智能小车坡度采集与避障模块的设计研究

陶磊 龚博

摘 要：本设计以STC89C51单片机为控制核心，小车速度和方向的控制通过PWM脉宽调制完成。利用控制系统中的超声波检测模块来测量距前方坡道的长度，同时由单片机计算出斜坡角度，并自主判断采取爬坡或者避障动作。若障碍物的坡度超出智能小车的爬坡能力范围，则由红外避障模块检测障碍物的外形尺寸参数，采用绕行方式来躲避障碍物。

关键词：坡道信息检测;STC89C51;超声波;红外避障

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）04-89-03

The Design and Research of Slope Collection and Obstacle Avoidance Moduleof Intelligent Car^*

Tao Lei， Gong Bo

（ Anhui Industry & Trade Vocational and Technical College， Department of Mechanical andAutomotive Engineering， Anhui Huainan 232001 ）

Abstract：The design takes the STC89C51 single chip as the control core， and the control of the speed and direction of the trolley is completed by the PWM pulse width modulation. The length of the front ramp is measured by the ultrasonic detection module in the control system， and the slope angle is calculated by the single-chip microcomputer， and the climbing or obstacle avoidance action is automatically judged. If the slope of the obstacle exceeds the climbing capacity range of the intelligent trolley， the infrared obstacle avoidance module detects the dimension parameter of the obstacle， and uses the bypass mode to avoid the obstacle.

Keywords： Ramp information detection; STC89C51; Ultrasound; Infrared obstacle avoidance

CLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID：1671-7988（2020）04-89-03

前言

目前，在眾多智能小车的避障设计中，主要是采用按照既定路线行驶进行循迹避障或遇到障碍物之前进行绕行避障。然而对于坡度较小或依靠智能小车本身动力就能通过的综合路况，智能小车应该能够适时根据所处路况，及时地规划最佳的行驶路径，并且准确判断是否应该避障或做出何种避障措施。本设计正是基于此类路况情形，研究智能小车如何进行信息采集并作出自主避障措施。

1 智能小车系统结构

智能小车的控制模型可以视为自动控制系统，主要有信息采集、信息处理、人机交互和执行模块等部分组成。如图1所示。

控制系统的核心是STC89C51单片机，配有多个信息采集传感器。智能小车控制系统在设计本质上分为硬件电路设计和控制软件设计两部分，其中控制系统的硬件由执行模块的电机以及各自的驱动电路和电源管理电路构成;控制系统的软件由单片机内部的程序控制完成信息处理和控制算法。

2 硬件设计

2.1 电机驱动模块

为了简化电机驱动电路的设计，电机控制采用了L293D电机驱动器，用于驱动直流电动机。其控制电路如图2所示。该驱动器内含两个H桥，采用标准逻辑电平信号控制，两个使能控制端EN1和EN2，在控制器件工作时不受输入信号影响;有一个逻辑电源输入端VCC，使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路^[1]。

2.2 超声波距离模块检测

本设计中作为智能小车搭载的距离传感器采用了HC- SR04超声波模块，该模块由超声波发射器、接收器与控制电路组成^[2]，具备非接触式距离感测功能，测距范围2cm- 400cm，测距精度可达3mm。

考虑超声波传感器的波束角为15°，为避免由于两个超声波同时发射有可能会产生干扰的情况^[3]，同时获得较高的采集频率和满足系统实时性的要求，因此在超声波传感器的布置策略上，共采用两个超声波传感器放置于小车的正前方，间隔一定的距离纵向放置，采用轮循发射方式发射超声波，如图3所示。

2.3 红外避障模块

当超声波传感器准确检测到坡度距离后，通过控制器算法计算坡度后进行避障控制。避障中主要采用红外避障模块进行障碍物检测。当智能小车通电后，红外对管LEAS1、RC1、LEAS2、RC2就开始工作，红外对管前方一定距离内有障碍物出现时，会把发射管LEAS1、LEAS2发射的红外光反射回来，此时被接收管RC1、RC2接收到，检测障碍物的距离可通过电位计RW1、RW2调节。然后信号传递到电压比较芯片LM324，经分析后输出相应的信号，同时状态指示 LED 灯亮起，如图4所示。

3 智能小车结构系统的软件设计

3.1 设计流程

智能小车在前进过程中，坡道信息采集模块实时检测运动前方是否有障碍物，并检测障碍物的坡度。若坡度小于15°，則智能小车继续前进，直接进行越障动作;若坡度大于15°，则智能小车通过判断障碍物的方位，采取避障动作。如图5所示。

3.2 PWM电机调速

PWM脉宽调制的输出电压通过改变脉冲宽度实现，其输出频率通过改变周期来控制^[4]。

实现输出PWM信号方法是使用51单片机定时器与中断实现。频率是根据周期决定的，而周期则是定时器溢出时间和占空比决定的。通过编程设置定时器溢出时间和周期来实现对PWM的频率设定，再通过软件设置驱动电机的高电平的占空比来实现调速。

3.3 坡道信息采集模块软件设计

智能小车软件系统设计的核心就是障碍物类型的判别，根据判别结果，做出越障或是避障决策。障碍物判别过程中，我们将实际情况简化成下图所示的模型，超声波传感器1的声波接收结束时刻即是超声波传感器2的声波发出时刻，假设此时小车匀速运动。如图6所示。

1—超声波传感器1号;2—超声波传感器2号;

H—超声波传感器1号和2号安装的距离

那么，而，，其中声速c=340m/s，t₁为超声波传感器1号从发出到接收到声波的时间。t₂为超声波传感器2号从发出到接收到声波的时间。即斜坡角度为。

重复上述操作，直到小车运动到安全距离以内，测量结束。最终测得多个斜坡角度α₁，α₂，.......，α_N。通过统计学的方法得到斜坡最终的测量角α，去除n个坏数据，斜坡角度为：。对其结果进行判断：

若A>15°，则视为无法越过，选择躲避障碍物;

若0°≤A≤15°则直接选择越障。

4 程序设计

5 测试结果

选择平坦宽阔的实验场地，模拟10°和60°两种坡道，并且在坡道附近设置障碍物，将智能小车的运行速度设定为恒定值。经实际验证，智能小车在行进中能实时检测前方坡道信息并进行综合分析，准确根据坡度范围自行选择越障或选择避障。

参考文献

[1] 李汝山，孙彦萍，颜迎金.基于光敏器件的投影法药品包装检测系统研究[J].机电信息，2013（20）：43-46.

[2] 李杰.基于单片机的超声波测距报警系统的设计[J].数字技术与应用，2018（9）：7-8.

[3] 张洪，钱胜，陈路.多传感器在确定智能小车安全区域中的应用[J].传感器与微系统，2013（12）：145-148，152.

[4] 朱志甫.开关电源PWM比较器的研究与设计[D].西南交通大学， 2008.