基于单片机的智能小车避障系统的设计与实现

黄永涛 王功喆 刘春瑞

（潍坊科技学院，山东 潍坊262700）

智能小车是机器人研究的一个重要方面，从目前的设计和研发情况来看，主要分为了蓝牙遥控、超声波避障、光电寻迹等，其中蓝牙遥控小车使用手机串口软件和小车上的蓝牙芯片进行通信，可以控制小车转向、前进、后退、停止、启动等；超声波避障则是在小车系统中设置超声波避障模块，提高小车运行的安全性。本文将结合单片机技术，提出智能小车避障系统的设计和实现途径，希望对智能小车研发提供必要的帮助。

1 智能小车避障系统的总体设计

智能小车在行驶中，需要沿着指定的路线运动，并实现对周围障碍物的躲避。为了实现小车的避障功能，需要对智能小车车体进行总体设计。当前，单片机技术在智能小车避障系统的设计中应用开始增多，本文在避障系统中采用的主控芯片为STC89C52 单片机，小车行驶中的影像资料收集在LCD 显示器上，对于障碍物的测距则采用超声波技术，行驶速度和方向通过主控系统进行体现。本文设计的智能小车避障系统，小车在运行中可以将前方的障碍物及时辨识，在距离障碍物一定范围时，做出减速和转向等动作。

基于STC89C52 单片机的小车避障系统，能够及时将小车运行情况进行显示，在收集各种小车运行数据之后，根据小车距离障碍物的距离和角度，准确的避开周围障碍物，满足直线行驶的要求。本文设计的智能小车避障系统基本组成为避障模块、前进模块、液晶显示模块、主控制模块、转弯控制电机以及底盘部件等部分。小车车体的智能结构图如图1 所示。

图1 智能小车车体结构图

本文智能小车避障系统设计采用的单片机为AT89S52，与该单片机配套设计了传感器模块、电源模块、复位模块、伺服电机模块以及时钟模块等，这些模块对系统运行起到了关键性的作用。小车在轨迹路线上运行需要依靠传感器模块，前进、后退以及转向等则是依靠伺服电机模块。

2 智能小车避障系统硬件组成

2.1 驱动模块的设计

小车的行驶通过电动来驱动，在方向的调配上则是采用电机的正转和反转来实现，利用单片机能够反映小车在行进中的路况信息。电机驱动电路是驱动模块的重要内容，本文选用H桥式驱动电路，运行方式为L298N 内部集成式。小车启动与速度的控制上则是采用L298N 电路PWM 信号进行调制，在运行中单片机能够做出控制和指导。

2.2 避障系统主控制模块

主控制模块协同控制避障系统高效发挥作用，是系统运行的核心。本文的智能小车避障系统选用的主控制模块为8 位控制器STC89C52 单片机，可以实现对不同模块的整体指导。由于本次设计的避障系统采用的是超声波- 光电接近开关避障方案，选用的STC89C52 单片机能够有效手机并处理系统多种信号，对小车的运行过程进行综合的指导，而在电机控制信号上则是利用P0 输出，这样可以保证避障系统功能模块之间更好的协调。该模块的外围电路原理图如图2 所示。

图2 避障系统主控制模块外围电路图

2.3 优化伺服电机模块

为了保证小车在运行中路况信息的清晰化，本文采用的伺服电机为360°伺服舵机，这样可以保证避障系统在运行中更好的掌握路况信息，获得连续的数据，从而对实况进行管理和控制。360°伺服舵机主要包含三条输入线，分别是红、黑、白，其中红色主要与伺服机电源连接，黑色与伺服机接地连接，白色则是负责伺服机的信号。为了让伺服电机模块更好的实现对小车的控制，本文在伺服电机模块中增加了一个基准电路和比较器，这样可以对小车的运行路线和路况进行微调，保证小车前进中的安全性和灵活性。该模块的外围电路原理图如图3 所示。

图3 伺服电机模块外围电路原理图

2.4 避障模块的设计

智能小车避障系统的核心模块为避障模块，这也是小车行进中避免周围障碍物的核心系统。本次避障过程采用HC-SR04 超声波模块，可以实现3-500cm 内非接触时的准确测距，误差范围在2.5mm 之内，运行效果较理想。避障模块的使用既满足了系统运行的需要，同时其抗干扰性较强，可实现精确的测距。本文的避障模块构成主要有超声波发射器、控制电路和接收器三部分，小车在实际运行中，能够主动的规避一些不能穿越的障碍物，自动实现转向和掉头，并根据系统提示，重新选择新的路线。

2.5 循迹传感器的设计

本模块设计的主要作用为利用红外线探测不同颜色前方物体，帮小车更好的规划线路。原理为通过设置红外传感器，接受系统中不同的电平信号，优化小车的运行。在设计中充分将循迹传感器与伺服电机模块进行了融合，利用QTI 传感器探测小车前方反射光的强度，，最终得到前方物体的具体情况，将探测得出的数据输出为不同的电平信号。循迹传感器外围电路原理图如下图4 所示。

图4 循迹传感器外围电路图

2.6 优化小车循迹系统的设计

虽然循迹传感器能够检测到各种不同颜色的物体，但是由于这些物体的反射规律不同，小车在运行中并不能完全快速避障。本文在避障系统设计中，对小车循迹系统进行了优化，采用TCRT5000 型光电对管进行探测和循迹，小车在运行中自主的向前方发射红外光，针对白色光的漫反射现象，在智能小车上安装了接收管，能够在第一时间内接收反射光。在循迹系统设计完成之后，我们在小车上安装了QTI 传感器，对智能小车I/O口与QTI 传感器进行了SIG 信号测试，系统能够及时对不同颜色的物体进行检测，避免小车在运行中出现各种错误。此外，在智能小车运行中，在传感器的控制上，采用了两级控制策略，可以快速接受传感器信号，并对其处理。通过两级控制的方法，智能小车的运行轨迹更加合理，对于出现的错误及时调整，从而提升了小车的循迹能力。

3 智能小车避障系统软件组成

3.1 智能小车避障动作设计

在智能小车基本动作的设计张，要结合其车轮的转动情况，优化智能小车循迹系统。从左轮角度来看，小车行进可以采用逆时针转动，在右轮设计中则是顺时针旋转。通过这样的设计，可以及时判断小车的行驶方向和速度，便于对其进行加速和减速控制与管理。本文将这一设计理念通过C 语言进行反馈，用right 和left 来表示，这样就能完成小车的基本动作设计，提高避障系统的可操控性。

3.2 小车循迹功能的实现

对于智能小车避障系统的软件设计要集中在避障功能优化上，可以建立QTI 传感器循迹策略表，在循迹软件设计中运用move 函数，这样就能通过对避障数据的逐步优化，让小车在人工的控制下，实现避障。QTI 传感器智能小车循迹策略图如下表1 所示，这种策略同样可以拓展到到避障系统的其它模块中。

表1 QTI 传感器循迹指导

结束语

综上所述，传统的智能小车在设计中忽视单片机的作用，没有设置超声波模块，导致对前方物体检测能力不强，小车易出现碰撞。为了解决上述问题，本次设计的智能小车避障系统由硬件和软件两部分组成，硬件包含驱动模块、优化伺服电机模块、设计循迹传感器模块等组成，软件模块则是利用C 语言和move 函数等对小车基本运行动作进行细微调整。在实际的测试中，小车运行状态较为平稳，通过对QTI 传感器安装高度的调整，小车不再出现抖动和无法循线的情况，规避前方障碍物的能力有较大的提升。