基于紅外傳感器的智能循跡與避障小車的設(shè)計(jì)

楊傳志+初俊博+王鯤鵬+王杰+晁東伸

摘 要 紅外傳感器通過向外界發(fā)射紅外線及接受反射回來的紅外線的情況，將其傳遞給已寫入相關(guān)程序的單片機(jī)智能小車，控制其輪胎的電機(jī)，從而控制小車的行駛狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能小車的避障及循跡功能。

關(guān)鍵詞 智能小車；紅外傳感器；循跡；避障

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）183-0091-02

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的快速變革，使得越來越多的高科技產(chǎn)品面向世界，改善了人類的生活。其中，單片機(jī)與傳感器領(lǐng)域的研究在我國也取得了重大突破，一些多功能機(jī)器人陸續(xù)被研發(fā)，用以解決科技、工程、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中人類很難或無法完成的某些工作，效果較為顯著。

為了研制出可以實(shí)現(xiàn)多功能的智能機(jī)器人，首先要在上面實(shí)現(xiàn)一些機(jī)器人所需具備的基本功能。其中，循跡與避障功能較為普遍，也是智能機(jī)器人被稱之為“智能”的先決條件。為實(shí)現(xiàn)上述兩種功能，需要借助文章開頭提到的兩種器件，“單片機(jī)與傳感器”。單片機(jī)和傳感器的種類有很多，本文中采用STC89C52RC單片機(jī)以及紅外傳感器完成智能小車的設(shè)計(jì)[1]。

1 設(shè)計(jì)思想及基本原理

1.1 基本思想

本設(shè)計(jì)中的智能小車，通過分別安裝在單片機(jī)主板上表面和下表面的兩對紅外傳感器，來實(shí)現(xiàn)對外界信息的感知，并將所感知的外界信息轉(zhuǎn)換為小車的控制信號，從而實(shí)現(xiàn)小車的智能化，即實(shí)現(xiàn)循跡與避障功能[2]。

1.2 紅外避障原理

小車主板上表面左右前腳各安裝一個紅外傳感器，小車正常行駛途中，前方無障礙物，則左右兩個傳感器返回給單片機(jī)的信號為高電平。若小車在行駛途中，一側(cè)的傳感器傳遞給單片機(jī)的信號為低電平，則表明這一側(cè)傳感器的前方存在某種障礙物。此時就需要根據(jù)燒寫入單片機(jī)的程序來控制小車的運(yùn)動，使其避開前方的障礙物，繼續(xù)行駛。反復(fù)執(zhí)行上述操，就實(shí)現(xiàn)了避障功能。

1.3 紅外循跡原理

小車主板下面對稱安裝兩個紅外傳感器，兩者之間的距離較避障模塊的兩個傳感器位置要近，通過發(fā)射和接受紅外線將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而控制小車運(yùn)動。

由于在紅外線在黑色與白色反射面上反射回的光強(qiáng)度差別很大，黑色面吸收紅外光較強(qiáng)而反射光較弱，所以單片機(jī)接收的信號為低電平。白色面反射光較強(qiáng)，單片機(jī)接收信號為高電平。正常行駛在光滑地面上，兩側(cè)均為高電平。通過相應(yīng)的程序控制小車沿著白色地面上的一條黑色軌跡線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)循跡功能。且以上情況建立在黑線寬度小于兩傳感器間距的假設(shè)下[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的紅外傳感器具有發(fā)射紅外光和接受紅外光的功能，其主要結(jié)構(gòu)包含一對紅外光發(fā)射裝置〔Q1，Q2〕，以及一對紅外光接收裝置〔Q3，Q4〕，具體電路連接圖如圖1所示。

圖中一對IR LED發(fā)光二極管作為紅外發(fā)射器，向外界發(fā)射紅外光。圖中一對IR DETECT為紅外接受器，用來接受從外界反射回來的紅外光。按照電路圖完成連接，通過P1_3與P3_6施加信號來控制紅外發(fā)射器的發(fā)射，通過P1_2與P3_5向單片機(jī)傳輸紅外接收器所接收的信號，圖中電阻R1-R4是負(fù)載電阻，通過改變其阻值大小用以調(diào)節(jié)紅外傳感器的靈敏度，使小車兩側(cè)傳感器的作用距離相對應(yīng)。

循跡與避障功能雖然都是利用紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)的，但是卻是兩對安裝在不同位置的傳感器，用以實(shí)現(xiàn)不同的功能。小車主板上表面安裝的一對是用來實(shí)現(xiàn)避障功能的傳感器，小車主板下表面安裝的一對是用來實(shí)現(xiàn)循跡功能的傳感器，其安裝分布圖如下圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)基本的軟件流程圖，根據(jù)已經(jīng)構(gòu)造好的流程圖，通過Keil uVision4軟件來編寫實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的程序，運(yùn)行成功后，通過STC-ISP將已編寫好的程序燒寫入單片機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)避障功能，首先要控制兩個紅外傳感器持續(xù)不斷地向外界發(fā)射紅外光，之后才可以通過反射光的情況來進(jìn)行隨后的操作。若兩個傳感器都未接收到信號，說明前方無障礙物，則控制小車直行；若只有左側(cè)傳感器接收到信號，說明小車左側(cè)存在障礙物，則需控制小車左側(cè)兩個電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)兩個電機(jī)停轉(zhuǎn)，即小車整體向右轉(zhuǎn)；若只有右側(cè)傳感器接收到信號，與上述操作相反。若兩個傳感器均接收到信號，則說明小車進(jìn)入“死區(qū)”，則需控制小車先做后退運(yùn)動，再進(jìn)行向左或向右轉(zhuǎn)向，從而駛出“死區(qū)”。

實(shí)現(xiàn)循跡功能，也同樣需要控制底部兩個傳感器不斷發(fā)射紅外光。若兩個紅外傳感器均接收到信號則說明黑線處于兩傳感器之間，即車輪之間，此時小車保持直線行駛。若左側(cè)傳感器未接收到返回的信號，則說明此時左側(cè)車輪已駛出黑線外，此時需控制小車左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)停轉(zhuǎn)，即小車向右轉(zhuǎn)彎，直至兩傳感器再次均接收到信號時，小車恢復(fù)直行狀態(tài)。若右側(cè)傳感器未接收到返回的信號，與上述操作同理，方向相反。

4 結(jié)論

基于單片機(jī)智能小車的循跡與避障功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩個智能機(jī)器人的基本功能，但是現(xiàn)實(shí)社會領(lǐng)域中，往往存在各種各樣的復(fù)雜情況，只依靠基本功能是不能夠完成某些難度較大且對細(xì)節(jié)要求較高的任務(wù)，還需要更先進(jìn)的技術(shù)與元器件以及更加尖端的控制程序。

然而通過本次設(shè)計(jì)可以使實(shí)踐者對于此領(lǐng)域有個初步的認(rèn)識，打開科技創(chuàng)新的大門，但是相比于當(dāng)今社會的高新技術(shù)領(lǐng)域，還是有很大的發(fā)展空間的。并且從現(xiàn)在起乃至不久的將來，這一領(lǐng)域?qū)该桶l(fā)展，更加廣泛地應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域。此外，本次設(shè)計(jì)中存在很多不足，仍有很多部分需要改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]索南尖措，楊建.基于STC89C52單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)[J].信息安全與技術(shù)，2016，7（4）：67-69.

[2]董濤，劉進(jìn)英.基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)與制作[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17（2）：380-382.

[3]張巖，裴曉敏.基于單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2014，33（3）：51-54.