自动避障小车硬件设计研究

２０１　７年第０８期　（总第３９５期）　中阂高新竣术企业　ｌ　Ｈ　…　一￡…　ｅ…　ＩＮＯ。０８．２０１　７　（ＣｕｍｕｌａｔｉｖｅｔｙＮＯ．３９５）　自动避障小车硬件设计研究　李　彤　（天津渤海职业技术学院，天津３０００００）　摘要：随着科技的不断进步，机器人技术也日臻完善。移动机器人作为机器人的一种，因其具有灵活、操作　简单等特点，在多领域都得到了长足发展和应用，比如农业、ｘ－，＿ｒＥ、服务和医疗等行业。此外，移动机器人　在空间探测、国防和城市安全等复杂环境危险场合也得到了广泛的应用。文章针对自动避障小车硬件设计进　行了概述。　关键词：机器人；自动避障；小车硬件设计；空间探测；国防；城市安全　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＰ３９１　文章编号：１０￣３９—２３７４（２０１７）０８—００１０—０２　ＤＯｉ：１０．１３５３５／ｊ．ｃｎｋｉ．１１—４４０６／ｎ．２０１７．０８．㈤５　避障小车是一种采用了红外、超声波、ＣＣＤ和激光　等传感器设计的移动机器人。其工作原理是：避障小车　单片机内部也有着内存、ＣＰＵ、类似硬盘一样具有存储　功能的器件等与电脑功能类似的模块。　在复杂环境自主移动时，通过传感器系统感知外界环境　从而完成避障。避障控制系统的总体设计思路是基于自　动引导小车系统，这种系统使用传感器感知路线和障　碍，根据智能小车实现自动识别路线，在遇到障碍时自　动避让，并且选择正确的路线行进。　单片机的核心是集成电路芯片，该芯片采用了规模　超大的集成电路技术，将各种模块集成在一起，包括对　数据进行处理的中央处理器ＣＰＵ、模拟多路转换器、显　示驱动电路、中断系统、数据存储器ＲＡＭ、程序存储器　ＲＯＭ、定时器／计时器、Ａ／Ｄ转换器等，这些功能模块被集　成在硅片上，形成了一个小型的、完善的计算机系统。　ＭＣＳ一５１系列单片机的内部含有九个功能部件：ＣＰＵ　（运算器、控制器和专用寄存器）、程序存储器（ＲＯＭ　￣ＤＦｌａｓｈ存储器）、数据存储器、定时／计数器、并行输　入／输出（ｉ／ｏ）接口（ＰＯ—Ｐ３口）、全双工串行接口、　中断系统、时钟电路和内部总线。　ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机是带有８Ｋ字节闪烁可编程可擦除　功能的只读存储器，该存储器控制器为ＣＭＯＳ８位微控制　器，其能耗较低、性能较高，同时在一个芯片上可以安　装具有可编程Ｆ１ａｓｈ功能，并且拥有８位ＣＰＵ。ＳＴＣ８９Ｃ５２　ｌ设计任务　１．１　设计思想　本系统要求自行设计制作一个智能小车，该小车在　前进的过程中能够检测到前方障碍并自动避开，达到避　障的效果。设计思想是采用单片机为控制核　ｆｌ，，利用位　置传感器检测道路上的障碍，通过采集数据并处理后由　单片机产生ＰＷＭ波驱动直流电机对车进行转向和行动控　制，控制电动小汽车的自动避障、快慢速行驶以及自动　停车。　１．２功能概述　本系统主要由微控制器模块、避障模块、直流电机及　其驱动模块电源模块等构成。　微控制器模块：通过采用ＳＴＣ８９Ｃ５２作为微控制器接　受传感器部分收集到的外部信息进行处理，并将结果输　出到电机驱动模块控制电机运行。　避障模块：采用位置传感器的漫反射检测来检测前　可以为嵌入式控制系统提供相应的解决方案，其各个部　分的具体标准是：Ｆ１ａｓｈ为８ｋ字节，ＲＡＭ为５ｌ２字节，Ｉ／　０口线为３２位，内置４ＫＢＥＥＰＲＯＭ，看门狗定时器，…个６　向量２级中断结，两个１６位定时器／计数器，全双工串行　口。此外，当系统处于空闲状态的时候，ＣＰＵ会立即停　止工作，但是ＲＡＭ、定时器／计数器、串口、中断等模块　方是否有障碍，通过红外光电开关将采集到的信号送到　微控制器。　驱动模块：通过接收微控制器产生的信号来驱动电　机运行，实现快慢速行驶，转向控制以及自动停车。　电源模块：为保证正常工作，为整个电路模块提供　电源支持。　会继续保持工作状态，在这种状态下，ＲＡＭ的内容可以　被及时保存，振荡器会被冻结，单片机的所有工作都会　随即停止，直到具体的硬件复位到工作状态或者下一个　中断出现，才能继续恢复工作。　２．２传感器的选择　避障小车是通过传感器系统感知外界环境，在复杂　环境中自主移动并完成避障的任务。要想实现避障小车　的视觉功能有多种方式，可以使用ＣＣＤ摄像头进行图像　采集和识别的方法，基于检测对象表面靠近传感元件时　的电容变化的电容式接近传感器，根据波从发射到接　收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度　的超声波传感器以及包括一个可以发射红外光的固态发　光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光　２硬件电路设计　关键元件选择讨论：　２．１单片机的选择　单片机全称单片微型计算机（Ｓｉ　ｎｇ１　ｅ　Ｃｈｉ　Ｐ　Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ），简称ＳＣＭ，把一个计算机系统集成到　一个芯片上，具有质量轻、体积小、价格便宜的特点。　１Ｏ　一敏三极管）的红外反射式光电传感器。由于ＣＣＤ传感器　“７”　“８”、“９”、“１０”等语音信息，语音提示　的价格、体积和使用方式上并不占优势。相对于ＣＣＤ传　感器，红外传感器优势明显，其不但方向感强、探测视　角小、测量精度高，而且价格也不算高，又能在夜间工　作，所以移动机器人避障的视觉可选用红外传感器。基　于上述要求，避障小车一般情况下只需粗略感知，不需　要清晰的图像，因此，物美价廉的红外反射式传感器便　在与昂贵的ＣＣＤ传感器的竞争中胜出。　这次采用的小车传感器是红外位置传感器，用漫反　射式光电开关对故障进行规避，光电接近开关简称为红　外线光电开关。是利用红外线进行遮光和反射的原理对　的实现通过在单片机程序来控制语音芯片的定点放音。　ＩＳＤ１７６０语音芯片的定点放音的控制通过单片机的Ｐ２．２　：￣ＵＰ２．５四个Ｉ／Ｏ口来实现。录音时一直按住ＲＥＳ键，录完　后松手，按住ＰＬＡＹ键即可播放刚录制的语音片段；可以　通过按动ＶＯＬ键加减音量，如果想增大一级音量，只需　按动一次ＶＯＬ键。由于音量调节只有８级，因此如果想要　声音重新回到最小音量，就必须按动ＶＯＬ键９次。ＥＲＡＳＥ　键可以擦除已经录入的语音片段，通过长按、短按删除　不同的语音片段：短按此键可以擦除上一段录音，长按　物体进行检测的方式，光电接近开关的检测范围包括所　此键可以擦除所有录音；通过ＳＣＬＫ、ＳＳ、ＭＩＳＯ、ＭＯＳＩ脚　与单片机进行ＳＰＩ通信，单片机就是通过这几个脚来实　有具有反光特性的物体，不仅局限于金属，只要可以反　光，其他材质的材料也可以。漫反射式光电开关是一种　集发射器和接收器于一体的传感器，光电开关产生开关　信号的原理为：当有被检测物体经过时，光电开关发射　器就会发射充足的光线，这些光线被反射到接收器，开　关信号由此产生。　２．３电机类型的选择　２．３．１　步进电机。小车前进和避障由步进电机控　制。脉冲控制步进电机，输入的脉冲频率决定其步距角　和转速，脉冲的频率以及电机的转速是成正比的，因此　可以通过对电机的脉冲频率进行控制，从而达到控制电　机工作的目的，步进电机的驱动脉冲可以通过单片机的　相关部件输出。对于需要用步进电机驱动芯片来驱动的　原因由于步进电机工作时需要较大的工作电流，步进电　机的驱动法我们通过ＵＬＮ２８０３芯片进行，并且用单片机　的Ｐ０Ｉ／Ｏ口来给ＵＬＮ２８０３芯片输入不同频率的脉冲，再通　过ＵＬＮ２８０３来驱动步进电机。　在本文中，对智能小车进行驱动的是两个四相五线　的步进电机。四相五线步进电机中一共包括五根线，　其中红色的线接通电源的正极，剩下的四根线分别与　ＵＬＮ２８０３芯片的输出端相连接，为了使得步进电机能够　正常工作，则需要保持四个Ｉ／Ｏ口依次输出高电平。智　能小车的车轮也受到不同电机的控制，前面的轮子用　两个步进电机来驱动，当两个步进电机的转速相同的时　候，车子就可以保持直线前行，但是当两个电机的转速　不相同，则车子的运行路径不为直线，会出现拐弯，因　此想要让小车在行进过程中变换方向，则只需要通过对　电机的转速进行改变即可。具体的运动方向原则是：如　果右边的步进电机转速比左边的快，小车则会向左边拐　弯，相反，如果左边的电机转速较快，车子则会向右　边转弯。通过控制电机的转速，可以控制小车的运行方　向，从而对障碍进行有效规避。　２．３．２语音提示功能模块。语音提示指的是在智　能小车的运行过程中提供语音服务，提示用户小车遇到　的障碍情况。当小车与障碍物比较接近的时候，提示　系统可以发出类似语音：　“在距您车前方Ｘ米的地方有　一障碍物，请您注意避让”。此功能是用ＩＳＤ１７６０语音　芯片来实现，预先给语音芯片录入“在距您车前方”，　“米的地方有一障碍物，请您注意避让”，“Ｏ”、　“１＂、　“２＂、　“３，，、　‘‘４，，　、　“５＂、　“６”　、　现对ＩＳＤ１７６０的定点放音。　３软件设计　３．１　程序设计总体思路　在设计过程中，我们将ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机作为控制核　心，利用红外位置传感器检测道路上的障碍信息，而　小车通过位置传感器获得路径信息，　当有光线反射回　来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电　平，并且将检测到信号返回到单片机中，然后ＳＴＣ８９Ｃ５２　进行判断并开始处理小车所处的状态，采用单片机产生　ＰＷＭ波驱动直流电机对车进行转向和行动控制，控制电　动小汽车的自动避障、快慢速行驶以及自动停车。　３．２　ＰｗＭ控制的实现　Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ简称ＰＷＭ控制一一脉冲宽度　调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地　获得所需要波形（含形状和幅值）。在逆变电路中ＰＷＭ　控制技术应用得最为广泛，ＰＷＭ型在应用的逆变电路中　最为常见，可以说电力电子技术中的重要地位的确定正　是由于ＰＷＭ控制技术在逆变电路中的应用。作为直流电　机的调速方式，ＰＷＭ驱动基本是不二的选择，特别是单　片机日益普及的今天。而我们设计中的电机两端的电压　与控制波形的占空比成正比，而电机转速与电机两端的　电压成比例，因此电机转速与占空比成比例，占空比越　大，电机转动越快。我们在控制程序中可以设置一个寄　存器，用来存储ＰＣＡＯＬ的初值，通过改变ＰＣＡＯＬ的初值来　对小车的方向和转速进行控制。　３．３小车状态定义　我们在设计小车的程序设计中设计思想如下：小车　在运行状态中当前方有障碍的时候，传感器将得到信号　返回到单片机后，单片机产生中断让小车停驶，并且产　生ＰＷＭ波让小车前轮转向中倒车一定的时间，然后再次　返回到主程序中运行，直到再次检测到障碍物时中断再　次执行……直至顺利到达目的地，完成避障功能。　参考文献　…１　郭天祥．新概念５１单片机ｃ语言教程——入门、提　高、开发、拓展全攻略【Ｍ］．北京：电子工业出版　社．２００９．　作者简介：李彤（１９８８－），男，天津人，供职于天津渤海　职业技术学院，初级职称，硕士，研究方向：电脑鼠算法优化。　（责任编辑：黄银芳）