仿雷達(dá)智能精確避障小車設(shè)計(jì)

馮善崢

伴隨人工智能、自動(dòng)化技術(shù)以及控制系統(tǒng)等的快速發(fā)展進(jìn)步，智能機(jī)器人進(jìn)入尋常生活的構(gòu)想已離實(shí)際愈來(lái)愈近。對(duì)運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人而言，準(zhǔn)確又快速的避障是其實(shí)現(xiàn)其它功能的一個(gè)基礎(chǔ)。而智能小車是機(jī)器人的一種特例，其執(zhí)行構(gòu)建較為簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉，能方便快捷的執(zhí)行各種命令，趣味性非常強(qiáng)。本研究的目的就是設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障的小車。文章先是對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行了闡述，繼而分別針對(duì)方案的硬件以及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)予以闡述。

【關(guān)鍵詞】智能 仿雷達(dá) 避障礙 精確 小車

1 研究的背景以及意義

智能機(jī)器人技術(shù)以計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子、傳感器、自動(dòng)控制、人工智能以及通訊網(wǎng)絡(luò)等多種不同學(xué)科以及領(lǐng)域?yàn)榇恚歉咝录夹g(shù)研究成果的集大成者，其代表著高科技研發(fā)的最前沿。伴隨電子科技的不斷進(jìn)步，各種各樣的具備感知、決策、行動(dòng)以及交互性能的機(jī)器人被發(fā)明出來(lái)，而且其應(yīng)用已廣泛分布于機(jī)械、航空航天、電子、交通、冶金以及國(guó)防等眾多領(lǐng)域。目前機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)中的運(yùn)用愈來(lái)愈廣闊，其模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化的程度愈來(lái)愈明顯，功能也愈加強(qiáng)大，同時(shí)正向技術(shù)及裝備成套化的趨勢(shì)發(fā)展。此外，機(jī)器人也在向非制造業(yè)應(yīng)用和微小型趨勢(shì)發(fā)展。作為智能機(jī)器人中的一個(gè)特例，智能小車其執(zhí)行構(gòu)建較為簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉，能方便快捷的執(zhí)行各種命令，趣味性非常強(qiáng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 方案的選擇

仿雷達(dá)智能精確避障小車主要功能是避開(kāi)行進(jìn)時(shí)候遇到的障礙物，小車無(wú)固定的行動(dòng)路線，也不設(shè)目標(biāo)，但是會(huì)按照最優(yōu)判斷去決定轉(zhuǎn)向哪個(gè)方向，通常情況下都不會(huì)與障礙物碰撞。結(jié)合系統(tǒng)的需求，該智能小車的主要模塊有：主控模塊、超聲波避障模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

2.1.1 MCU的選取

MCU的種類比較多，其中ST公司的MCU主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，功能相對(duì)強(qiáng)大，而且具備低功耗模式，性價(jià)相對(duì)較高。而MSP430的優(yōu)點(diǎn)是功耗低，通常用在長(zhǎng)期工作的設(shè)備中。51系列單片機(jī)功能比較少，不過(guò)在MCU學(xué)習(xí)和使用上非常的方便。鑒于已有STC89C52單片機(jī)，筆者對(duì)其功能十分的熟悉，除輸出兩路PWM波形51系列MCU相對(duì)困難以外，其它功能用51已足夠，故而MCU最終選用的是STC89C52。

2.1.2 傳感器的選取

紅外傳感器雖然其測(cè)量的距離遠(yuǎn)，但是其精度較差，在1m，并且受光照的影響很大。而超聲波模塊的測(cè)量距離在0.3-4m之間，其精度約為1cm，且抗干擾能力非常強(qiáng)。圖像傳感器在接收信息上是最全面的，不過(guò)其圖像解析和處理比較困難。結(jié)合考慮智能小車的工作尺度以及MCU的處理能力等因素，最終選取的是超聲波傳感器。

2.1.3 電機(jī)的選取

通常電機(jī)主要有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩類，其中直流電機(jī)控制起來(lái)比較方便，驅(qū)動(dòng)也比較簡(jiǎn)單，調(diào)速性能很好，但是其位置精度比較差。而步進(jìn)電機(jī)則恰好相反，其位置精度非常好，但是其驅(qū)動(dòng)、控制起來(lái)很麻煩。因?yàn)楸拘≤嚥恍枰蘧_的位置信息，同時(shí)處理的時(shí)候還有模糊處理的成份，故而本次選擇直流電機(jī)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框圖

如圖1所示。

3 項(xiàng)目實(shí)施

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 主控模塊

仿雷達(dá)智能精確避障小車的控制板選取開(kāi)發(fā)板帶的STC89C52單片機(jī)，再加上下載電路、晶振、復(fù)位電路、引腳引出、開(kāi)關(guān)和指示電路以及擴(kuò)展中斷等硬件。其中的晶振電路由11.0592M和22p電容構(gòu)成，而復(fù)位電路由弱上拉10K電阻構(gòu)成。

下載電路：因?yàn)楣P者手上有USB轉(zhuǎn)TTL模塊，所以在小車設(shè)計(jì)的時(shí)候不用串口，并且USB轉(zhuǎn)TTL電路不需其它的芯片和接口，4pin排陣就能夠?qū)崿F(xiàn)，最終下載電路選取的USB轉(zhuǎn)TTL電路，如圖2所示。

擴(kuò)展中斷：該種電路選取三片7400四和非門(mén)芯片實(shí)現(xiàn)，把MCU的INT0擴(kuò)展為四個(gè)中斷。其中的邏輯是：Y=A+B+C+D=（AB）+（CD）=（（（AB））（（CD）））還有開(kāi)關(guān)與指示電路，如圖3所示。因?yàn)閹?kù)中沒(méi)有STC單片機(jī)，與使用AT的代替，二者外觀一樣，只是所包含的頭文件有區(qū)別。此外還有一些I/O口的引出，直接和排陣相連。

3.1.2 超聲波測(cè)距模塊

技術(shù)參數(shù)具體如下：使用電壓為5V；靜態(tài)電流大多為小于2mA；感應(yīng)角度不大于15°；高精度能夠達(dá)0.2厘米；電平輸出為高于5V；電平輸出為底0V；探測(cè)距離為2cm至450cm；接線方式為VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND。工作原理是觸發(fā)測(cè)距是IO口TRIG，至少10us高電平信號(hào)；模塊能夠自動(dòng)發(fā)送八個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)能否返回；如果信號(hào)能返回，IO口ECHO就輸出一個(gè)高電平，而持續(xù)時(shí)間是超聲波發(fā)射至返回的時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，本文主要是對(duì)自動(dòng)避障的小車進(jìn)行研究，自動(dòng)避障就是指的能夠自動(dòng)躲避在前進(jìn)路上的一些障礙物。可以采用多個(gè)超聲波模塊來(lái)進(jìn)行模擬小型雷達(dá)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]盧威.智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江西：南昌大學(xué)，2012.

[2]王應(yīng)軍等.基于AT80C51單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2009.

[3]孫浩.基于HCS12的小車智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007.

[4]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

作者單位

安徽大學(xué) 安徽省合肥市 230601