基于單片機(jī)的智能越障探測(cè)小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊瑞麗，王俊仃，陳冉冉

（商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，河南商丘 476000）

1 引言

隨著人工智能的快速發(fā)展，智能車(chē)輛的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。智能車(chē)輛是集傳感器識(shí)別模塊、智能控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊等為一體的智能系統(tǒng)[1]，是無(wú)人駕駛領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中的智能小車(chē)是以電動(dòng)小車(chē)為載體，屬于一種移動(dòng)地面智能車(chē)，涉及電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的最新技術(shù)[2]，是智能汽車(chē)的典型代表之一。智能探測(cè)車(chē)可以分為自主式和非自主式。自主式智能探測(cè)車(chē)可以依靠自身系統(tǒng)獨(dú)立導(dǎo)航、避障，獨(dú)立執(zhí)行不同的探測(cè)任務(wù)；半自主式智能探測(cè)車(chē)可在人類操作員的監(jiān)督下自主運(yùn)行，操作員可在遇到車(chē)輛困難時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。智能探測(cè)車(chē)輛通常配備各種傳感器，可適用于各種工作環(huán)境，承擔(dān)人們較難執(zhí)行的探測(cè)任務(wù)。智能探測(cè)小車(chē)具有體積小、反應(yīng)快、生存能力強(qiáng)、成本低、機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn)，它可以移動(dòng)到固定機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的指定地點(diǎn)或危險(xiǎn)系數(shù)較高的環(huán)境，如戶外勘探和考古挖掘、軍事領(lǐng)域等，因此具有很大的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，其他硬件主要包括信號(hào)檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和攝像模塊。其整體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖

單片機(jī)模塊采用STC89C52。作為控制核心，它是一款能耗要求低、可移動(dòng)存儲(chǔ)、可編程、高性能集成的CMOS 8 位和8k 字節(jié)的只讀存儲(chǔ)器。此外，STC89C52 是一個(gè)基于靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)的芯片[3]，工作時(shí)頻率歸零，支持兩種軟件選項(xiàng)的電流節(jié)約模式。當(dāng)中斷RAM 和定時(shí)器的串行電壓測(cè)量接口并中斷系統(tǒng)的正常工作運(yùn)行過(guò)程時(shí)，CPU 在非活動(dòng)模式下停止運(yùn)行。下行模式存儲(chǔ)幀的內(nèi)容，會(huì)凍結(jié)振蕩器，直到下一個(gè)硬件重新啟動(dòng)其它芯片功能。

驅(qū)動(dòng)模塊中，系統(tǒng)采用的是H 橋驅(qū)動(dòng)電路。L298N 是一個(gè)高電壓、高功率的H 電橋，作為驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行工作的驅(qū)動(dòng)元件[4]，擁有一個(gè)控制終端。它具有輸入頻率高、靜態(tài)電流損失小、輸出工作電流大、電路設(shè)置簡(jiǎn)單、散熱穩(wěn)壓效果好、不易變形燃燒等多種特點(diǎn)。它的速度可調(diào)節(jié)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以單獨(dú)控制兩臺(tái)直流發(fā)動(dòng)機(jī)，并且能夠單獨(dú)控制直流發(fā)動(dòng)機(jī)[5]。

信號(hào)檢測(cè)模塊向前方介質(zhì)發(fā)出一束紅外線，在前方一定的距離空間內(nèi)，紅外線如遇到其他障礙物便會(huì)快速被該物體反射，紅外線反射信號(hào)可實(shí)時(shí)通過(guò)紅外接收管來(lái)檢測(cè)到。通過(guò)合理調(diào)整紅外發(fā)射管的安裝位置，接收管可確定車(chē)輛運(yùn)行時(shí)與前方障礙的距離[6-7]。紅外接收器通常安裝在車(chē)輛前端，可串聯(lián)安裝。此模塊成本低，安裝方便，運(yùn)行時(shí)響應(yīng)速度快。

攝像模塊采用單獨(dú)的無(wú)線攝像裝置，通過(guò)攝像頭把智能小車(chē)前方的環(huán)境信息發(fā)送到所連接的便攜式終端，比如手機(jī)。手機(jī)終端可通過(guò)Wi-Fi 功能與攝像頭模塊直接相連，以此可使操控者實(shí)時(shí)掌握小車(chē)所探測(cè)地域的環(huán)境信息。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整體的軟件設(shè)計(jì)是采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器溢出中斷信號(hào)來(lái)自動(dòng)計(jì)算兩個(gè)障礙物間的距離。其中一個(gè)是T0計(jì)數(shù)器溢出中斷，當(dāng)與障礙物距離遠(yuǎn)且超過(guò)既定間隔時(shí)，中斷功能將會(huì)用于重新設(shè)置標(biāo)志位；另一個(gè)是T1 開(kāi)關(guān)中斷，用來(lái)檢測(cè)道路障礙物、及時(shí)評(píng)估道路狀態(tài)和改變車(chē)輛方向的時(shí)間間隔[8]，以便車(chē)輛能夠及時(shí)避開(kāi)障礙物。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 整體設(shè)計(jì)流程圖

對(duì)于信號(hào)檢測(cè)子模塊，在軟件設(shè)計(jì)中，需要小車(chē)系統(tǒng)的探測(cè)原理。紅外探測(cè)器向前方發(fā)出紅外線光，遇到障礙物后光線會(huì)被反射回來(lái)并被紅外光接收器接收，根據(jù)接收到的光線強(qiáng)弱進(jìn)行信號(hào)的反饋。假設(shè)前方有障礙物，光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生低電平信號(hào)，并將信號(hào)傳輸至單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行處理后再產(chǎn)生指令，并將指令傳輸至驅(qū)動(dòng)模塊。這時(shí)車(chē)輛會(huì)按照相應(yīng)程序向右或向左行駛，以避開(kāi)障礙物。紅外檢測(cè)流程圖如圖3 所示。

圖3 紅外檢測(cè)流程圖

驅(qū)動(dòng)子模塊主要采用兩個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，通過(guò)改變電機(jī)兩端輸入電壓的相對(duì)極性來(lái)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)電流的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的運(yùn)行狀況的控制。自主避障流程圖如圖4 所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整和測(cè)試，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)遇到前方障礙物，會(huì)自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)向，圖像傳輸正常穩(wěn)定。硬件電路調(diào)試的實(shí)物狀況如圖5 所示。

圖5 硬件電路調(diào)試實(shí)物圖

當(dāng)小車(chē)左前方遇到障礙物時(shí)，左前方信號(hào)檢測(cè)模塊LED 燈全亮，顯示情況如圖6 所示。

圖6 信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)到左前方障礙物

當(dāng)小車(chē)右前方遇到障礙物時(shí)，右前方信號(hào)檢測(cè)模塊LED 燈全亮，顯示情況如圖7 所示。

圖7 信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)到右前方障礙物

將攝像模塊與單片機(jī)相連。當(dāng)攝像模塊正常工作時(shí)，手機(jī)通過(guò)Wi-Fi 與攝像模塊相連，然后打開(kāi)手機(jī)安裝好的應(yīng)用軟件WiFi View，可實(shí)時(shí)查看小車(chē)所拍攝的環(huán)境信息。手機(jī)查看圖像界面如圖8 所示。

圖8 手機(jī)查看圖像界面

至此，該智能小車(chē)越障探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能得到完好的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)以STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，以紅外探測(cè)裝置作為信號(hào)檢測(cè)單元，再輔以電源、驅(qū)動(dòng)等多個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定獨(dú)立運(yùn)行。通過(guò)紅外傳感器和STC89C52 芯片獨(dú)特的微機(jī)功能以及PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。此外，采用能夠進(jìn)行圖像無(wú)線傳輸?shù)腞T5350 Wi-Fi 攝像模塊，確保在陌生環(huán)境條件下，操控者可以運(yùn)用所配套的手機(jī)終端遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)圖像。整個(gè)小車(chē)系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、性能穩(wěn)定，具有較好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。