自动避障小车的设计
近年来，社会科学技术的不断发展，为促进我国机器人的设计和应用做出了较大的贡献。随着人类对于未知空间和不能直接到达地域的探索欲望的升高，为了确保能够在这种限制条件下继续完成科学探索和紧急抢险工作，就需要机器人来协助完成，而机器人在进行无人作业时需要具备自动避障功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生，机器人的自动避障设计和应用极大地促进了人类社会的发展。基于此，本文将自动避障小车作为研究对象，对自动避障小车的整体设计、组装调试工作进行了分析，旨在提高自动避障小车的应用能力。
目录
引言 1
一、自动避障小车的整体设计 2
（一）自动避障小车的车体设计. 2
（二）自动避障小车的系统设计. 2
二、自动避障小车的硬件电路设计. 3
（一）控制模块. 3
（二）避障模块. 4
（三）驱动模块. 5
（四）电源模块. 6
三、自动避障小车的软件设计. 6
（一）超声波发射和接收程序. 6
（二）小车自动避障程序. 7
四、自动避障小车的组装与调试. 8
（一）自动避障小车的组装 8
（二）自动避障小车的调试 9
（三）小车调试中出现的问题 9
总结 10
致谢 11
参考文献 12
附录 13
引言
随着人类科技水平不断提高，对于人类社会的发展具有重要的推动作用。人类为了应对科学探索和紧急抢险中受到的限制，提出了机器人作业的对策。而自动避障小车作为一种移动机器人，其通过传感器感受外界障碍，实现自动避障的目的，以完成科学探索和紧急抢险工作。因此，加强对自动避障小车的设计研究工作，能够提高自动避障小车的应用能力，进而推动机器人科技的进一步应用，促进人类社会的发展。
一、自动避障小车的整体设计
（一）自动避障小车的车体设计
自动避障小车的车体框架设计重点是要做到安全稳定和运行灵活。该车主体为四驱式结构，车体前端的两轮作为驱动轮，后端的两轮作为导向轮，这种结构既能保证自动避障小车的稳定性，又能够保证自动避障小车的灵活性。该 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
车的整体车长：宽：高的设计为2:2:1，保证小车在安装完检测部件后仍能够保持稳定性，同时转弯也不用应用转角半径来推动，能够实现原地转弯，整个车体运行相对灵活[1]。
车体的整体布局设计也十分重要。该自动避障小车的车体主要是基于玩具车而设计的，首先，在小车车头前方安装超声波传感器来检测前方是否有障碍物；其次，在小车的底部安装电池，以降低重心不稳对小车平衡性的影响；最后，小车上的传感器会将探测到的信息通过信号的形式发送到单片机中进行整合，而通过代表标志位的信号来使单片机接收到小车发出的信号以对小车发送相应的命令，使小车实现顺利运行[2]。
（二）自动避障小车的系统设计
该自动避让小车的系统应用由STC公司生产的MCS—51系列的STC89C52单片机作为主控电路的核心芯片，如图11所示，该系统主要分为五个组成部分，由主控电路、超声波探测电路、电源电路、电机驱动电路以及直流电路所组成。整个系统由手动开启小车，小车通过超声波探测电路来进行持续的探测小车与障碍物之间的距离，当超声波在距障碍物60cm时，就会开始向左进行45。的转角，再向前走30cm来通过超声波传感器对周围环境进行实时监测，一旦发现情况就由单片机来控制小车的速度、转弯灯避障行为，而小车在行进中，通过单片机来驱动L298直流电流进行PWM脉宽调制技术的实施，增强小车系统的静动态能力[3]。
图11 自动避障小车的系统结构图
自动避障小车的硬件电路设计
自动避障小车的整体电路如图21所示。本小车的整个硬件系统主要分为控制模块、避障模块以及电机驱动模块[4]、电源模块四大模块。整个硬件电路是以单片机的主控为中心，进而将各部位进行连接（89C52单片机由P1、P2两个端口组成，其与L298直流电机驱动芯片中IN2、IN2这两个输入端口进行连接），单片机利用PWM软件控制信号来输出不同的脉冲，进而控制L298L两个输出端口OUT1、OUT2的输出电平，已达到控制直流电机，进而控制小车向左驱动的结果，而单片机中的P3、P4两个端口与L298的IN3、IN4两个输入端口相连则会控制L298的OUT3、OUT4两个输出端口，进而控制小车向右驱动，实现小车转弯的目的[5]。
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图21 自动避障小车整体电路图
（一）控制模块
控制模块是通过89C52单片机进行控制的，其优点就是质量轻、体积小以及性价比高。该单片机的内部模块相当于一个微型计算机，其将CPU、模拟多路转换器、显示驱动器、中断系统、RAM、ROM、时钟器以及转换器等功能模块整合到一个硅片中形成了一个微型计算机系统，这种单片机具有8位CPU、Flash功能、RAM功能、I/O口线、ROM内置系统、中断结、定时器和计数器、全双工串行口。需要注意的是，如果系统不工作时，其CPU也会停止工作，但其RAM、定时器或计数器、中端结一串行口仍会工作，这时的RAM内容会被存储，但是振荡器会停止，那么整个单片机就会停止，直到硬件继续工作才能使整个单片机运作，89C52单片机集成系统如图22所示[6]。由89C52单片机组成的电路系统，只要将其余时钟电路和复位电路连接就能够实现控制。
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图22 STC89C521集成系统
1.时钟电路
在该系统中要想构成时钟需要通过内部和外部两种方式来形成。本系统中运用内部方式构成时钟，主要方式就是以89C52芯片内部的振荡电路作为依托，通过与其L1、L2两个引脚上进行定时元件的外接工作，组成由外接晶体和内部电容所构成的并联谐振回路，使其引发自激振荡，其中，选择的震荡晶体的频率要保持在1.2到12赫兹之间，因此，本设计选用了8MHZ的震荡晶体以及75pF的电容[7]。
2.复位电路
本设计采用了按钮手动复位方式，其分为电平方式以及脉冲方式。电平复位是将89C52的复位引脚RST经电源VCC和电阻连接达成的，其中对于时钟的频率选为6MHZ，这是C为22UF、RS为200Ω，RK为1KΩ[8]。
避障模块
超声波传感器有三种探测方式，一是通过相位探测来计算传感器发射波和障碍物返回波间的相位判断两者间的距离，二是通过声波幅值探测来计算小车与障碍物间相差幅度判断两者的距离，三是通过渡越时间探测来计算小车与障碍物间的时间误差判断两者之间的距离[9]。超声波的探测原理如图23所示。
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引言 1
一、自动避障小车的整体设计 2
（一）自动避障小车的车体设计. 2
（二）自动避障小车的系统设计. 2
二、自动避障小车的硬件电路设计. 3
（一）控制模块. 3
（二）避障模块. 4
（三）驱动模块. 5
（四）电源模块. 6
三、自动避障小车的软件设计. 6
（一）超声波发射和接收程序. 6
（二）小车自动避障程序. 7
四、自动避障小车的组装与调试. 8
（一）自动避障小车的组装 8
（二）自动避障小车的调试 9
（三）小车调试中出现的问题 9
总结 10
致谢 11
参考文献 12
附录 13
引言
随着人类科技水平不断提高，对于人类社会的发展具有重要的推动作用。人类为了应对科学探索和紧急抢险中受到的限制，提出了机器人作业的对策。而自动避障小车作为一种移动机器人，其通过传感器感受外界障碍，实现自动避障的目的，以完成科学探索和紧急抢险工作。因此，加强对自动避障小车的设计研究工作，能够提高自动避障小车的应用能力，进而推动机器人科技的进一步应用，促进人类社会的发展。
一、自动避障小车的整体设计
（一）自动避障小车的车体设计
自动避障小车的车体框架设计重点是要做到安全稳定和运行灵活。该车主体为四驱式结构，车体前端的两轮作为驱动轮，后端的两轮作为导向轮，这种结构既能保证自动避障小车的稳定性，又能够保证自动避障小车的灵活性。该 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
车的整体车长：宽：高的设计为2:2:1，保证小车在安装完检测部件后仍能够保持稳定性，同时转弯也不用应用转角半径来推动，能够实现原地转弯，整个车体运行相对灵活[1]。
车体的整体布局设计也十分重要。该自动避障小车的车体主要是基于玩具车而设计的，首先，在小车车头前方安装超声波传感器来检测前方是否有障碍物；其次，在小车的底部安装电池，以降低重心不稳对小车平衡性的影响；最后，小车上的传感器会将探测到的信息通过信号的形式发送到单片机中进行整合，而通过代表标志位的信号来使单片机接收到小车发出的信号以对小车发送相应的命令，使小车实现顺利运行[2]。
（二）自动避障小车的系统设计
该自动避让小车的系统应用由STC公司生产的MCS—51系列的STC89C52单片机作为主控电路的核心芯片，如图11所示，该系统主要分为五个组成部分，由主控电路、超声波探测电路、电源电路、电机驱动电路以及直流电路所组成。整个系统由手动开启小车，小车通过超声波探测电路来进行持续的探测小车与障碍物之间的距离，当超声波在距障碍物60cm时，就会开始向左进行45。的转角，再向前走30cm来通过超声波传感器对周围环境进行实时监测，一旦发现情况就由单片机来控制小车的速度、转弯灯避障行为，而小车在行进中，通过单片机来驱动L298直流电流进行PWM脉宽调制技术的实施，增强小车系统的静动态能力[3]。
图11 自动避障小车的系统结构图
自动避障小车的硬件电路设计
自动避障小车的整体电路如图21所示。本小车的整个硬件系统主要分为控制模块、避障模块以及电机驱动模块[4]、电源模块四大模块。整个硬件电路是以单片机的主控为中心，进而将各部位进行连接（89C52单片机由P1、P2两个端口组成，其与L298直流电机驱动芯片中IN2、IN2这两个输入端口进行连接），单片机利用PWM软件控制信号来输出不同的脉冲，进而控制L298L两个输出端口OUT1、OUT2的输出电平，已达到控制直流电机，进而控制小车向左驱动的结果，而单片机中的P3、P4两个端口与L298的IN3、IN4两个输入端口相连则会控制L298的OUT3、OUT4两个输出端口，进而控制小车向右驱动，实现小车转弯的目的[5]。
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图21 自动避障小车整体电路图
（一）控制模块
控制模块是通过89C52单片机进行控制的，其优点就是质量轻、体积小以及性价比高。该单片机的内部模块相当于一个微型计算机，其将CPU、模拟多路转换器、显示驱动器、中断系统、RAM、ROM、时钟器以及转换器等功能模块整合到一个硅片中形成了一个微型计算机系统，这种单片机具有8位CPU、Flash功能、RAM功能、I/O口线、ROM内置系统、中断结、定时器和计数器、全双工串行口。需要注意的是，如果系统不工作时，其CPU也会停止工作，但其RAM、定时器或计数器、中端结一串行口仍会工作，这时的RAM内容会被存储，但是振荡器会停止，那么整个单片机就会停止，直到硬件继续工作才能使整个单片机运作，89C52单片机集成系统如图22所示[6]。由89C52单片机组成的电路系统，只要将其余时钟电路和复位电路连接就能够实现控制。
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图22 STC89C521集成系统
1.时钟电路
在该系统中要想构成时钟需要通过内部和外部两种方式来形成。本系统中运用内部方式构成时钟，主要方式就是以89C52芯片内部的振荡电路作为依托，通过与其L1、L2两个引脚上进行定时元件的外接工作，组成由外接晶体和内部电容所构成的并联谐振回路，使其引发自激振荡，其中，选择的震荡晶体的频率要保持在1.2到12赫兹之间，因此，本设计选用了8MHZ的震荡晶体以及75pF的电容[7]。
2.复位电路
本设计采用了按钮手动复位方式，其分为电平方式以及脉冲方式。电平复位是将89C52的复位引脚RST经电源VCC和电阻连接达成的，其中对于时钟的频率选为6MHZ，这是C为22UF、RS为200Ω，RK为1KΩ[8]。
避障模块
超声波传感器有三种探测方式，一是通过相位探测来计算传感器发射波和障碍物返回波间的相位判断两者间的距离，二是通过声波幅值探测来计算小车与障碍物间相差幅度判断两者的距离，三是通过渡越时间探测来计算小车与障碍物间的时间误差判断两者之间的距离[9]。超声波的探测原理如图23所示。
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