼處理遙控器發(fā)出的紅外信號波并把數(shù)據(jù)傳送到單片機，主控識別分析信號并做出相對應的指令編寫。搭建的電路如圖3所示。

圖3 紅外控制接收電路

2.3 按鍵模塊

本次設計采用的是獨立式按鍵，結合小車的功能只需要3個獨立按鍵接口簡單，編程容易。按鍵電路硬件接線圖如圖4所示，按鍵功能如表1所示。

圖4 按鍵電路

表1 按鍵功能介紹表

2.4 電機驅動模塊

電機驅動電路采的是以L293D芯片為核心搭建的電路，電路如圖5所示。

圖5 L293D電機驅動電路

M1和M2對應的是小車的兩個直流減速電機，可通過L293D芯片驅動。其中該芯片可以通過脈寬調整(PWM)驅動使能信號，且L293D芯片可以同時控制一對電機。

2.5 避障模塊

避障模塊采用超聲波避障，接口電路如圖6所示。

圖6 超聲波模塊電路

超聲波模塊的設計采用的是HC-SR04超聲波模塊，該模塊允許非接觸式檢測距離約2cm-400cm，測試距離精度為3mm。該模塊由3部分組成：超聲波發(fā)射機、接收機和控制電路[8]。該模塊會自動發(fā)送8個40khz的方波，等待接收聲波返回信號，若檢測到聲波返回信號，Echo便自動產(chǎn)生低電平，通過單片機識別并記錄信號往返的時間。

3 軟件程序設計

3.1 主程序流程圖

該系統(tǒng)的軟件部分是通過Keil4平臺的基于C語言編程。進行所有程序的初始化，初始化后各個模塊正常工作。通過按鍵1切換紅外模式和自動避障模式。

程序進入紅外模式時，可通過遙控器的“#”，“*”，“↑”“↓”“←”“→”按鍵分別控制小車速度增加，速度減小，前進，后退，左轉，右轉。

程序進入自動避障模式時，可判斷按鍵2是否按下，選擇進入避障設備界面，或者以默認安全距離為25cm的狀態(tài)下自動駕駛。在避障設置中，可通過按鍵加減安全距離的長度，參數(shù)設置成功，則可跳轉至自動避障狀態(tài)。

圖7 主程序流程圖

4 功能測試

系統(tǒng)功能測試主要分為3個部分，分別為實物展示，外紅遙控功能測試，避障功能測試。

4.1 實物展示

本次設計采用的是前兩輪分別驅動，后萬向輪轉向的三輪車模，各部分模塊電路集成在一塊簡易的洞洞板面。實物如圖8，小車初始化界面如圖9所示。

圖8 實物圖1

圖9 實物圖2

單片機初始化后，液晶屏幕上顯示的參數(shù)有速度，與障礙物實時距離，系統(tǒng)運行時間，速度百分比4個部分。左上角為瞬時速度顯示，初始化后小車為停止狀態(tài)，顯示的速度為0km/h。右上角顯示的參數(shù)是與障礙物的實時距離。左下角顯示的是系統(tǒng)執(zhí)行時間，當前顯示的是3秒。右下角顯示的參數(shù)是當前可執(zhí)行速度值，默認狀態(tài)下為40%，該參數(shù)是通過改變pwm的占空比從而調節(jié)速度比值，調節(jié)的范圍為0～100%。當前顯示參數(shù)正常。

4.2 紅外遙控測試

可通過按鍵1自動切換小車運行模式。按壓遙控器上“#”，“*”，“↑”“↓”“←”“→”分別對應的是小車速度增加，速度減小，前進，后退，左轉，右轉。記錄并觀察小車的運行動作，如圖10所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖10 小車速度設置

小車初始化之后的速度默認為40%，每按下“#”數(shù)值會相應增加1%，同理當按下“*”數(shù)值會相應降低1%。配合加速和減速的按鈕，可調節(jié)速度在0～100%之間。同時，小車可做出四個運行動作，分別為小車前進，后退，左轉，右轉。轉向動作是采用單輪不轉，另外一輪前向轉動完成的。紅外遙控的6個按鍵完全滿足了設計要求。

4.3 避障測試

按鍵1可自動切換小車避障模式，默認的安全避障距離為25cm，按下按鍵2可直接啟動小車，當與障礙物小于25cm時自動進行聲光警報并且避障，反之小車正常運行。

在默認避障安全距離為25cm下，按下按鍵2的小車正常行駛狀況。小車通過超聲波測量出的避障距離為47cm大于默認安全距離25cm，故小車正常行駛且瞬時速度為2.1km/h，當小于安全避障距離時，小車自動發(fā)出聲光警報，即刺耳的蜂鳴聲和尖銳的紅色彩燈，當前小車速度為0km/h，即停車。然后小車自動按當前速度后退一秒，停頓兩秒后，左轉相應角度，繼續(xù)行駛直到遇到小于安全距離時重新進入上述循環(huán)，從而做到自動避障。

同時可自行設置小車的安全避障距離，當小車按下按鍵3時自動轉入避障設置界面，如圖11、圖12所示。

圖11 默認避障距離設置界面

圖12 安全距離設置界面

圖11為小車安全距離設置界面，“L-H”可設置安全距離的增減。并且可看出系統(tǒng)默認的安全距離為25cm。在該界面下，可通過按鍵1和按鍵2調節(jié)小車的安全距離設置。按鍵1、2可增加減小安全距離的數(shù)值參數(shù)。當安全距離設置完成時，可重新按下按鍵3，保存參數(shù)并且跳出設置界面，重新回到原來的界面。

5 結束語

本設計是以STC89C52單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制小車的運行方式，以實現(xiàn)其既定的性能指標。是一個具有測距功能，并能夠設置避障距離的紅外遙控小車的設計。小車具有避障提醒功能，能夠自動避障，避障靈敏度高。本設計中仍然存在不足：電路板設計不理想，電源擺放影響小車平衡；超聲波識別距離的頻段過短；小車速度設置的范圍過窄，且不能液晶顯示。

下步展望：通過方案論證、資料查詢及電路設計和反復調試等步驟，融合RFID技術、深度強化學習進一步提高小車信息化及智能化水平。