CN105739498A - 基于单片机控制的智能避障小车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机控制的智能避障小车，包括中央处理器、电源模块、超声传感器模块、红外遥控模块、电机驱动模块和电机，超声传感器模块检测前方的障碍物并返回给中央处理器，红外遥控模块接收用户的控制指令，中央处理器根据超声传感器模块和红外遥控模块的数据向电机驱动模块发送指令，电机连接电机驱动模块，所述电源模块为各模块供电。本发明小车显示了高度的智能化、人性化，并且具备良好的安全性、稳定性，可以为无人驾驶汽车的后续研究提供经验。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种基于单片机控制的智能避障小车。
背景技术
自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想。
其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并做出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。它可以分为三大部分：传感器检测部分、执行部分和CPU。现代智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障功能等基本功能。日前由日本科研人员研发的两款微型机器人汽车与大众见面，汽车内安装有最尖端的视觉识别系统，通过内部的摄像头与传感器能够使小车自动识别障碍物，从而避免碰撞，并判断小车与障碍物之间的距离。
目前研究人员已经将小车的这种自动识别系统应用到汽车工业领域去，这将为陷入低靡的汽车行业注入新的活力。随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、仿生学、材料等相关学科领域的发展，避障小车可以通过自动躲避障碍物在工作中取代人力运输，节省人力以及成本。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种基于单片机控制的智能避障小车，通过设置超声传感器模块来检测前方障碍物，实现自动避障功能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于单片机控制的智能避障小车，包括中央处理器、电源模块、超声传感器模块、红外遥控模块、电机驱动模块和电机，超声传感器模块检测前方的障碍物并返回给中央处理器，红外遥控模块接收用户的控制指令，中央处理器根据超声传感器模块和红外遥控模块的数据向电机驱动模块发送指令，电机连接电机驱动模块，所述电源模块为各模块供电。
所述超声传感器模块包括发射头和接收头，发射头向外发射脉冲声波信号，接收头接受遇到物体后反射的回波。所述超声传感器模块向外发射的脉冲声波信号为40KHz。所述红外遥控模块包括发射装置和接收装置，发射装置通过红外发光二极管LED发射，接收装置将接收的信号进行解调后还原出发射端的信号波形。
所述接收装置包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路和比较器，红外监测二极管把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，将信号送入带通滤波器，通过解调电路和积分电路进入比较高低电平，还原出发射端的信号波形。所述发射装置为陶瓷共鸣器。所述电源模块包括静态电流降低电路和防反接电路。
本发明有益效果是:本发明小车显示了高度的智能化、人性化，并且具备良好的安全性、稳定性，可以为无人驾驶汽车的后续研究提供经验。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本发明的具体实施方式的系统结构图。
图2是本发明的具体实施方式的LM2940电路图。
图3是本发明的具体实施方式的H桥式电机驱动电路。
图4是本发明的具体实施方式的L298N驱动电路。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明的智能小车综合了传感器技术，自动控制技术，信号处理技术，单片机技术，使智能小车能够以最合适的速度自主避障，本发明以STC89C51单片机为控制核心，用单片机产生PWM波，控制小车速度和转向。利用超声传感器不间断对小车前方进行超声检测获得反馈信号，并将该检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断，并及时控制驱动电机的正反转从而实现让小车自助避障的功能。
一种基于单片机控制的智能避障小车，包括中央处理器、电源模块、超声传感器模块、红外遥控模块、电机驱动模块和电机，超声传感器模块检测前方的障碍物并返回给中央处理器，红外遥控模块接收用户的控制指令，中央处理器根据超声传感器模块和红外遥控模块的数据向电机驱动模块发送指令，电机连接电机驱动模块，所述电源模块为各模块供电。
所述超声传感器模块包括发射头和接收头，发射头向外发射脉冲声波信号，接收头接受遇到物体后反射的回波。所述超声传感器模块向外发射的脉冲声波信号为40KHz。所述红外遥控模块包括发射装置和接收装置，发射装置通过红外发光二极管LED发射，接收装置将接收的信号进行解调后还原出发射端的信号波形。
所述接收装置包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路和比较器，红外监测二极管把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，将信号送入带通滤波器，通过解调电路和积分电路进入比较高低电平，还原出发射端的信号波形。所述发射装置为陶瓷共鸣器。所述电源模块包括静态电流降低电路和防反接电路。
本发明的智能避障小车包括以STC89C51单片机为核心的中央处理器、电源模块、超声传感器模块、红外遥控模块和电机驱动模块。本发明主要利用超声传感器检测周围障碍物，经过单片机控制，使用直流电机作为驱动的自动避障的智能小车系统。以达到小车在行驶过程中实现自动避障的目的。这里的避障是指小车在自己运动的状态下可以自动检测到前面的障碍物。在小车的车前安装有一块HC-SR04超声传感器模块，该传感器模块有一个发射头，和一个接收头，发射头会向外发射40KHz的脉冲声波信号，接收头接受遇到物体后反射的回波。在小车向前运动时，发射头以一定频露发射该脉冲信号，如果没有检测到回波，前面没有障碍物，小车继续向前运动；如果接受头检测到有回波，说明前面有障碍物，则小车执行相应的避障程序，进行避障。单片机根据采集到的信号的不同状态判断小车当前状态，通过对电机驱动发出控制命令，控制电机的工作状态，来保证小车运行速度；通过控制电机正反转使小车转弯，以保证小车在行驶过程中实现避障。
本发明的超声波测距模块可以提供0.3cm-150cm的非接触式距离感测功能，包括超声发射器、接收器与控制电路。当该超声波测距模块连接电源后，模块本身每10ms进行一次信号的发射与接收，当完成测距后，以串口的形式输出距离值。
红外遥控模块包括发射装置和接收装置，由于发射装置一般用电池供电功耗要很低，芯片大多都可以工作在休眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗芯片足够的耐物理撞击能力，本发明选用陶瓷共鸣器。红外线通过红外发光二极管LED发射出去，红外发光二极管内部材料和普通发光二极管不同，在其两端它发出的是红外线而不是可见光。
红外信号接收装置为一体化集成装置，内部电路包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较高低电平，还原出发射端的信号波形。输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高一体化红外接收头。
STC89C51使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C51具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个5向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz。
本发明智能小车采用7.4V，1500mA锂电池供电，单片机正常工作电压为5V，为使单片机正常工作，可使用LM2940和LM7805搭建5V供电电路。但是LM2940比7805的转换效率更高，在7805直接输入而不接输出的情况下，它的内部还会有3mA的电流消耗(静态电流)，而LDO元件的静态电流就比它远小得多，LM2940就是一个LDO(LDO元件为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2V～3V，否则不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出的压差只有1.7V，显然是不满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。)LM2940/2940C还含有一个静态电流降低电路，当输入输出压差超过3V时，可以减少地电流。在输出电流为1A或输入输出压差为5V时，静态电流仅为30mA.此外，该电路内还设有防反接电路，防止输入电压反接对电路造成损害。最后采用LM2940为单片机及传感器供电。
直流电机是智能小车制作必不可少的组成部分，它主要作用是为系统提供必须的驱动力，用以实现其各种运动。本发明对小车的速度要求不高，因此选用减速直流电机。如图3所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要，如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极，此时电路中除了三极管外没有其它任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制)，甚至烧坏三极管。基于上述原因，在驱动电路中要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个使能导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧都只有一个三极管导通。
采用以上方法，电机的运转只需要三个信号控制，两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机，如图3所示；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0。那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
如图4所示，为L298N驱动电路，L298N内部的组成其就是上述H桥驱动电路，该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V，输出电流大，瞬间峰值可达3A，持续工作电流为2A；额定功率为25W。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机和步进电机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个用控制端，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。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机和四相步进电机，也可以两台直流电机。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于单片机控制的智能避障小车，其特征在于,包括中央处理器、电源模块、超声传感器模块、红外遥控模块、电机驱动模块和电机，超声传感器模块检测前方的障碍物并返回给中央处理器，红外遥控模块接收用户的控制指令，中央处理器根据超声传感器模块和红外遥控模块的数据向电机驱动模块发送指令，电机连接电机驱动模块，所述电源模块为各模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能避障小车，其特征在于，所述超声传感器模块包括发射头和接收头，发射头向外发射脉冲声波信号，接收头接受遇到物体后反射的回波。
3.根据权利要求2所述的基于单片机控制的智能避障小车，其特征在于，所述超声传感器模块向外发射的脉冲声波信号为40KHz。
4.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能避障小车，其特征在于，所述红外遥控模块包括发射装置和接收装置，发射装置通过红外发光二极管LED发射，接收装置将接收的信号进行解调后还原出发射端的信号波形。
5.根据权利要求4所述的基于单片机控制的智能避障小车，其特征在于，所述接收装置包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路和比较器，红外监测二极管把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，将信号送入带通滤波器，通过解调电路和积分电路进入比较高低电平，还原出发射端的信号波形。
6.根据权利要求4所述的基于单片机控制的智能避障小车，其特征在于，所述发射装置为陶瓷共鸣器。
7.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能避障小车，其特征在于，所述电源模块包括静态电流降低电路和防反接电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160706 |