基于单片机的无人避障小车系统设计

凌宇翔　高韦　吴昊

【摘  要】随着经济社会的持续快速发展，电子技术迎来了前所未有的重大发展机遇，采用机器人替代人工来探知一些危险区域或人类不能直接到达的地域，要求探测机器人在行进中可以实时检测周围的障碍物，然后根据检测结果设计出合理的运行轨迹，保证机器人可以安全抵达任何位置。本文以自动避障功能为主要研究对象，选取合适的障碍物探测方式及避障控制算法，完成整个无人避障小车系统的设计。

【关键词】无人小车;单片机;系统设计

引言

智能小车是一个集环境感知、规划和决策于一体的多维度辅助驾驶集成系统，重点研究计算机与现代传感技术、信息融合技术、通信技术、人工智能技术和自动控制技术，是新技术与高新技术的典型结合。智能小车可以用于在不利条件下进行无人检测和操作，这种控制技术可应用于像智能物流这样的物联网工业应用领域。为了更深入的认识和了解智能化汽车，可通过设计与实现智能小车来进一步研究智能汽车的控制理念和方式。传统的智能寻迹小车只能运行在简单的赛道上，对复杂的赛道元素缺乏处理能力，具有很大的局限性，且不能将舵机转向与电机速度控制有效结合，在寻迹路径上还有很大的提升空间。

1单片机技术

单片机在1990年代得到了快速的发展，技术应用更加成熟，应用领域更加广泛，并成为推动人类文明发展的抓手。伴随智能技术得到应用与普及，单片机获得了新的发展空间和渠道，能够被广泛地应用在自动控制、通信交流、自动测量、智能仪表等电子领域。可以通过与电子技术的充分融合，提升单片机的应用质量与效率。由于单片机技术是计算机领域的关键分支，因此其应用的广度和深度，能够提升产品的实效性和有效性，使智能化产品得到真正的普及和推广。在概念界定上，单片机主要指单片微控器，具体包括随机储存器、只读储存器、中央处理器及终端系统等部分，能够形成多种数据控制与采集系统，完成各类复杂的运算任务。譬如运算指令的下达与运算信号的控制等。单片机是种集成计算机系统的智能芯片。能够实现对数据信息的高速而精准的处理。在硬件特征上。单片机拥有体积小、结构简单、功能完备、集成度高、故障率低、低耗能、高控制性等特征，可以广泛地应用在各类电子产品中，提升电子产品的智能化、自动化及信息化水平。而在单片机的具体应用中，单片机能够使普通的电子产品拥有智能化特征。如将单品机应用在电饭煲中，可以使电饭煲拥有自动定时、自动控制、食材识别、时间选择等智能化功能。而将其应用在传统的智能化电子产品中，譬如定位系统中，可以提升数据收集、可视化应用、自动定位等功能的效益，使其拥有自动化的特征。

2系统设计方案

2.1障碍物检测设计

本文采用了超声波传感器和红外传感器，超声波传感器采用HC-SR04，该传感器探测距离为2cm～450cm，探测角度为15°，工作电压为5V，可以由单片机直接供电。为了实现无人避障小车180°的测距，增加了可旋转360°伺服舵机来带动超声波传感器进行测距，伺服舵机的转动角度分别设计为0°、90°、180°，使得超声波测距范围形成一个封闭的半圆形结构。由于超声波测距有一个测距周期，当没有达到该测距周期时就使用红外传感器来代替超声波传感器进行障碍物的检测，这是对超声波传感器的一个时间上的补偿，这样就能更加精确地对外界环境进行检测。

2.2电机控制设计

本文中設计的无人避障小车系统采用4个直流电机，控制芯片为L293D，它是一款双H桥驱动芯片，可同时驱动两路直流电机，本文采用了两个L293D，1个控制左侧两个直流电机，另一个控制右侧两个直流电机，然后通过输入信号控制直流电机执行正转、反转、停止来实现小车的直行、左转、右转，具体的设计如下：（1）当检测到没有障碍物时，左侧电机正转，右侧电机正转，实现无人小车直行。（2）当检测到左侧有障碍物时，左侧电机正转，右侧电机反转，实现无人小车右转。（3）当检测到右侧有障碍物时，左侧电机反转，右侧电机正转，实现无人小车左转。

3基于单片机的无人避障小车系统设计

3.1软件设计

无人避障小车控制部分软件包括主程序、超声波测距子程序、显示模块子程序、电机调速子程序和按键控制子程序等5个部分。小车启动后朝正前方前进，当遇到障碍物时小车停止，这时单片机会先采集超声波测量的正前方障碍物的距离并显示，然后舵机左转采集左侧障碍物的距离并显示，再让舵机右转测量右侧障碍物的距离并显示，如果三个方向的距离都小于10cm说明空间极其狭窄，小车会原地左转然后继续检测直至小车检测到有一条合理的路线离开这个空间;如果小车左侧的距离大于右侧小车就原地左转，如果右侧的距离大于左侧小车就会右转。然后小车继续前行，直到再次遇到障碍物进入下一个循环。

3.2图像采集

摄像头就好比智能车的“眼睛”，为微控制器提供当前道路信息，并可将获取的图像信息实时传输到微控制器进行处理。为了更加符合真实汽车比例，系统的摄像头安装在车辆纵向平分线上，高度距地面10厘米。系统采用DMA方式采集图像，DMA采集速度快且不经过微处理器，使单片机能获得更多的有效数据。图像采集的原始灰度图像共186×70个像素，在视野广、前瞻长的前提下，图像采集速率能达到50fps，基本满足系统寻迹高速稳定的要求。

3.3电机转速整体控制思路

寻迹小车在直道设定较高的转速，在弯道设定稍慢的转速使小车能够流畅的跑完整个赛道，其中直道速度能决定小车的整体速度，合适的弯道速度能够提升小车的稳定性。由于直道入弯的过程是关键，系统采取了特殊的减速策略，即先根据小车当前速度给出相应减速需要的图像场数，当减速场数较高时设定速度可较低，当减速场数较少时设定速度可较高，并随着减速场数的减少设定速度可逐渐接近弯道速度，使小车能够流畅的进入弯道，避免出现“猛加猛减”的情况。

结语

自动化技术的产生和发展使工业领域在工作环境、工作效率和生产质量等方面都有所改善。单片机与工业智能技术融合后，可以利用单片机的过程控制与数据采集，提高数据处理的准确性，实现自动化控制和远程控制，让人工操作变为人工控制，保证流水线作业体系，单片机在工业领域中的应用保证了工业生产的安全及效率，已经广泛应用于流水线作业系统、自动报警系统等行业。单片机作为电子技术嵌入式系统的典型代表，给我们的生活带来了极大的便利，渗透到了生活的各个领域，对实现数字化、自动化、智能化控制意义重大，其开发与应用已经得到了人们的高度重视。

参考文献：

[1]姜秀玲.单片机在电子技术中的应用和开发技术研究[J].科学技术创新，2018（15）：177-178.

[2]孙江晖.单片机在电子技术中的应用和开发[J].中国科技投资，2017（23）.

[3]黄菁.单片机在电子技术中的应用与开发论述[J].信息周刊，2020，000（005）：P.1-1.

[4]郑泽宏.单片机在电子技术中的应用和开发技术研究[J].科技信息，2013，000（025）：140，221.

（作者单位：武汉东湖学院）