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基于多传感器的智能小车设计
摘要
在本次研究中提出一种多功能智能汽车的设计。STC89C52选为核心控制器，高灵敏度红外传感器是用来实现自动的功能跟踪和避障。由单片机产生的PWM波用于控制车辆速度，通过使用蜂鸣器实现声光报警的光敏电阻和火焰传感器电路，使汽车可以实现自动寻光和火光报警功能。实验显示，该控制方案可靠性好，效率高。这项技术可以应用在许多领域如服务机器人、智能玩具、无人驾驶车辆，性价比高，易于推广和移植，具有广阔的应用前景。
- 概述
随着计算机技术、信息技术和微电子技术的发展，嵌入式系统成为我们日常生活不可或缺的一部分。智能汽车广泛应用于工业制造和汽车制造，现在它变得与我们的日常生活密切相关。毫无疑问，智能汽车的使用是一个不可避免的趋势，这是自动化工业未来的发展方向。因此，设计和智能汽车的发展是一个重要的问题，值得我们研究。这个设计使用嵌入式系统，综合运用控制、模式识别、传感器、电子、计算机、机械和许多其他技术。本文中，多功能智能汽车设计提出了基于多传感器，可以实现自动跟踪、避障、寻光和火光报警功能。考虑到STC89C52高速、高效率、低能耗、低价格和其他方面的优势，本设计选择STC89C52作为主控制芯片。马达使用可以通过PWM调整速度的直流电机。
本设计中的多功能智能电动汽车使用铝和塑料底盘和橡胶的身体轮子。设计通过智能四轮驱动并实现以下功能：
- 自动搜索。使用红外线光电传感器电路，使汽车沿着黑色轨迹，实现自动跟踪功能。
(2)避障功能。使用一个红外对管传感器完成避障功能。当汽车遇到一个障碍,它可以绕开障碍，继续沿轨道运动。
(3)寻光功能。汽车可以通过光敏电阻传感器及其电路实现寻光功能。当小车追踪到光线，将根据光源的方向运动。
(4)火焰检测功能。我们使用火焰传感器探头来探测火灾，使用蜂鸣器实现火灾报警。
- 系统分析
智能车的设计包括寻光光模块、避障模块、搜索模块,火焰检测模块、驱动模块、电源模块和单片机控制模块。寻光模块、避障模块、搜索模块和火焰检测模块作为系统的输入，通过应用控制方案，单片机输出信号控制行驶路线。
- 硬件设计
(1)跟踪模块设计。循迹电路的设计使用五TCRT5000反射红外线光电传感器。传感器采用沿一条直线一次排列的布局，传感器之间间隔1.5厘米，这些传感器距地面的高度大约是1厘米。它们连接单片机P1.0到P1.4 IO口。工作原理是传输管反射红外线光电传感器
发出红外线，当红外光遇到黑色路径，红外线被吸收；当红外光遇到白色路径，红外线被反射回来。这个时候，如果红外线被反射回来，接收管的接收信号将处于开放状态，否则它将处于关闭状态。反射红外光电传感器在不同的路径上收集不同的高低电压信号，然后收集到信号用电压比较器转换成稳定的数字信号传输到单片机进行处理。单片机使用五路信号控制小车，传感器输出模块检测到白色表面时输出高电平；当检测黑色引导线,传感器输出低电平。在使用约40mA的发射电流，没有强烈日光干扰（在有日光灯的房间里）探测距离能达8cm，完全能满足探测距离要求。这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件，当检测到黑线时，由于反射率不高，三极管截止而输出高电平。当检测到白色地面时，由于反射率较高，三极管饱和而输出低电平，从而实现了黑线的检测。
- 避障模块设计。避障使用红外避障模块传感器。本设计中避障也采用红外探测法，将1只红外对管，置于小车的前方，根据接收管接收信号与否来控制小车的运动方向，如果小车接收到信号，则表明前方有障碍物，则小车后退一段时间，然后旋转一个角度避开障碍物，再继续向前行进，对小车后退及转弯的时间进行合理的设置，便可以很好的实现小车的避障功能，因此本设计采用上述方案进行避障。
使用的传感器具有收发一体的功能。检测距离是0~80厘米，检测距离可以根据需求在这个范围内进行自动调整。智能小车避障检测的传感器采用红外反射式传感器ST188。在避障的测试中，室内无障碍的情况下，发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为4. 8V；有障碍物情况下，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测的接收管的电压为0. 5V。判断有无障碍物使用比较器LM311，比较基准电压由30K的变阻器调节。
- 寻光模块设计。寻光电路由光敏电阻、比较器、滑动变阻器、电阻、电容、发光二极管和其他组件组成。光敏电阻是负责收集光信号，利用光敏电阻的特性，当接收到光源辐射时，光敏电阻的电阻值迅速减少。本设计采用两个光敏电阻来检查三个方向的光源。LED1为电源指示灯。LED2和LED3为不同方向的光源指示灯。当前方或左右出现光源时，寻光模块将分别输出00,01,10，单片机将根据输出结果前进，左转或右转。
(4)火焰检测模块设计.此模块使用火焰传感探头，可以检测出的红外光波长范围从760纳米到1100纳米。火焰传感探头的检测角度达为60度,工作电压是5V。检测到火光后火焰探测器将被触发，然后火焰传感器输出的电压信号将通过整形电路整形，再送至单片机进行处。火焰检测的距离可以改变通过调节变阻器来调整。
(5)单片机控制驱动模块设计。系统控制模块使用STC89C52作为核心控制器单片机最小系统。电机采用常见的直流电动机。由于从单片机输出信号能量弱，不能直接驱动外部负载，如马达。所以在实际电路中，根据驱动功率的需求，选择H桥集成电路芯片L298N作为主要的驱动电路，它可以增加输入马达的信号功率。智能小车是四驱车。左边的两个轮子是由左边两个电机控制，两个IO端口可以控制车轮正转或反转。同样的右边的两个轮子是由右边两个电机控制，两个IO端口可以控制车轮正转或反转。小车将根据左右两边车轮的转速前进后退左转或右转。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
L298N是电机专用驱动芯片。该芯片工作电压高，最高工作电压可达46V，输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载。采用标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作。有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。L298N可驱动2个电机，4个输出端2,3,13,14脚之间可分别接电机，5,7,10,12脚接输入控制电平，控制电机的正反转；6,11脚接控制使能端，控制电机的停转。电源和地之间接入去耦电容，在电机线圈两端分别接入二极管进行过流保护，以防在控制电机换向时电流过大而损坏电机。
电动机的转速由单片机调节PWM信号的占空比来实现。PWM即脉冲宽度调制，它是指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比为100%，速度达到最快。
(6)电源模块设计。电源使用7.2 V和2A输出的镍镉电池输出电压通过LM2576- 5.0降压电路，采用此模块单片机和整个系统供电。
- 软件设计
软件设计是系统的重要组成部分。轮子启动之后系统将进行初始化。系统不断扫描信息采集模块。一旦信号采集模块检测到相应信号，系统将执行相应的判断程序。脉宽调制起到调速功能是通过使用定时计数器T0。火焰检测功能使用一个外部中断1 来实现。
电机驱动算法在系统中有着重要的作用，小车在寻迹过程中会根据光电传感器ST188检测到路面状况的输入信号即时调整移动策略，以实现小车的移动。在移动过程中，小车会遇到以下几种情况：前进、左转、右转、后退和停止。小车为四轮驱动，有两个电机控制，每个电机分别可以控制速度和转向。下面就速度和转向问题分别讨论。
小车速度控制:电机的转速由使能端输入的平均电压调节，而平均电压可由定时器0产生的 PWM信号的占空比来调节。定时器0 工作在具有自动重装初值的工作模式。2，初值为0，即每256us定时器0产生一次中断。在定时器0的中断服务程序里面有一个对中断次数进行计数的变量，每次中断时该变量的值会做加1处理，当变量的值大于等于50时清零。一个周期的PWM信号就在变量从0变到50的过程中产生，也即PWM信号的周期是50 X 256us,相应的PWM信号的频率约为78Hz。为了控制电机1和电机2PWM信号的占空比，设置了两个变量，这两个变量的值可以作为控制电机移动函数的参数控制电机的速度。这样就可以改变PWM信号占空比，控制电机的转速。
车转向控制:小车移动中前进比较容易控制，只要让两个电机同时正转即可。控制小车转向时有两种策略，第种是一个电机正转而另一个不转，第二种是一个电机正转而另一个反转。在测试中我们发现采用第一种方法当小车运动时，运动一侧的轮子会带动不运动一侧的轮子迫使小车继续运动。所以我们采用了第二种控制小车转向的方法。
避障算法主要是依据4个光电传感器的返回值。当检测到障碍时会返回数字信号1，当检测到无障碍时会返回数字信号0，系统中根据4个光电传感器返回的数字信息就可以知道小车当前运行的位置，信号经过单片机处理后会控制两个电机进行速度和方向的调整从而控制小车避开障碍绕行。
本设计的系统软件是利用单片机集成开发环境Kei 1 C5l作为平台进行开发的，Rei1 C51集成开发环境相比其他开发环境具有语句生成的汇编代码紧凑，易于理解，并且生成的目标代码效率高等一系列优点。特别是当我们在开发大型软件时与低级语言相比更能体现出高级语言的优势。与汇编语言等其他低级语言相比，c语言更易于学习和使用，这是由于C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上与其他低级语言相比拥有明显的优势，因而如果以前使用过汇编语言开发软件，再使用c语言来开发软件，体会则会更加的深刻。Kei1 C51软件使用全Windows界面，并且为用户提供了功能强大的集成开发调试工具和丰富的库函数，有利于用户进行软件的开发。
- 系统测试
- 循迹测试。自动把车放在有黑色与白色的引导线的地面上，使小车可以沿引导线行驶。转向电机的控制信号输出由单片机的P2.3-P2.6端口产生，P2.1和P2.0端口提供PWM输出和控制L298N使能端。如果工作频率比较高，可以利用丰富的PWM资源使运动更精确。本次实验中最大的空占比为50%。跟踪模块使用五个传感器与单片机的P1.0——P1.4端口连接，形成代表9个位置信息的九个不同的控制字符，首位为标志位，“0”代表着传感器检测相应的黑色踪迹。当传感器的检测结果是“11011”时，小车将直行不会转弯。如果检测结果是“11110”,小车会向右转，使小车将沿黑线行进。电机转速可以通过左转或右转函数改变PWM周期实现。在测试过程中，汽车的行驶方向可以沿黑线的路径调整，做到了自动搜索功能。
- 避障测试。避障传感器放在小车前方，连接单片机的P1端口。使用易拉罐作为障碍放置在行驶路径上。当汽车遇到障碍时，主程序将调用避障子程序使小车绕开障碍继续前进。
- 寻光测试。车前部放置有两个相隔约5 - 6厘米光敏。分别在白天自然光线下和没有光线的暗室中进行试验，使用手电筒作为寻光模块的检测对象，光敏电阻的阻值随小车与光源的距离改变。小车可以根据光源的方位前进后退左转或右转。实验结果表面小车在没有光线的暗室中追踪光线的灵敏度更高。
(4)火焰检测测试。使用一只点燃的蜡烛作为火光的来源。当火焰检测器检测到火焰时火焰检测模块电路输出低电平信号，触发单片机的中断INT1。然后汽车将停止并且蜂鸣器
报警，提升我们发现火的来源。
- 结论
在本次研究中，使用各种传感器完成了智能车设计，来实现自动跟踪、避障、寻光和火光报警功能。我们给出了具体的硬件电路设计和软件设计方案。经过多次测试，实验结果
表明汽车可以自动跟踪黑色引导线。使用单片机PWM功能控制小车转弯的角度。火焰检测
距离和灵敏度可以达到期望的的目标。硬件电路设计具有剪接便携低功耗的特点，所采用的技术对智能小车的设计具有很高的参考价值。
基于室外道路车轮导航的障碍检测和躲避策略
在户外道路环境下，本文提出了利用计算机视觉和图像序列技术进行自主障碍检测和避免土地车辆(ALV)导航的一种有效的方法。判断一个出现在ALV周围的物体是否是一个障碍，首先提取物体边界形状的形状。计算在接下来的时刻ALV的位置，基于坐标变换技术就可以预测下一个时刻位置物体的形状图像。假设物体的高度为零，预测对象形状然后用提取的形状匹配图像中对象的下一个周期来决定是否对象是一个障碍。我们使用一个合理的距离测量
计算两个形状之间的相关性测量形状匹配。最后，一个安全的导航点确定一个转角计算指导ALV避障导航点。成功的导航测试表明，该方法能在室外道路环境有效的障碍检测和避障。
自主陆地车辆(ALV)作为自动化的实际应用在很多室内和室外环境是很有价值的。视觉障碍检测对于ALV导航来说是一个困难和具有挑战性的任务，因为存在着各种各样的物体和道路条件，不规则和不稳定物体的特性，移动的物体，光照的变化，甚至是下雨。成功的ALV导航需要集成环境感知和学习的技巧，如图像处理和特征提取、ALV位置、路径规划、车轮控制等等。这些
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