基于红外避障的无碳小车的结构与程序设计

艾雅茹　高俊　贺瑞博　张超

摘要：本文主要针对无碳小车的红外避障功能存在的单点、单面障碍物检测的缺陷，提出并设计了一种基于双面三维检测的智能避障系统，重点解决了小车“贴墙运行”、“死角危险”的红外传感器避障范围的局限性问题，并相关算法经过测试及反复调整参数后，达到了较好的避障效果。

关键词：无碳小车；红外传感；避障算法

Abstract：In this paper， in order to the carbonfree car of infrared obstacles avoidance function which defects of single point， single obstacle detection.proposed and designed a kind of intelligent obstacle avoidance based on twosided threedimensional detection system， the key to solve the car "wall" and "blind Angle" limitations of the scope of the infrared sensor obstacle avoidance problem， and related algorithm is tested and after repeated adjustment parameters， achieved the good effect of obstacle avoidance.

Key words：Carbonfree car；infrared sensing；obstacle avoidance algorithm

隨着当今社会的进步发展，小车的智能化已然成为一种主流趋势，然而如今市场上主要以有轨机械跟随为主，暂时没有大批量生产自动避障的小车[1]。红外感知，自动避障等功能，使各种车辆在无法及时避障的情况下，运用这项技术自动避开障碍物，从而提高安全度。并且这项技术发展成熟后，可应用到无人驾驶领域，使盲人也有开车的机会。避障系统作为本项目整个系统的执行机构，其性能的好坏对整个系统起着至关重要的作用。本文给出了一种基于单片机的红外可控与无碳小车的设计，从而实现所需的各项功能。

一、小车避障系统

由于该项目小车行进的能量全部由砝码降落，重力势能转换为动能产生。所以本研究将只考虑该小车的传感器检测部分及舵机转向部分。本研究要实现感知障碍物，并且自动进行避障的功能，进而实现小车能够自动识别路线，正确地规划行进路线，并检测到障碍物能够自动躲避。基于以上所述的要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只需要对障碍物有粗略感知即可进行避障，所以本研究舍弃了昂贵的CCD传感器而考虑使用便宜且结构简单的红外反射式传感器。[2]对于无碳小车的转向部分是由舵机带动前轮，主要控制小车的行进方向，由于小车进行了减重处理，对舵机堵转扭矩要求较低，选用MG996R舵机带动前轮转向。为了使电路尽量简洁，并且为使硬件操作简便，选用了单片机最小系统351—PDIP40。

（一）主控系统

采用单片机作为核心部件。本研究选用单片机作为整个系统的核心，用其控制无碳小车的转向部分，以实现其既定的性能指标。在多次研究讨论并充分分析本研究适用的系统后，其关键在于实现小车的转向控制，就这一点上，单片机具有极大的优势——其控制简单、编程方便、运行快捷[3]。就其优势来看，单片机能够充分发挥其资源丰富、性能优质、控制能力强且可靠性高、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。

（二）机械系统

本研究设计的无碳小车的仅靠机械系统为小车提供能量，且必须为三轮运动系统。

驱动部分：本研究通过滑轮机构和绕线轴，将1kg砝码下降时产生的重力势能转变成提供小车行进的动能，并利用二级齿轮传动机构，通过多次验算与实验，设计出合适的传动比，确保小车前进的速度和力矩。

电池的安装：由于砝码位置略靠前，本研究将电池放置设计在车体的底板偏后处，这一做法可使小车的重心降低，进而提高其稳定性，与此同时还能够加强驱动轮的抓地能力，减小轮子空转所引起的误差。

（三）传感器系统

从目前看来，本研究所运用到的避障传感器主要为超声避障传感器和红外避障传感器。

超声避障传感器是一种十分常见的传感器，其测距主要采用时间差测距法，测量时其发射接收信号间的时间差T2T1，即其可以利用时间差进行计算进而获得障碍物的距离[4]，并把该信号传送给单片机，单片机发出控制信号进而改变小车的转向，使小车不与障碍物发生接触，但是其成本相对较高，并且电路设计复杂。

红外避障传感器利用光学反射原理，通过对发射红外线的反射进行检测，从而判断前方是否存在障碍物，并且其信号强度与小车距障碍物的距离成正比，即红外接收器将接收的信号有无或强弱作为避障的依据。其具有操作简单、技术成熟、成本低等特点，且本研究对检测障碍物成像要求不高，于是选择了反射式红外传感器。

（四）电源电路的选择

方案一：所有元件均采用单一电源（6节5号电池）[5]。

供电方式简单，但电源开关闭合瞬间产生的瞬时电流较大，造成电路电压不稳定，舵机会产生“抖动”现象，严重时甚至会导致单片机系统掉电的情况。

方案二：采用多电源（舵机3节5号电池，单片机4节5号电池）。

供电方式较为复杂，且不如单一电源方便灵活，但可完全消除舵机产生的“抖动”现象，无需另外添加稳定元件提高系统稳定性。

二、主控制单元

（一）整体思路

经过方案论证的过程之后，本研究选定了仅采用单片机作为核心部件的方案。其系统总方框图如图2所示。

本系统在基于89S52单片机控制舵机转向的智能小车基础上对红外避障方案和算法进行了优化设计。在智能小车的前端共设置4个红外避障传感器，小车左前端、右前端、左端和右端分别安装一个红外避障传感器，用来检测4个点的障碍物[6]。它们的探测方向不再平行于小车的行车路线，而是各成一个角度同时探测，通过算法判断4个传感器的不同状态组合以調节小车前轮舵机转向角度和方位。

（二）主控部分

智能小车系统电路图如图3，由单片机最小系统电路和传感器部分电路，舵机信号控制电路组成。传感器选用Gaston E18D80NK 、舵机选用MG996R ，当传感器信号引脚为1时，表示无障碍，为0表示右障碍，单片机通过端口读取传感器检测信号，从而判断障碍物情况。通过软件避障算法，输出转向信号给舵机，控制舵机旋转不同角度。

（三）主程序设计

程序主要由一个主程序和两个中断服务子程序组成，主程序功能是循环扫描4个传感器的工作状态，根据传感器的不同状态信号判断小车所处的环境，单侧有障碍物，反向旋转一个小角度，处于角落位置调整一个较大角度，绕过障碍物及走弯道时，调整一个合适的角度，保证小车顺利通过[7]。中断子程序是两个定时器的定时中断，其作用是定时器合作产生舵机的转向信号，通过改变高低电平的持续时间参数来调节舵机转向角度。

四个红外传感器分别检测小车左右和前方四个角度的障碍物，单片机软件算法中避障算法判断小车左方障碍、右方障碍、左角落、右角落、前方障碍、弯道运行及绕过障碍等各种情况下该如何转向，调用转向子程序，并给出信号控制舵机转角，从而保证小车顺利避开障碍物。

三、总结与创新

（一）总结

经反复对比研究选择使用单片机最小系统，并选择反射式红外传感器。起初本研究选用的传感器检测距离较近，多次出现遇到死角的情况，并且小车贴边而行极易碰到障碍物，于是本研究选用检测距离为80cm的传感器，其感应距离调节较远，小车可在较远距离做出反应，并且在多次试验后，本研究将起初的2个传感器换为4个传感器，用以补充小车的转向角度，避免了可能出现的危险情况。另外在选择算法时，本研究最初选择的算法较为复杂，考虑了多种情况，但是效果并不是特别理想，本研究吸取教训，更改程序，在先实现基本功能的情况下再根据实际情况复杂化，并在实践中更改传感器的检测距离、放置角度，及小车的转向角度、延时时间，最后确定最终程序。

（二）创新

本系统创新特色主要在于通过算法判断4个传感器的不同状态组合以调节小车前轮舵机转向角度和方位，由传统的单点、单面障碍物检测转变为双面三维检测，解决小车贴墙运行和死角危险问题。重点解决了红外传感器的避障范围的局限性问题。

参考文献：

[1]王天涛.基于双目视觉的移动机器人室内导航方法[D].山东大学，2014：35.

[2]王建飞.基于单片机控制的自动往返小汽车的新设计[J].现代与电子技术，2006.

[3]董涛，刘进英，蒋苏.基于单片机的智能小车的设计与制作[D].连云港工贸高等职业技术学校，2009.

[4]蔡磊，周亭亭，郭云鹏，陈素芳，吴汉帮.基于超声波定位的智能跟踪小车[D].长春理工大学，2013.

[5]强彦，叶文鹏，屈明月，赵涓涓.基于红外避障的智能小车的设计[D].太原理工大学，2013.

[6]华蕊，郝永平，杨芳，超声波定位系统的设计[J].国外电子测量技术，2009.

[7]董刚，智能小车运动控制系统研制[D].西安科技大学，2009：2628.

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划，基于互联网的远程智能宠物喂食器（项目编号：201711654002）

作者简介：艾雅茹（1996），女，建筑环境与能源应用工程专业。

通讯作者：高俊（1988），男，助教，主要从事机电液一体化研究。