一款基于超聲波控制的智能小車避障系統(tǒng)設計摘要隨著社會的不斷發(fā)展進步，科研創(chuàng)新的不斷進步。新技術給人民帶來了更加舒適智能的生活體驗。汽車作為現代人不可缺少的一部分，在人們的生活中扮演著非常重要的角色。但隨著生活品質的提高，私家車的數量越來越多交通問題也越來越讓人頭疼。隨著智能汽車的不斷發(fā)展，智能車也慢慢進入人們的生活，輔助駕駛，緊急避讓等等一系列的新技術已經運用到相當大的一部分車型中。可以說人工智能逐漸成為未來汽車的發(fā)展趨勢。此次設計了一款基于超聲波控制的智能小車避障系統(tǒng)，本設計以超聲波傳感器和STC89C51單片機作為智能小車的核心器件。通過超聲波傳感器發(fā)射信號，控制電機實現小車的自主避障功能。傳感器通過距離檢測模塊，檢測障礙物與小車本體的距離。同時設定一個固定值，當測距模塊探測到距離小于固定值，即發(fā)射信號給單片機。單片機再傳達信號給電機進行轉向。在設計中綜合運用了大學時期學習的單片機相關知識，結合學習的超聲波測距模塊，對所學習的知識進行了系統(tǒng)的整合。關鍵詞：超聲波；單片機；測距；自主避障； 目錄TOC\o"1-2"\h\u258981緒論 緒論課題背景及意義隨著社會的不斷進步，科學技術不斷發(fā)展?？萍冀o人民帶來更加便捷的生活體驗，更是國家科技興國的大勢所趨。智能小車是以單片機為主導控制的一種智能機器人，無需人的駕駛控制自主的進行測量，避讓等動作。作為世界大國，我國需要在科技領域占據領導地位。對一些人員參與危險的項目，我國逐漸發(fā)展起無人機器人代替人去執(zhí)行一系列的危險任務。所以這時候就需要智能小車達到能夠安全，迅速，實時的功能。在一些不易測量的環(huán)境下，智能避障系統(tǒng)系統(tǒng)就顯得尤為關鍵。本次設計就是通過超聲波來完成的智能避障，由于超生波的指向性很強，消耗能量比較小，在空氣介質中較為穩(wěn)定。超聲波還具有不受檢測對象顏色，光線是否強烈的因素，在夜間也可以運用的優(yōu)點。并且還有維護少，壽命長，不污染等等優(yōu)勢，因此超聲波被廣泛的運用在計算距離。這次設計的最主要意義就是通過超聲波智能避障系統(tǒng)，讓小車在檢測到危險距離時能夠自主主動的進行避讓。運用到現實生活中，我們知道幾乎所有的汽車都有倒車雷達，我們的超聲波測距模塊也是其中的一部分。目前有部分新型智能汽車配備了輔助駕駛模式，當系統(tǒng)設別到車輛可能偏離車道時可提醒駕駛員或介入轉向系統(tǒng)及時調整行車路線。在駕駛人員疲勞駕駛時，并且出現突發(fā)狀況時智能避障系統(tǒng)就能迅速的接管車輛的控制權達到合理避讓，避免出現交通事故。在各種危險的領域，比如說溶洞探測，煤礦運輸等等人員較為危險的領域。運用好智能小車，就能減少一線員工的危險系數，在其他場合中危險的路段勘測，都能體現出智能的優(yōu)勢所在。在汽車產業(yè)，這幾年我國正在全力趕上。目前，我國智能汽車市場穩(wěn)步發(fā)展。盲區(qū)監(jiān)測、疲勞預警、遠近光燈輔助、自適應巡航等環(huán)節(jié)在智能汽車中的占比較大。2020年，智能汽車市場規(guī)模相對增速較低，主要是由于受疫情等多重因素影響，中國汽車市場放緩。隨著智能技術在汽車領域的不斷應用，我國智能汽車市場規(guī)模將不斷增長。中商產業(yè)研究院預測，2021年我國智能汽車市場規(guī)模將達827億元，2022年將進一步達到1012億元。我國在智能、5G等領域處于世界領先水平，從智能汽車領域的發(fā)展來看，我國市場空間廣闊。數據顯示，2021年1-11月，全國汽車銷量2348.9萬輛，同比增長4.5%，增幅比1-10月均繼續(xù)回落19個百分點[1]。汽車銷量的同比增長表明我國汽車消費需求依然旺盛，預計將促進我國智能汽車行業(yè)發(fā)展。1.2國內外發(fā)展現狀隨著超聲波傳感器和單片機的發(fā)展，通過超聲波避障系統(tǒng)已經發(fā)展到眾多的領域。近十年以來，我國在一批學者的研究分析下已經達到了國際先進水平。童峰提出了最小均方延時估計算法，卜英勇等通過回波信號提出了基于小波包括原理的峰值檢測方法等等。目前，國內學者對超聲波信號處理的算法已經成熟，但在超聲波測距方面仍有不少受制于歐美發(fā)達國家。但在超聲波探頭硬件方面美國仍然遙遙領先，我們國產的低功率超聲波探頭一般不能探測超過三十米以上的距離，而美國AIRMAR公司生產的AR30作用距離可以達到五十米以上。現階段我國的科研人員在發(fā)射電路，最大發(fā)射距離的提高方面取得了一定的成果。但在超聲波換能器的材料，制造發(fā)生機原理等方面的研究尚不全面。存在的常見問題比如超聲波波速不恒定，回波信號的指數式衰減，混合信號的干擾仍然在超聲波測距領域是個難題。1.3應用方向超聲波測距作為非接觸式檢測技術因為他的成本較低受外界影響較小，不受燈光視線天氣的影響的優(yōu)勢被廣泛運用在液位測量，移動機器人的定位和避障，汽車的輔助駕駛防撞功能上。在汽車防撞方面隨著汽車數量的不斷增多，汽車的安全問題被人們和車企所關注。伴隨著時速越來越快公路的快速便捷，對駕駛員的駕駛技術要求越來越高。但是人們的精神不能保證時時刻刻的高度關注，容易造成安全事故造成不幸。各大車企關注到了這一點，通過在車前車后安裝超聲波測距儀來達到輔助駕駛的目的。比如說轎車在斜后方安裝測距模塊，通過電路傳輸到車載電腦，駕駛員就可以在駕駛位觀察到右后方或者左后方存在汽車。再比如倒車影像，原來的汽車沒有倒車雷達停車時需要一個人下車指揮，現在只需要通過超聲波傳感器就能實時觀察到后方是否有障礙物。所以在汽車方面運用超聲波模塊極大地提高了行車的安全性。在機器人避障方面，機器人通過傳感器得到自身位置以及障礙物位置，然后通過單片機的控制去合理的避開障礙物。2系統(tǒng)整體方案設計2.1系統(tǒng)總體方案本次智能小車設計我準備采用c52單片機去控制，控制超聲波模塊和電機系統(tǒng)。超聲波模塊檢測到障礙會傳遞信號給單片機，單片機接收到信號會傳遞給電機做出相應動作。硬件部分分為兩個部分，超聲波控制部分包括有電源模塊，測距模塊，報警模塊（蜂鳴器），數碼管。電機驅動部分包括電機，穩(wěn)壓電路，電機驅動。模塊圖如圖2-1所示。2.2系統(tǒng)模塊設計本系統(tǒng)按功能主要分為兩個模塊，分為測距模塊和驅動模塊。首先，測距模塊的超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波遇到障礙物會反射信號至測距模塊，測距模塊傳遞信號給單片機，單片機分析距離是否小于最小安全距離。如果小于最小安全距離，單片機給蜂鳴器一個電平，控制報警電路報警。同時單片機給驅動模塊信號，由電機驅動控制電機的正反轉，以及左轉右轉。2.3測距模塊選擇目前智能小車測距模塊主要分為超聲波測距，或者紅外線測距。超聲波測距的優(yōu)點是不受光線時間的干擾，在復雜的情況下也能可靠安全的進行作業(yè)，而且相比較于紅外線測距，距離更加遠。所以此次設計我采用超聲波測距模塊來實現小車的功能。2.4報警模塊選擇報警模塊即警報電路，當超聲波測距模塊進行距離計算計算出距離小于預先設定的安全距離值時，單片機給蜂鳴器一個電平，控制蜂鳴器進行動作。這個警報電路由一個蜂鳴器，電阻，以及三極管組成。電路較為簡單，也方便后期調試。2.5驅動模塊選擇本次驅動模塊采用的是L298D驅動電機，它是SGS公司生產的產品。內部含有4通道驅動電路，可以驅動兩個兩相電機。它的最高輸出電壓為36v.電路相對較為簡單，使用比較方便容易購買到。3硬件設計3.1單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括電源電路，復位電路，時鐘電路，晶振電路等。外圍電路包括數碼顯示，蜂鳴器，液晶顯示等。最小系統(tǒng)圖如圖3-1所示圖3-1最小系統(tǒng)圖3.2STC89C52型單片機介紹3.2.1STC89C52單片機概述STC89C52是一種性能較高COMOS8的微處理器，它是由STC公司生產的，它帶有8K字節(jié)閃爍的可編程也可檫除的只讀存儲器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，俗稱單片機。它使用的是MCS-51內核，該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。3.2.2工作原理STC89C52各引腳功能如下：VCC：芯片的電源斷，一般接+5V電壓。GND：接地端。XTAL1：反向放大器的輸入端。XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端。此設計采用片內時鐘震蕩方式，在引腳之間添加電容，取20p的電容。P0口：即P0.0～P0.7（Pin39～Pin32），輸入輸出腳，可用于8位并行I/O口或分時復用為地址和數據總線。P0口作為輸出口時，每個引腳可以負載8個TTL；在外擴存儲器時，可定義為低8位地址/數據線；P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載；在對片內Flash編程時，P0口可以接受字節(jié)代碼，在程序校驗的時候它會輸出字節(jié)代碼，但在程序校驗期間應該外接一個上拉電阻。P1口：P1口是一個雙向I/O接口，可以接收到4個TTL柵電流輸出。P2口：P2口是8位雙向I/O口。能負載4個TTL，P2口寫“1”時，作為輸入。P3口：即P3.0～P3.7，輸入輸出腳，它是8位準雙向并行輸入輸出口。P3口內部已經具有上拉電阻的8位標準雙向I/O口，能負載4個TTL。EA/Vpp："EA"是ExternalAccess（外部訪問）的縮寫，意思是訪問外部代碼，低電平時進行動作。ALE/PROG：表示啟動地址鎖存器的信號。RESET：STC89C52的復位引腳，高電平時動作，要對晶片進行復位時，電平保持2個機器周期的高電平。TC89C52便能完成系統(tǒng)重置的各項動作。PSEN：意思是程序儲存啟用，當EA不動作時，會送出此信號來獲得程序代碼。3.3避障小車配件介紹3.3.1亞克力底盤本次購買的配件主要有：亞克力底盤一個，萬向輪一個，塑料輪胎兩個。前面放置一個萬向輪，普通輪胎放置在后側。小車的底盤規(guī)格是長25厘米，寬為15厘米。小車的實物圖如圖3-3所示：圖3-3小車底座3.3.2步進電機 L293D驅動電機支持4.5-36V的微型電機驅動集成電路芯片，最大輸出電流為1A。空轉電流為0.1-0.2A，采用的是強扭力抗干擾電機。本次設計時速無一定要求，使用1：120的電機，5V電壓。3.3.3復合晶體管此次小車使用的是ULN2003高耐壓，大電流復合晶體管陣列，它是由七個硅NPN的復合晶體管組成。每一對達林頓都與一個2.7k的基極電阻所串聯(lián)。在5V的工作電壓下可以直接處理數據。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。實物如圖3-4所示：圖3-43.3.4超聲波測距儀US-1OO超聲波測距模塊它的工作電壓為2.4-5.5V，靜態(tài)電流2mA，工作溫度在零下20攝氏度到70攝氏度，在工作中能很好的適應溫度環(huán)境。它的感應角度為小于15度，探測距離為2-450厘米，探測精度為0.3cm。可以勝任智能小車的測距功能。實物如圖3-5所示：圖3-5從實物圖我們可以看到超聲波測距儀的五個管腳，我們將它從左至右依次編號為1，2，3，4，5它們的作用如下所示：1號：接VCC電源。2號：在異步收發(fā)接收器模式時，接外部電路的TX端。當為電平觸發(fā)模式下接外部電路的TRIG端。3號：在異步收發(fā)接收器模式時，接外部電路的RX端。當為電平觸發(fā)模式下接外部電路的ECHO端。4號，5號：為外部電路的接地端口。通過分析測距儀在相同的溫度下的電平觸發(fā)測距時序圖我們發(fā)現回響電平寬度只與距離有關，兩者成正比關系。由此我們將聲速算為340m/s，那么測得的距離為（高電平時間*340）/2。3.3.5穩(wěn)壓管介紹本次設計采用的是7805穩(wěn)壓電路，它具有過壓保護，過流保護，過熱保護的功能。常見的三端穩(wěn)壓集成電路分為兩種分別是正電壓輸出的78系列和負電壓輸出的79系列。三端穩(wěn)壓電路的意思就是具有三條引腳，分別對應的是接地端輸入和輸出端。但穩(wěn)壓管受溫度影響較大，當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至產生燒毀的風險。4系統(tǒng)軟件設計4.1軟件開發(fā)環(huán)境本次設計的開發(fā)軟件使用的是Keilc51,他是由美國的KeilSoftware公司生產研發(fā)的單片機c語言開發(fā)軟件系統(tǒng)。當前C語言源程序變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的代碼有兩種方式，一種是匯編，另一種即Keil軟件。此軟件具備C編譯器，宏匯編，連接器，庫管理和一個強大的仿真調試器組成一個集成開發(fā)環(huán)境。當用于編輯C時，分別由C51編譯器編譯生成目標文件通常為OBJ格式，然后OBJ文件與庫文件一起通過連接生成絕對目標文件通常為ABS格式，再通過轉換變?yōu)槌绦虼鎯ζ骺梢允褂玫臉藴饰募?。如圖4-1所示。圖4-1軟件開發(fā)環(huán)境4.2軟件總體結構本次單片機控制系統(tǒng)采用將整個部分分割為若干的模塊，通過對單片機的控制，然后由單片機進行輸出，便于對整體進行控制生產。這樣進行分割有很多好處，比如便于程序進行調試，一個模塊能在多個任務不同的不同條件下打開等優(yōu)勢，條理更加的清晰。超聲波測距采用的是電平觸發(fā)方式，主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置TO工作模式為16位的定時器模式，及計數初值,然后通過超聲波發(fā)射出一串40kHZ的方波。由于采用12MHZ的晶振，機器周期為1us,當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器TO的數(即超聲波來回所用的時間)按公式計算可測得被測物體與測距儀之間的距離，測出距離后結果在液晶屏顯示，然后再循環(huán)進行下一次距離的測量?？驁D如圖4-2所示。4.3測距子程序超聲波發(fā)射子程序在P1.1(為例)口產生40kHZ方波脈沖寬度約12us,作為超聲波發(fā)射器的輸出信號。一旦接收到超聲波返回信號后(INT0引腳出現低電平),就立即進入中斷程序。進入中斷程序后就立即關閉定時器，TO停止計時，并將接收到的標志位為1,,然后在主函數里調用計算距離公式，在顯示出來。流程圖如圖4-3所示。圖4-2圖4-34.4驅動軟件的設計根據提前設定好的避障規(guī)則，當智能小車直線行駛時超聲波傳感器感測到前方有障礙物時，立即計算出小車與障礙物之間的距離d，如果d<dc(dc為事先約定好的預設值)，小車自動復位這時候要加一個延時防止反向電壓對電路板進行沖擊。電機控制驅動左轉一定距離，現規(guī)定為800MS的距離。距離的算法如下首先算出1us聲波能走多遠的距離1s=1000ms=1000000us，340/1000000=0.00034米0.00034米/1000=0.34毫米，也就是1us能走0.34毫米。但是，我們現在計算的是從超聲波發(fā)射到反射接收的雙路程，所以我們將計算的結果除以2才是實際的路程。程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4程序流程圖5調試與誤差分析5.1安裝小車根據商家提供的安裝視頻一步一步進行組裝焊接，首先檢查元器件的好壞，如果出現元器件損壞的情況及時進行反饋，防止焊接后不方便處理。本次安裝也是比較順利在進行飛線時合理利用實習單位的剝線鉗，錫壺，熱縮套等工具將焊接部分比較容易的展現出來。在元器件焊接好了之后我們需要確保他的每一條線路的通暢。我首先選擇使用萬用表進行調試，第二步為加電檢查，當系統(tǒng)加電時，首先檢查所有插座或器件引腳的電源端是否有符合要求的電壓值，接地端電壓值是否接近零，接固定電平的引腳端是否電平正確。在進行超聲波傳感器與單片機連接線時我發(fā)現萬用表示數為零。我立即進行排查，發(fā)現剝線鉗將保護層內部的銅絲剪斷導致接觸不到。然后重新進行接線，終于小車成功焊接完成。組裝完成圖如5-1所示。圖5-15.2系統(tǒng)調試根據商家提供的軟件燒寫工具，將提前準備的控制電機正反轉的程序燒錄進去，確定電機正反轉正常。此時遇到一個小問題兩個電機控制輪胎的運行方向相反導致了小車一直原地打轉。仔細觀察程序發(fā)現沒有問題，這時排查到小車的電機控制端口雖然按照視頻教學的方式進行鏈接，但是我結合綜合考慮將左邊步進電機的控制真反轉端口互相調換，隨后小車正常直線行駛。此時程序的難題在于前進不能走直線的時候，調節(jié)程序defineForward_L_DATA處的數值。如果兩邊取得數值相同的情況下，小車還是向左或者右偏轉。說明此時電機馬達轉速過快，將數值合理調節(jié)小車即可以直線行駛。接下來將事先寫好的程序燒錄進單片機中看功能是否可以實現。雖然調試時遇到了一些問題但在指導老師的幫助下小車最終能實現避障的功能。5.3誤差分析超