智能避障遥控小车设计

智能避障遥控小车设计

专业：电子信息工程 学生： 指导教师：

摘要：在全球智能化浪潮中，智能车辆的研发呈现出蓬勃发展的良好态势。本设计主要以STC89C52单片机为控制核心，通过无线遥控实现小车的前进后退和转向行驶；通过红外光电传感器，实现小车自动避障等功能；结合超声波模块，附加LCD1602可以实时显示出小车距离障碍物的距离。系统程序采用C语言编程，通过实现各个子单元的功能来完成智能小车的整体设计。 关键词： 智能；单片机；无线遥控；自动避障 1.引 言

智能化作为现代社会的新产物，作为以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。

在上世纪50年代时，美日等国家开始了对无人驾驶汽车的相关研究。作为全世界科技最发达的国家，美国交通部投入3500万美元作为研究无人驾驶汽车的专项费用，并与通用公司合作研发一种防碰撞系统。除此之外，其他一些研究机构也和大学合作进行研发无人驾驶车辆；据相关报道，美国军方准备采用无人车执行危险地带执勤任务。日本的三菱公司和尼桑公司正在研发各类防撞设备，并有望于近2年内投产。我国也早已开始无人车的研究工作，如清华大学汽车研究所对导航、车内控制系统等方面做了深入的研究；国防科大研制成功最高时速达到75.6公里的无人驾驶汽车。国内各高校对无人驾驶汽车的研究也更加深入。越来越多的研究机构和学者在不断的参与智能车的研究，可以预计，我国的智能车辆研究必将会取得较大进步。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深理解课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来工作打下坚实的基础。现在有许多大学已经开展了相关的智能车竞赛，比赛涉及到电子、控制、机械等多学科，学生可以在比赛过程中学习到程序设计、电路仿真、控制模拟等许多知识，对于自身的能力提升和综合素质全面发展具有非常大的益处，反过来智能车竞赛又促进了智能车研究的发展和普及。

如今知识工程、计算机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论智能系统，人们要求系统智能化程度也在不断提高。显然传统的控制观念是无法满足人们的需求，我们可以将智能控制与传统控制结合起来，以此来提高人们的满意度。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代[1]。相信在不久的将来，智能车辆技术已达会有一个飞速的发展，智能车辆将在世人面前展现其无穷的魅力。

一般而言,智能车系统要求小车在白色的场地上,通过控制小车的转向角和车速,使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶[2]。本课题主要开发一个能够自动避障、无线电遥控和超声波测距的智能小车控制系统。系统主要以简易玩具模型车为开发平台，选择常见的玩具直流电机模型车为机械平台，选择物美价廉的STC89C52单片机为控制平台，认真分析本系统的各项需要实现的功能，结合传感器技术、电机控制技术和液晶显示等相关知识来使小车完成设置的各种功能。最终设计完成以由红外光电传感器自动避障、无线电遥控以及超声波测距组成的硬件

单元，并结合C语言编程的软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶，检测障碍物后反向运动和无线电遥控等功能，实现智能控制，达到设计目标。 2 总体设计

我们的智能小车采用单片机STC89C52作为系统主控单元，通过外接的光电传感器、无线遥控单元和超声波测距传感器为主控单元提供外界有关障碍物的信息，主控单元将实时处理接收到的外界信息，并按照预先设定的程序改变运行状态，实现了小车的智能控制。 2.1总体设计方案

小车分为单片机控制单元、避障单元、遥控单元、超声波测距单元、电源模块、电机驱动单元共七个模块。

智能小车通过车身上安装的各类传感器件来采集外界各种信息，并将信息送入单片机主控单元STC89C52，单片机主控单元将会实时处理送入的外界信息，并驱动直流电机、LCD1602等完成相应动作以达到智能控制的目的。电机驱动单元采用高电流四通道的电机专用驱动集成芯片L298N；避障单元采用红外光电传感器来探测外界障碍物；无线遥控单元采用带有PT2262编码芯片的发送模块和带有PT2272解码芯片的接收模块；同时超声波测距单元可以通过LCD1602将小车距前方障碍物距离实时显示出来。 2.2主控单元方案的选定

方案一：小车的主要控制核心选择STC89C52单片机，该单片机有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理[3]。由以往实践可知，它能够控制各类简易系统，并且价格不高，易于购买。

方案二：采用数字电路组成小车的主控单元。本方案电路复杂，制作耗时且灵活性不够好，不利于小车智能化的扩展，对各类信号处理能力不足，焊接时易于出现错误，影响系统功能的实现。

比较以上两种方案，方案一稳定、可扩展性好，能实现控制小车避障和遥控的功能，故采用方案一作为主控单元。 2.3小车的方案设计与论证

方案一：自己手工制作车体，再将直流电机和支架等焊接到车体上，但这样的小车车体比较粗糙，布局不合理，外观不美观，影响接下来的电路系统设计，会降低系统的稳定性。

方案二：购买已设计好的小车车体，这样的小车已将直流电机和支架直接安装到车体上，并将电机导线外接，对于安装外接电路十分方便，而且外观美观，可重复使用。因此选择方案二。 2.4避障单元方案的选定

方案一：采用激光传感器测距，它由激光器、激光检测器和测量电路组成，能够非常精确地测出小车与障碍物之间的距离，并且抗干扰能力强；但是其安装复杂且价格高，不适合简易设计的要求。

方案二：采用CCD摄像头进行图像采集和辨识的方法，CCD是电荷耦合器件，利用CCD

图像传感器直接将外接光学信号转换为模拟电流信号，再进过放大和模数转换，处理芯片可以对其中的信号做出识别和处理，进而确定自身距离障碍物的准确距离。由于CCD价格昂贵，维护要求较高，在安装体积和实际应用上不占优势。

方案三：在小车左前方放置一个红外光电传感器，红外传感器是目前较常用的一种避障传感器，具有测量距离远、范围广、易于安装、便于维护等优点，可通过调节传感器后部的滑动电阻器，使检测距离在3-80cm之间，符合智能小车自动避障的要求。因此我们选择方案三。 2.5遥控单元方案的选定

方案一：采用红外遥控，红外遥控技术在工农业生产、通信技术、家用电器等多种领域中得到了广泛的应用，特别是在门禁系统中，更加受到了人们的瞩目。遥控系统包括发射和接收两大部分，通过编/解码芯片来控制信号的发射和接收，一般采用红外波段内波长在0.76um-3.0mm之间的近红外线来传输信号。红外遥控结构相对比较复杂，功能固定、灵活性差，而且使用时必须将遥控器的红外发射孔与接收管对准才可以，故其灵敏度不高。

方案二：另一种是无线电遥控，它是由无线电信号对远方的各种机构进行控制的技术，由发射机和接收机两部分组成。由于无线电遥控模块性能稳定，可供选择项多且调试方便，并且无线电遥控具有较远的传输距离，抗干扰能力强，对遥控无方向性，在许多领域应用[5]。适应于智能小车远距离遥控控制。

方案三：超声波遥控是利用超声波来传送指令的遥控，超声波是频率高于20000赫兹的声波，其方向性好，体积小，穿透能力强。但是因为超声波遥控价格较贵，并且安装不方便，因此不便于小车的整体设计。

综合考虑三种方案，我们最终选择了发射、接收功率不太大，工作稳定，也可以穿越一般的障碍物，而且遥控距离可以较远的无线电遥控，具体在本设计中是采用带有PT2272解码芯片的接收模块和带有PT2262编码芯片的发送模块来达到遥控目的。 2.6电机驱动单元方案的选定

方案一：采用步进电机作为系统的驱动电机，它具有快速启停能力，能够方便的实现调速和转向，且能准确的测量速度、路程以及时间，可简化编程和硬件连接。但对于输出力矩来说，步进电机的输出力矩较低，在转速较快时输出力矩会下降很快，难以运转到较高的速度，并且电路相对复杂一些。考虑到实际情况，其不适用于本设计。

方案二：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，由于减速齿轮组安装在小车电机内部，所以并不需要考虑电机调速功能，进而就可以很方便的实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作[6]。

综合考虑，本设计采用方案二直流电机来驱动智能小车。 2.7电源模块的选定

本设计中，需要用到外接电源的有单片机+5V，L298N的输入电压+5~+16V，直流电机+4.6~+7.5V。为给系统提供足够稳定的电压输入，我们选择了大容量锂蓄电池（+12V）为整个系统进行单电源供电，再通过外接的降压模块L7805将12V电压转换为+5V为直流电机和单片机提供各自需要的合适电压。这样的供电电路较为简单，使得小车的机动性和灵活性得到保障；并且在外接电路板上可以引出多根电源线，能够满足小车外部其他功能扩展的供电需求。 2.8 测距单元方案的选定

由于超声波消耗能量缓慢，可以在在介质中传播较远的距离，所以实际中常用超声波来测量

[4]

距离，虽然外界对超声波测距模块的干扰较多，但是可靠性稳定。我们在设计中放置一个超声波传感器在小车的正前方，用来给单片机提供准确的路面障碍物信息，进而单片机可以根据该信息调整小车的运行方向和状态。

故我们选择使用超声波模块进行测距，结合LCD1602将小车距障碍物的距离实时显示出来，可为操作者提供一个直观的印象，为接下来的操作提供依据，并可作为测试小车行驶速度的一个参考。

2.9总体设计框图

经过论证，我们最终确定如下方案：车体购买专用小车，采用STC89C52单片机作为主控单元，采用红外传感器作为避障单元的传感器，采用PT2262、PT2272作为无线遥控单元，采用超声波测距模块和LCD 1602实时显示小车距离障碍物的距离，采用大容量锂电池进行单电源供电。如图2.1是总体设计框图。

[7]

图2.1 总体设计框图

3 硬件设计 3.1 单片机控制单元

本设计采用STC89C52为主控单元，STC89C52是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有 8K 的系统可编程Flash 存储器。在STC89C52芯片内，拥有强大性能的8 位CPU 和系统内可编程闪存，使得嵌入式系统常常选用STC89C52作为多种系统的主控单元。如图3.1是常见的单片机系统图。

图3.1常见的单片机系统

3.2红外避障单元

本单元是为了实现小车遇到障碍物时能够自动做出程序设定的避障动作，从而达到避开障碍物的目的。

我们这里选用的是E18-D80NK光电传感器，发射光经过调制后由发射头发出，接收头对反射光进行解调输出，可有效的避免可见光的干扰。由于加装了透镜，使得检测范围最大可达到80厘米（调节检测距离时可通过调节尾部的电位器旋钮）。传感器接收器正常状态是高电平输出，当检测到障碍物时输出低电平。其电气特性为，U:5VDC，I:100mA，Sn:3-80cm；尺寸为，直径:17mm，传感器长度:45mm，引线长度:45cm。如图3.2是光电传感器实物，如图3.3是光电传感器表示符号。

图3.2 光电传感器实物 图3-3光电传感器表示符号 接收器对外只有3个引脚：Out、GND、Vcc与单片机接口非常方便，其中1脚接单片机的P1.6口，2脚接地，3脚接电源正极。其中：

① 黄线，脉冲信号输出，直接接单片机的IO 口P1.6； ② 黑线，GND接系统的地线（0V）；

③ 红线，Vcc接系统的电源正极（+5V）；

当遇到障碍物时，1口会显示低电平，单片机检测到低电平之后会驱动直流电机做出相应的避障动作。如图3.4是红外避障单元实现原理图。

图3.4 红外避障单元原理图

3.3 无线遥控单元

遥控系统一般包括发射器和接收器两大部分。发射器一般由指令按键、编码调制电路、红外发送二极管等几部分组成。接收器一般包括放大电路、接收电路、指令译码电路、解调电路几部分。我们的无线遥控单元选择使用的是含PT2262编码芯片的发射模块和含PT2272解码芯片的接收模块。如图3.5是无线遥控单元实物图。

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