林奕奕 傅毅霖 戴陈伽 许晓惠 沈振辉

摘要：针对电动小车行驶中的避障问题，研究基于单片机的自控避障小车系统，构建自控避障小车系统方案，提出自动避障机制，探讨硬件系统组成，完成系统控制状态字设计及自控避障小车行进控制流程，完成自控避障小车开发。

Abstract： Considering the problem of obstacle avoidance for electricity motive car， the system built for automatic obstacle avoidance car based on single chip microcomputer is discussed and constructed. Then the mechanism of automatic obstacle avoidance is proposed and the construction device of the car is presented. And the status word for control as well as the control flow for the travel of the automatic obstacle avoidance car are designed. Consequently， the automatic obstacle avoidance car is developed.

關键词：单片机；小车；自控；避障

Key words： single chip microcomputer；car；automatic；obstacle avoidance

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0180-03

0 引言

随着科学技术的快速发展，传感器和微型控制器的应用给人们的生活带来了便利[1]。无人驾驶作为一个新兴方向，得到越来越多的关注。自控避障是无人驾驶的核心技术之一。自控避障，保证小车安全行驶，不仅可以提高小车的自动化、智能化，而且能够有效降低操作强度，提高工作效率。目前针对小车避障的研究中，主要以循迹控制、路径规划为主[2-5]，针对参数化的系统运行状态配置开展的研究依然较少。电子技术的发展，使单片机、光电传感器、蓝牙通信技术、舵机及电机控制等，在生产生活中得到广泛应用。单片机作为一个微型控制器，能够实现简单逻辑控制，具有相应速度快、造价低廉、外围电路简单等优点。光电传感器属于非接触传感器，具有响应速度快、不破坏被测物体表面、工作稳定可靠等优点。蓝牙通信技术以其功耗低、连接方便、传输稳定、开发容易等优势得到广泛应用。舵机及电机控制能够根据系统要求执行机械完成预定动作，易于控制、工作稳定。为此，本文综合单片机控制技术、光电传感器技术、蓝牙通信技术、舵机及电机控制技术等，开展自控避障小车避障机制研究，探讨参数化的自控避障小车运行状态远程配置策略，使自控避障小车的操作更为简便、灵活，具有重要的理论现实意义。

1 工作机制

1.1 系统方案

通过对自控避障小车的功能需要分析和非功能性需要分析，设计自控避障小车的系统方案如图1所示。系统由手机端控制软件和小车硬件端组成。手机端控制软件通过蓝牙通信技术实现与小车硬件端的信息传递。手机端控制软件主要实现对自控避障小车运行参数的设置和手动运行模式下的自控避障小车运行实时控制。小车硬件端由单片机、驱动电路、蓝牙模块、人机交互模块、行走装置、转向装置、传感装置及小车主体等组成，实现自控避障小车的运行控制、状态显示、用户交互及其与手机端的通讯等功能。其中，人机交互模块由输入键盘和信息显示组成。

1.2 自控避障机制

自控避障小车通过安装在小车主体的光电传感器进行障碍识别。光电传感器能够对设定距离范围内是否有障碍物进行识别。当设定距离范围内有障碍物时，光电传感器的输出为1，否则为0。自控避障小车主体安装有5个光电传感器，前方1个，左右两侧各2个。自控避障小车前方只有一个光电传感器，用于检测前方是否有障碍物。自控避障小车左右两侧的光电传感器均设定为一个近距离光电传感器和一个远距离光电传感器，实现对障碍物与小车主体之间距离的识别。当同侧2个光电传感器输出均为1时，则该侧障碍物与小车主体的距离小于近距离光电传感器设定值，小车主体触碰障碍物的可能性极高；当同侧2个光电传感器的输出均为0时，则该侧障碍物与小车主体的距离大于远距离光电传感器设定值，小车主体触碰障碍物的可能性极低；当同侧近距离光电传感器输出为1而远距离光电传感器输出为0时，则该侧障碍物与小车主体的距离介于近距离光电传感器设定值与远距离光电传感器设定值之间，属于较为合理的工作状态。在当前设置条件下，同侧2个光电传感器取值不可能为远距离光电传感器输出为1而近距离光电传感器输出为0。根据当前设定条件，设置自控避障小车的避障规则表如表1所示。基于该规则表，自控避障小车根据5个光电传感器的输出值执行相应动作实现自动避障。

2 系统设计

2.1 硬件系统设计

自控避障小车硬件系统由STC89C52RC单片机、标准驱动电路、显示模块、键盘输入模块、HC-05蓝牙模块、电机驱动模块、直流电机、舵机驱动模块、舵机及5个光电传感器组成，如图2所示。STC89C52RC单片机是硬件系统的核心模块，有标准驱动电路驱动，协调各个模块进行工作。显示模块和键盘输入模块实现系统与用户之间的交互，其中显示模块实现系统信息的实时显示，键盘输入模块实现用户对系统参数的设置与更改。HC-05蓝牙模块实现硬件系统通过蓝牙通信技术与手机端进行信息传递。电机驱动模块实现系统对直流电机的控制，完成自控避障小车的前进、后退、停止等功能。舵机驱动模块实现系统对舵机的控制，完成自控避障小车的左转、右转、直行等功能。5个光电传感器分别对应自控避障机制中的前方光电传感器、左侧远距离光电传感器、左侧近距离光电传感器、右侧远距离光电传感器和右侧近距离光电传感器。

2.2 软件系统设计

自控避障小车的实现不仅需要硬件支撑，而且需要软件进行控制。为便于系统控制及降低小车硬件端与手机端的通讯数据量，设计自控避障小车运行控制状态字如表2所示。控制状态字共5个码位，每个码位有不同的取值，代表不同的含义，分别实现对控制模式、行进方向、速度倍率、转向方式、转向角度等的控制。操作者通过键盘输入或者手机蓝牙交互等方式更改控制状态字，即可实现对运动控制状态的更改。其中，速度倍率码位取值从0～9分别对应10%～100%。转向角度从0～9分别对应0°～45°。

基于上述自控避障机制及控制状态字，自控避障小车的行进控制流程如图3所示。自控避障小车启动后，单片机系统初始化，包括运行状态、串口通信等。继而进入小车软件控制流程。首先，通过键盘输入或蓝牙通信读取用户交互信息，根据用户需求判断是否需要更新控制状态字。若控制状态字功能与用户需求不一致，则更新控制状态字，否则不做操作。随后，根据控制状态字判断是否为自动控制模式。如果是自动控制模式，则读取5个光电传感器输出值，根据输出状态查询自控避障规则表得到执行动作后控制硬件。否则，根据控制状态字控制小车行进。

3 结束语

本文针对电动小车行驶中的避障问题，提出了基于STC89C52RC单片机的自控避障小车。基于电动小车的避障功能需求，构建了有机集成小车硬件端和手机端的系统方案，并基于小车硬件端的光电传感器布置方案，提出了自控避障小车的避障规则表，实现了对小车主体周围障碍的有效识别及主动避让。进而在系統方案的基础上，完成了小车硬件系统的设计。并从便于软件设计的角度出发，提出了小车控制状态字，不仅简化了系统控制，而且降低小车硬件端与手机端的通讯数据量。进而给出了自控避障小车行进控制流程，完成了自控避障小车的总体设计。所设计的自控避障小车，不仅能够快速响应用户需求设置，而且可以根据传感器输出主动避障，系统工作稳定、可靠。基于手机端的参数设置传输稳定、方便快捷、响应及时。

参考文献：

[1]祝松柏，李清宇.基于STC89C52的循迹避障智能小车的设计[J].轻工科技，2018，34（3）：65-66.

[2]黄淑新，蔡孟凯，杨智，等.工程训练综合能力竞赛无碳小车控制系统设计[J].机电工程技术，2018，47（3）：11-16.

[3]杨瑞东，杨连军，王云峰，等.基于Android系统的智能循迹避障小车设计[J].机电工程技术，2018，47（3）：81-84.

[4]彭美定，邓鹏.基于单片机的智能红外避障小车设计[J].无线互联科技，2017（3）：74-76.