基于超聲波的智能小車設(shè)計(jì)

阮俊輝

浙江師范大學(xué) 工學(xué)院 浙江 金華 321000

引言

智能化發(fā)展十分迅速。一方面隨著機(jī)器人日益集成化和操作的日益簡(jiǎn)單化，因此會(huì)朝著技術(shù)和裝備成套化的方向穩(wěn)步地發(fā)展；另一方面，機(jī)器人仍有朝著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展的趨勢(shì)。智能避障小車是機(jī)器人的一個(gè)特例，是一種由電子元件組裝而成的微型機(jī)器人，可以手動(dòng)編程來實(shí)現(xiàn)特定的項(xiàng)目。研究并設(shè)計(jì)智能小車，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)新的機(jī)器人提供經(jīng)驗(yàn)，具有廣泛的遷移價(jià)值，可以大大提高人民的生活水平和生活質(zhì)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(yùn)動(dòng)和位置，將它轉(zhuǎn)換成不同的角度值發(fā)送給主控芯片，并做出對(duì)應(yīng)的指令。Ujjwal Gulati[2]在介紹了一種語(yǔ)音控制汽車，具有智能障礙檢測(cè)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(zhuǎn)向控制模型。該模型采用路標(biāo)的方向偏差和距離偏差作為輸入?yún)?shù)，輸出前輪轉(zhuǎn)向角；采用了狀態(tài)控制法。

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

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

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

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(shè)計(jì)是前兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過pwm提供使能信號(hào)可同時(shí)控制小車的前兩輪的轉(zhuǎn)速，提供小車的運(yùn)行方式。

系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，聲光報(bào)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(yùn)行模式，在紅外控制模塊下（即手動(dòng)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(gè)方向的運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。按鍵切換模式后可進(jìn)入自動(dòng)避障模式（即自動(dòng)駕駛模式），在該模式下，可通過LCD1602直接顯示小車的瞬時(shí)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(yīng)的步驟過程。

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

2.1 聲光警報(bào)模塊

利用BUZZER的高低電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，蜂鳴器產(chǎn)生的轟鳴聲較輕，因此設(shè)計(jì)重新加上了8550三極管，通過三極管放大信號(hào)，增強(qiáng)的聲音的穿透力，符合聲光報(bào)警的要求。如圖2所示。

圖2 聲光警報(bào)模塊電路

2.2 紅外遙控模塊

紅外控制接收電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中不同按鍵對(duì)應(yīng)不同編碼紅外信號(hào)波，信號(hào)“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(hào)波并把數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，主控識(shí)別分析信號(hào)并做出相對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立式按鍵，結(jié)合小車的功能只需要3個(gè)獨(dú)立按鍵接口簡(jiǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路

M1和M2對(duì)應(yīng)的是小車的兩個(gè)直流減速電機(jī)，可通過L293D芯片驅(qū)動(dòng)。其中該芯片可以通過脈寬調(diào)整(PWM)驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)，且L293D芯片可以同時(shí)控制一對(duì)電機(jī)。

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(shè)計(jì)采用的是HC-SR04超聲波模塊，該模塊允許非接觸式檢測(cè)距離約2cm-400cm，測(cè)試距離精度為3mm。該模塊由3部分組成：超聲波發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和控制電路[8]。該模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，等待接收聲波返回信號(hào)，若檢測(cè)到聲波返回信號(hào)，Echo便自動(dòng)產(chǎn)生低電平，通過單片機(jī)識(shí)別并記錄信號(hào)往返的時(shí)間。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

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

程序進(jìn)入紅外模式時(shí)，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(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。

程序進(jìn)入自動(dòng)避障模式時(shí)，可判斷按鍵2是否按下，選擇進(jìn)入避障設(shè)備界面，或者以默認(rèn)安全距離為25cm的狀態(tài)下自動(dòng)駕駛。在避障設(shè)置中，可通過按鍵加減安全距離的長(zhǎng)度，參數(shù)設(shè)置成功，則可跳轉(zhuǎn)至自動(dòng)避障狀態(tài)。

圖7 主程序流程圖

4 功能測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試主要分為3個(gè)部分，分別為實(shí)物展示，外紅遙控功能測(cè)試，避障功能測(cè)試。

4.1 實(shí)物展示

本次設(shè)計(jì)采用的是前兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的三輪車模，各部分模塊電路集成在一塊簡(jiǎn)易的洞洞板面。實(shí)物如圖8，小車初始化界面如圖9所示。

圖8 實(shí)物圖1

圖9 實(shí)物圖2

單片機(jī)初始化后，液晶屏幕上顯示的參數(shù)有速度，與障礙物實(shí)時(shí)距離，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，速度百分比4個(gè)部分。左上角為瞬時(shí)速度顯示，初始化后小車為停止?fàn)顟B(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(shí)時(shí)距離。左下角顯示的是系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間，當(dāng)前顯示的是3秒。右下角顯示的參數(shù)是當(dāng)前可執(zhí)行速度值，默認(rèn)狀態(tài)下為40%，該參數(shù)是通過改變pwm的占空比從而調(diào)節(jié)速度比值，調(diào)節(jié)的范圍為0～100%。當(dāng)前顯示參數(shù)正常。

4.2 紅外遙控測(cè)試

可通過按鍵1自動(dòng)切換小車運(yùn)行模式。按壓遙控器上“#”，“*”，“↑”“↓”“←”“→”分別對(duì)應(yīng)的是小車速度增加，速度減小，前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。記錄并觀察小車的運(yùn)行動(dòng)作，如圖10所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖10 小車速度設(shè)置

小車初始化之后的速度默認(rèn)為40%，每按下“#”數(shù)值會(huì)相應(yīng)增加1%，同理當(dāng)按下“*”數(shù)值會(huì)相應(yīng)降低1%。配合加速和減速的按鈕，可調(diào)節(jié)速度在0～100%之間。同時(shí)，小車可做出四個(gè)運(yùn)行動(dòng)作，分別為小車前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向動(dòng)作是采用單輪不轉(zhuǎn)，另外一輪前向轉(zhuǎn)動(dòng)完成的。紅外遙控的6個(gè)按鍵完全滿足了設(shè)計(jì)要求。

4.3 避障測(cè)試

按鍵1可自動(dòng)切換小車避障模式，默認(rèn)的安全避障距離為25cm，按下按鍵2可直接啟動(dòng)小車，當(dāng)與障礙物小于25cm時(shí)自動(dòng)進(jìn)行聲光警報(bào)并且避障，反之小車正常運(yùn)行。

在默認(rèn)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(cè)量出的避障距離為47cm大于默認(rèn)安全距離25cm，故小車正常行駛且瞬時(shí)速度為2.1km/h，當(dāng)小于安全避障距離時(shí)，小車自動(dòng)發(fā)出聲光警報(bào)，即刺耳的蜂鳴聲和尖銳的紅色彩燈，當(dāng)前小車速度為0km/h，即停車。然后小車自動(dòng)按當(dāng)前速度后退一秒，停頓兩秒后，左轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，繼續(xù)行駛直到遇到小于安全距離時(shí)重新進(jìn)入上述循環(huán)，從而做到自動(dòng)避障。

同時(shí)可自行設(shè)置小車的安全避障距離，當(dāng)小車按下按鍵3時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)入避障設(shè)置界面，如圖11、圖12所示。

圖11 默認(rèn)避障距離設(shè)置界面

圖12 安全距離設(shè)置界面

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

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制小車的運(yùn)行方式，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。是一個(gè)具有測(cè)距功能，并能夠設(shè)置避障距離的紅外遙控小車的設(shè)計(jì)。小車具有避障提醒功能，能夠自動(dòng)避障，避障靈敏度高。本設(shè)計(jì)中仍然存在不足：電路板設(shè)計(jì)不理想，電源擺放影響小車平衡；超聲波識(shí)別距離的頻段過短；小車速度設(shè)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(shè)計(jì)和反復(fù)調(diào)試等步驟，融合RFID技術(shù)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)一步提高小車信息化及智能化水平。