自動(dòng)避障小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 1緒論1.1研究背景和目的隨著科技的發(fā)展，人們越來越依賴自動(dòng)化設(shè)備的使用。在現(xiàn)代工業(yè)中，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為一種不可缺少的技術(shù)手段，可以提高工作效率，降低成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。而在日常生活中，自動(dòng)化設(shè)備也得到了廣泛應(yīng)用，如自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)銀行柜員機(jī)等等。自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，使得人們開始關(guān)注自動(dòng)化領(lǐng)域中“無人駕駛”技術(shù)。其中，自動(dòng)駕駛小車作為無人駕駛技術(shù)的代表，受到了越來越多的關(guān)注。自動(dòng)駕駛小車是一種具有自主感知、自主決策、自主控制的機(jī)器人系統(tǒng)。它通過激光雷達(dá)、超聲波傳感器等感知裝置，可以實(shí)時(shí)掌握環(huán)境及行駛路線等信息，并通過計(jì)算機(jī)將這些信息進(jìn)行處理和分析，最終控制小車的方向、速度和行駛路線等。因此，自動(dòng)駕駛小車的發(fā)展已經(jīng)成為了自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在自動(dòng)駕駛小車的發(fā)展過程中，安全性始終是一個(gè)關(guān)鍵問題。因此，我們提出了一個(gè)以自動(dòng)避障為主要功能的小車系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有自動(dòng)駕駛小車在遇到復(fù)雜環(huán)境時(shí)容易出現(xiàn)誤差或發(fā)生事故的問題。具體地，我們會(huì)通過安裝相關(guān)的傳感裝置，建立小車行駛時(shí)的三維環(huán)境模型，利用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信息的實(shí)時(shí)感知，并在小車發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)自動(dòng)剎車或選擇繞道行駛，保證行駛的安全性和穩(wěn)定性。在保證安全的前提下，我們還會(huì)加入音響設(shè)備和視頻設(shè)備等裝置，實(shí)現(xiàn)與用戶的互動(dòng)，提高用戶的使用感受。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其中，自動(dòng)避障小車的應(yīng)用日益普及，逐漸成為多個(gè)行業(yè)的熱門話題。下面將介紹自動(dòng)避障小車在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。1.2.1國外研究現(xiàn)狀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，一些國外的自動(dòng)避障小車，比如美國的Kiva機(jī)器人、瑞典的AGV自動(dòng)駕駛運(yùn)輸車，經(jīng)過多年的技術(shù)研究創(chuàng)新，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高精度定位、智能分析及規(guī)劃等高級人工智能技術(shù)，完全實(shí)現(xiàn)了智能化運(yùn)營。轉(zhuǎn)型升級：許多全球企業(yè)已投資銳意研發(fā)，加快智能制造、智能物流的轉(zhuǎn)型升級。比如蘋果公司在2016年底曝光的“ProjectTitan”自動(dòng)駕駛汽車項(xiàng)目就堅(jiān)持自主研發(fā)，采用3D成像技術(shù)大幅度提高激光雷達(dá)速度，以保障車輛加速、制動(dòng)過程的安全高效。細(xì)分市場化：當(dāng)前國外自動(dòng)避障小車已經(jīng)有了較完整的產(chǎn)品線，可以根據(jù)行業(yè)特性和應(yīng)用場景進(jìn)行功能的選擇，進(jìn)一步細(xì)分市場。比如，在美國大規(guī)模流程化物流場景中應(yīng)用，比如亞馬遜的倉庫內(nèi)物流管理。在瑞典等國的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上主要應(yīng)用，提升生產(chǎn)效率和工作場所安全等。示范應(yīng)用：眼下國外自動(dòng)避障小車已經(jīng)在不同領(lǐng)域具備了一定的示范應(yīng)用，例如德國極具代表性的APAS汽車配件生產(chǎn)廠商是AGV小車的用戶之一，其在車間的應(yīng)用，可安全地將原來需要人工操作的常見物料提取、搬運(yùn)和分發(fā)工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀行業(yè)大數(shù)據(jù)：當(dāng)前國內(nèi)自動(dòng)化制造和智能物流正邁入大數(shù)據(jù)時(shí)代，引導(dǎo)企業(yè)在設(shè)備、組織、管理上進(jìn)行升級。在菜鳥驛站業(yè)務(wù)中，大批量的訂單會(huì)導(dǎo)致運(yùn)力瓶頸，在安全無障礙的情況下，無人駕駛小車的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。改善物流效率：由于出行限制等原因使人工歸程困難，物質(zhì)并無法避免配件從一處到另一處的運(yùn)輸，利用自動(dòng)駕駛小車完成在整個(gè)物流流程中的短途搬運(yùn)，使物流更加順暢。小批量生產(chǎn)：在人工成本越來越高的情況下，一些面向小、微企業(yè)的生產(chǎn)商，向低成本、低設(shè)計(jì)、低技術(shù)的方案傾斜，它成為無人物流小車幫助有限.交通工程實(shí)驗(yàn)室：自動(dòng)駕駛小車也成為交通工程實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)研究方向之一，將模擬自動(dòng)駕駛小車在特定場景下的運(yùn)行環(huán)境，為自動(dòng)駕駛小車的規(guī)范化運(yùn)營提供技術(shù)支撐。綜合而言，自動(dòng)避障小車不斷地通過技術(shù)研究創(chuàng)新，不斷的實(shí)現(xiàn)自主化、全面智能化，在生產(chǎn)、物流等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用也越來越廣泛。雖然和國外企業(yè)相比，國內(nèi)市場還缺乏一些應(yīng)用上的知識和研究資源，但我們有理由相信，隨著我國技術(shù)的不斷提高和市場應(yīng)用的推廣，自動(dòng)避障小車將成為一個(gè)嶄新領(lǐng)域，助力各個(gè)行業(yè)提升生產(chǎn)效率和管理水平。1.3.研究內(nèi)容自動(dòng)避障小車是一種通過高級人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自動(dòng)避障、智能物流等功能的小車，是智能制造、智能物流等領(lǐng)域中的重要代表。其應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了工業(yè)制造、物流管理、快遞配送、醫(yī)療服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域。避障與導(dǎo)航：自動(dòng)避障小車必須能夠在移動(dòng)過程中自主感知周圍環(huán)境，并據(jù)此規(guī)劃合理路徑，避免與障礙物發(fā)生碰撞。因此，避障算法、路徑規(guī)劃算法是研究的重點(diǎn)。充電問題：自動(dòng)避障小車使用過程中，需要解決充電問題。為此，研究人員正在探索如何在自動(dòng)避障小車移動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)充電和換電。智能化物流：自動(dòng)避障小車在智能物流方面展現(xiàn)出巨大潛力。智能物流的核心是物流信息化和精細(xì)化管理，因此研究人員正在探索如何利用自動(dòng)避障小車實(shí)現(xiàn)柔性的生產(chǎn)調(diào)度、精細(xì)的物流管理和定制化的服務(wù)。人機(jī)交互：自動(dòng)避障小車的適用性越來越廣泛，需要在用戶與自動(dòng)避障小車之間建立穩(wěn)定的交互機(jī)制。建立一種有效簡單的界面，使得用戶可以清晰的理解小車的工作狀態(tài)，控制小車按需執(zhí)行相應(yīng)工作，不斷優(yōu)化和改善用戶體驗(yàn)。自動(dòng)避障小車技術(shù)正不斷提高，不斷應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，成為智能制造和智能物流領(lǐng)域中的重要代表，同時(shí)也面臨著許多需要解決的問題。未來，我們可以期待自動(dòng)避障小車技術(shù)不斷更新，帶來更加完美的智能體驗(yàn)，與我們的生活更加相伴。2功能與設(shè)計(jì)方案PAGEII2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)的功能要求自動(dòng)避障小車是一種在運(yùn)行過程中可以自動(dòng)避開障礙物的智能小車，它廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸，家庭清潔，安保巡邏等領(lǐng)域。自動(dòng)避障小車的主要功能是檢測周圍環(huán)境，準(zhǔn)確判斷障礙物位置和大小，快速響應(yīng)并采取避讓措施，保障行駛安全和穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)下列功能：自主避障。當(dāng)小車檢測到障礙物時(shí)，應(yīng)自動(dòng)判別并避開障礙，同時(shí)避免撞上其他物體，確保安全。定位精準(zhǔn)。小車應(yīng)具有精確的定位功能，可以利用激光測距等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在復(fù)雜環(huán)境下也能夠準(zhǔn)確定位。靈敏的傳感系統(tǒng)。小車應(yīng)該具備各種傳感器，如雷達(dá)、紅外線感應(yīng)等，可以不斷地感知周圍的環(huán)境變化，確保小車動(dòng)作靈敏、故障率低?？删幊炭刂啤Ｐ≤噾?yīng)該有可編程控制系統(tǒng)，在不同的情況下可以根據(jù)需要自行進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)不同的任務(wù)需求可以靈活地進(jìn)行調(diào)整和控制。持久的電池壽命。小車應(yīng)該具有長時(shí)間的電池壽命，可以支持長時(shí)間運(yùn)行，充電后的電量應(yīng)該足夠支持小車完成預(yù)設(shè)任務(wù)。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本章節(jié)將對自動(dòng)避障小車控制系統(tǒng)做一個(gè)全面的立體的設(shè)計(jì)方案的介紹。自動(dòng)避障小車是一種基于機(jī)器人技術(shù)的智能設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航和障礙物避開等功能。自動(dòng)避障小車的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：處理器模塊、傳感模塊、執(zhí)行模塊和電源模塊。1.處理器模塊處理器模塊是自動(dòng)避障小車的核心部件，其主要功能是運(yùn)行避障算法、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航和控制小車的運(yùn)動(dòng)方向和速度等。處理器模塊可以選擇單片機(jī)作為核心控制芯片。2.傳感模塊傳感模塊是自動(dòng)避障小車用于收集環(huán)境信息的部件，其包含多種傳感器，例如超聲波傳感器、紅外傳感器、光電傳感器等。超聲波傳感器可以用于測量障礙物與小車的距離，紅外傳感器可用于檢測地面黑線或邊緣，光電傳感器則可以用于檢測亮度或顏色等。3.執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊是自動(dòng)避障小車的執(zhí)行部件，其主要功能是根據(jù)處理器模塊的指令控制小車的行進(jìn)方向和速度等。執(zhí)行模塊包含多種馬達(dá)、電機(jī)和舵機(jī)等設(shè)備。4.電源模塊電源模塊是自動(dòng)避障小車的供電部件，其需要為整個(gè)硬件系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。電源模塊包含電池或電源適配器等設(shè)備。自動(dòng)避障小車的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要解決的關(guān)鍵問題如下：1.傳感器的選型和部署：傳感器的類型和布局對于小車的性能和精度有很大的影響。2.控制算法的優(yōu)化：如何優(yōu)化控制算法，使小車能夠更快、更精確地實(shí)現(xiàn)避障功能。3.電源管理：如何優(yōu)化電源管理，延長小車的使用時(shí)間和壽命。自動(dòng)避障小車的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需要考慮多個(gè)模塊的選擇和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)性能和精度的平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要結(jié)合軟件算法和人機(jī)交互等方面進(jìn)行優(yōu)化和升級，以滿足不同的需求。本自動(dòng)避障小車控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成示意圖，如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)框圖根據(jù)上面的程序流程框圖，做出了下面的詳細(xì)介紹：單片機(jī)（Microcontroller）是一種集成了處理器、存儲器和各種輸入輸出接口的芯片，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算、控制、通信等多種功能。它通常用于嵌入式系統(tǒng)中，如家電、智能家居、工控設(shè)備、汽車電子等領(lǐng)域。因其具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。電源模塊是一種將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的裝置，通常由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等組成。它主要用于為各種電子設(shè)備或系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源，能夠有效地過濾干擾和噪聲信號，并通過穩(wěn)壓電路保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。電源模塊的質(zhì)量對于電子設(shè)備的性能和可靠性影響很大，目前市場上有多種不同功率和規(guī)格的電源模塊可供選擇。（3）壓力傳感器可以有效的檢測衣物的重量以及水位的信息，它讓洗衣機(jī)控制系統(tǒng)變得更加智能化、自動(dòng)化。按鍵模塊是一種集成了按鍵開關(guān)、信號處理等功能的電子元件，通常由多個(gè)按鍵組成。它可以用于控制各種電子設(shè)備或系統(tǒng)的操作，如菜單選擇、功能開關(guān)等。按鍵模塊的設(shè)計(jì)與制造對于產(chǎn)品的人機(jī)交互性和可靠性有著重要作用，要求具有輕巧、易用、抗震動(dòng)和耐久等特點(diǎn)。目前市場上有多種不同形狀和規(guī)格的按鍵模塊可供選擇，常用于電子儀器、工控設(shè)備、家電等領(lǐng)域。超聲波模塊是一種常用的測距傳感器，通過發(fā)射超聲波并探測其反射信號來實(shí)現(xiàn)測距。它通常由發(fā)射器和接收器兩部分組成，可測量距離遠(yuǎn)近、速度和方向等信息。超聲波模塊具有測量范圍廣、精度高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、智能家居、汽車輔助駕駛、物資監(jiān)管等領(lǐng)域。市場上有多種不同型號和規(guī)格的超聲波模塊可供選擇，用戶可根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的產(chǎn)品。顯示模塊是一種用于在設(shè)備屏幕上顯示圖像、文字、動(dòng)畫和其他信息的電子元件。它通常包括液晶顯示器和控制電路，可以接收計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備傳輸?shù)男盘柌⑵滢D(zhuǎn)換成可視化內(nèi)容。顯示模塊廣泛用于電腦、手機(jī)、電視、廣告牌、汽車娛樂系統(tǒng)等各種電子設(shè)備中，是現(xiàn)代科技領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。舵機(jī)模塊是一種用于控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和角度的電子元件。它通常包括電機(jī)、減速器、控制電路、位置反饋傳感器等部件，可以接收計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備傳輸?shù)男盘柌粗付ń嵌刃D(zhuǎn)電機(jī)。舵機(jī)模塊廣泛用于機(jī)器人、航空模型、遙控車、無人機(jī)等領(lǐng)域中，是實(shí)現(xiàn)精確控制和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要組成部分。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是一種用于控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電子模塊，它可以通過控制電流或電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)與操作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊廣泛應(yīng)用于工控自動(dòng)化、家電家居、機(jī)器人等領(lǐng)域，是提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率和實(shí)現(xiàn)智能化的重要組成部分。2.3器件方案對比2.3.1控制器選擇對于自動(dòng)避障小車的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要選擇一款合適的單片機(jī)作為核心控制器，以實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定運(yùn)行和避障功能。在眾多單片機(jī)品牌型號中，STC89C52和STM32F103是比較常見的兩種選項(xiàng)。下面將對這兩種單片機(jī)的基本情況、特點(diǎn)及選擇原因進(jìn)行詳細(xì)的比較和分析，最終確定最適合本設(shè)計(jì)的單片機(jī)。（1）STC89C52和STM32F103基本情況STC89C52是STC公司生產(chǎn)的基于8051內(nèi)核的單片機(jī)，集成有16KB閃存和0.5KBRAM，具有高性價(jià)比、易學(xué)易用、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，適用于各種嵌入式應(yīng)用和控制領(lǐng)域。STM32F103是ST公司生產(chǎn)的基于ARMCortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)，具有高速、低功耗、多功能等特點(diǎn)，適用于各種高端嵌入式應(yīng)用和控制領(lǐng)域。該單片機(jī)集成有64KB閃存和20KBRAM，擁有更大的存儲空間和更強(qiáng)的計(jì)算能力。（2）STC89C52和STM32F103特點(diǎn)比較a性能STM32F103具有更高的時(shí)鐘頻率和更高的數(shù)據(jù)處理速度，可以支持更復(fù)雜的任務(wù)和更高的精度要求。而STC89C52則適合一些較為簡單的控制任務(wù)和低成本產(chǎn)品。b系統(tǒng)復(fù)雜度STM32F103的架構(gòu)比STC89C52要復(fù)雜，需要更高的編程能力和更專業(yè)的開發(fā)工具。而STC89C52則可以使用較為簡單的開發(fā)工具和易于學(xué)習(xí)的編程語言進(jìn)行開發(fā)。c成本STC89C52是一款性價(jià)比很高的單片機(jī)，價(jià)格相對較低，適合一些低成本的項(xiàng)目。而STM32F103則較為昂貴，適合一些高端應(yīng)用場景。d電源STC89C52可以在較低的電壓下工作，使用的電源比較簡單。而STM32F103則需要更高的電壓來支持其高功耗特性。e兼容性由于STC89C52使用基于8051內(nèi)核的架構(gòu)，因此部分應(yīng)用場合具有良好的兼容性，可以使用大量現(xiàn)有的8051單片機(jī)的代碼。而STM32F103則需要使用新的開發(fā)工具和軟件，不具備這種兼容性。對于自動(dòng)避障小車項(xiàng)目而言，需要一個(gè)具備穩(wěn)定性和低成本的單片機(jī)來進(jìn)行控制。雖然STM32F103具有更高的性能和更強(qiáng)的計(jì)算能力，但在這個(gè)項(xiàng)目中使用它對性能的提升并不是必須的，而它的高成本使得它在這個(gè)項(xiàng)目中并不是最好的選擇。相比之下，STC89C52具有無需更高電壓，較低的成本和良好的兼容性等特點(diǎn)，非常適合在這個(gè)項(xiàng)目中作為核心控制器使用。在選擇適合特定應(yīng)用場景的單片機(jī)時(shí)，需要考慮多種因素，比如成本、性能、系統(tǒng)復(fù)雜度、兼容性等。在這個(gè)自動(dòng)避障小車項(xiàng)目中，通過對STC89C52和STM32F103進(jìn)行比較，最終選擇STC89C52作為最佳單片機(jī)，能夠滿足項(xiàng)目的需求。2.3.2超聲波模塊選擇自動(dòng)避障小車是一個(gè)能夠自主感知環(huán)境并避免障礙物的智能小車，其中超聲波模塊是實(shí)現(xiàn)距離測量的關(guān)鍵。在選擇超聲波模塊時(shí)，需要考慮到測量范圍、測量精度、可靠性、價(jià)格等因素。M41T00和HC-SR04是兩款常用的超聲波模塊，二者有著明顯的差異。首先，M41T00采用的是非接觸式測量技術(shù)，適用于不同形態(tài)的目標(biāo)，具有防水防塵等特點(diǎn)，在某些特殊環(huán)境下可以發(fā)揮優(yōu)勢。而HC-SR04則采用超聲波回波測量技術(shù)，適用于空氣中的距離測量。其次，從測量范圍和精度兩個(gè)方面來比較，M41T00可以測量的范圍可達(dá)12米，精度在1%以內(nèi)，而HC-SR04的測量范圍為2厘米至4米，精度為3mm。相比較而言，M41T00的測量能力更加強(qiáng)大，但是對于小型的自動(dòng)避障小車，HC-SR04的測量范圍和精度已經(jīng)足夠滿足需求。此外，M41T00的價(jià)格要高于HC-SR04，根據(jù)具體項(xiàng)目預(yù)算，不同成本的選擇可能會(huì)不同。同時(shí)，HC-SR04還擁有廣泛的應(yīng)用場景和大量的技術(shù)資料，使得其使用起來更加方便?？紤]到以上因素，選擇HC-SR04作為超聲波模塊是合適的。雖然M41T00具有一些特殊的功能和優(yōu)勢，但其價(jià)格高并且對于小型自動(dòng)避障小車的測量需求已經(jīng)不再必要。選擇HC-SR04可以滿足基本的距離測量需求，且其價(jià)格實(shí)惠、易于操作，適合初學(xué)者使用。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精確的測試和校準(zhǔn)，以保證超聲波模塊的準(zhǔn)確性和可靠性。2.2.3舵機(jī)模塊選擇舵機(jī)作為機(jī)器人、無人機(jī)等機(jī)械系統(tǒng)的核心之一，扮演著至關(guān)重要的角色。在舵機(jī)型號選擇的過程中，不同的舵機(jī)有著不同的特點(diǎn)和適用范圍，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。在本章小結(jié)中，將從SG90和MG995兩個(gè)型號角度來比較這兩種舵機(jī)的不同，最終選擇一款合適的型號用于自動(dòng)避障小車的設(shè)計(jì)。SG90舵機(jī)：SG90舵機(jī)是一種常見的微型舵機(jī)，它是最常用的舵機(jī)之一，價(jià)格便宜，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人機(jī)等各種機(jī)電系統(tǒng)中。它的精度和承載能力較小，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180度。在控制時(shí)需要外接電路，工作電壓為5V。雖然在承載能力和精度方面不如其他舵機(jī)型號，但在適用于小型機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等方面，SG90具有很好的性價(jià)比。MG995舵機(jī)：與SG90相比，MG995舵機(jī)的承載能力和精度都更高。它最大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度也為180度，但其控制精度比SG90更高。MG995舵機(jī)在機(jī)器人、航模等領(lǐng)域應(yīng)用較多，尤其適用于需要承受較大負(fù)載的系統(tǒng)。然而，MG995舵機(jī)比SG90更加昂貴，通常價(jià)格在2-3倍。在自動(dòng)避障小車的設(shè)計(jì)中，我們考慮到系統(tǒng)需要有較高的反應(yīng)速度和控制精度，同時(shí)由于小車需要移動(dòng)，承載能力也是很重要的。從這幾個(gè)角度來看，MG995舵機(jī)是一種比SG90舵機(jī)更為合適的選擇，但考慮到價(jià)格因素，并且SG90也可以滿足我們的精度要求，最終選擇了SG90舵機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以通過搭配多個(gè)SG90舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制和可靠運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到與MG995舵機(jī)相當(dāng)?shù)男Ч?。此外，由于SG90舵機(jī)的價(jià)格相對較低，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中也更加靈活，可以為我們的小車增加更多的可操作性。舵機(jī)選擇是自動(dòng)避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在不同的應(yīng)用場合下，我們需要根據(jù)實(shí)際需求選擇適合的舵機(jī)型號。在SG90和MG995兩種舵機(jī)中，最終選擇SG90舵機(jī)作為自動(dòng)避障小車的舵機(jī)型號，這既可以滿足我們的要求，又可以在價(jià)格上節(jié)省不少成本，具有很高的性價(jià)比。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STC89C52單片機(jī)STC89C52是一種基于8051微型控制器架構(gòu)的單片機(jī)，由STC公司生產(chǎn)。它具有高性價(jià)比、低功耗、易學(xué)易用等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛于電子產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中。STC89C52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由存儲器、計(jì)算機(jī)、I/O口、時(shí)鐘/定時(shí)器、串行通信接口、中斷系統(tǒng)以及模擬輸出等模塊組成。其中，存儲器模塊包括ROM(只讀存儲器)和RAM(隨機(jī)存儲器)。ROM用于存儲程序代碼，而RAM用于存儲數(shù)據(jù)和棧。計(jì)算機(jī)模塊包括ALU(算術(shù)邏輯單元)和ACC(累加器)，用于執(zhí)行基本的算術(shù)邏輯操作。I/O口則用于連接輸入輸出設(shè)備，例如LED燈、按鍵、電機(jī)和傳感器等。時(shí)鐘/定時(shí)器則為系統(tǒng)提供了時(shí)鐘和定時(shí)器功能，能夠提高單片機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。串行通信接口可以實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的通信，例如通過USART與PC通信。中斷系統(tǒng)是非常重要的，因?yàn)樗軌蛟诓挥绊懼鞒绦蛘＿\(yùn)行的情況下，及時(shí)響應(yīng)外部事件。模擬輸出模塊則可以將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成模擬量，控制電機(jī)的速度等。STC89C52單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，例如智能家居、工控系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域。在自動(dòng)避障小車中，STC89C52單片機(jī)也是非常重要的，它可以對小車進(jìn)行控制、處理傳感器數(shù)據(jù)、進(jìn)行避障判斷等功能。同時(shí)，STC89C52單片機(jī)的操作也非常簡單，可以通過Keil等軟件進(jìn)行編寫和調(diào)試，給開發(fā)者帶來了很大的便利，下圖就是STC89C52單片機(jī)的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示：圖3.1單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖STC89C52單片機(jī)的引腳口功能如下：P0口：8位雙向I/O口，可作為控制信號輸入/輸出口。P1口：8位雙向I/O口，可作為控制信號輸入/輸出口。P2口：8位雙向I/O口，可作為控制信號輸入/輸出口。P3口：8位雙向I/O口，可作為控制信號輸入/輸出口。EA口：外部中斷允許控制，可用于控制中斷輸入。ALE口：地址鎖定控制，可用于控制片內(nèi)ROM和RAM的地址輸入。PSEN口：片內(nèi)ROM讀控制，可用于控制片內(nèi)ROM的讀取。XTAL1口：外部系統(tǒng)時(shí)鐘輸入。XTAL2口：外部系統(tǒng)時(shí)鐘輸出。以上是STC89C52單片機(jī)的引腳口功能，其中P0口至P3口可用于控制小車的各種功能，例如馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)、燈光控制、傳感器數(shù)據(jù)處理等；EA口可用于控制中斷輸入，讓小車在遇到障礙物時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)；XTAL1口和XTAL2口則可用于控制系統(tǒng)時(shí)鐘輸入輸出，保證小車的穩(wěn)定性和精度。在本系統(tǒng)中單片機(jī)的實(shí)際接線情況如圖3.2所示：圖3.2STC89C52RC芯片的實(shí)際接線圖3.2L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是一種常用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它可以輸出一個(gè)方向控制信號，可用于驅(qū)動(dòng)雙向直流電機(jī)。在自動(dòng)避障小車中，L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的作用非常重要，因?yàn)樾≤囆枰ㄟ^電機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的工作原理是：控制信號（通常為PWM信號）經(jīng)過模塊內(nèi)部的邏輯電路處理后，驅(qū)動(dòng)芯片將控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機(jī)電壓輸出。通過調(diào)節(jié)PWM信號的寬度和頻率，可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以大大提高電機(jī)控制的可靠性和效率。通過使用L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，我們可以更加精準(zhǔn)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，避免了電機(jī)受損或者出現(xiàn)不可預(yù)料的故障。同時(shí)，L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊還可以通過輸入電壓的控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的防堵轉(zhuǎn)和制動(dòng)等功能，提高了自動(dòng)避障小車的性能和使用壽命。L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在本系統(tǒng)中的實(shí)際接線圖如圖3.3所示：圖3.3L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)際接線圖3.3LM2596電源模塊在本系統(tǒng)中電源模塊使用的是LM2596穩(wěn)壓器，LM2596是一種常用的升降壓轉(zhuǎn)換器，可以將一個(gè)輸入電壓轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓，十分適用于自動(dòng)避障小車等電子設(shè)備中的電源管理。它將輸入電壓通過開關(guān)管進(jìn)行周期性開關(guān)，使得輸入電流不斷變化，進(jìn)而在輸出端產(chǎn)生一個(gè)平均電壓。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)頻率和占空比，可以實(shí)現(xiàn)不同的電壓轉(zhuǎn)換。LM2596的意義在于它可以實(shí)現(xiàn)高效率、可靠的電源管理。自動(dòng)避障小車等電子設(shè)備的電源對于其功能和性能有著至關(guān)重要的影響，而LM2596的使用可以確保電源的穩(wěn)定、可靠，同時(shí)減少能量的浪費(fèi)。特別是在一些場景下，如電池供電的情況下，LM2596更是能夠保證電池的使用壽命和供電穩(wěn)定性，更好地保障了設(shè)備的正常運(yùn)行。LM2596電源模塊在本系統(tǒng)中的實(shí)際接線情況如圖3.4所示：圖3.3LM2596電源模塊實(shí)際接線圖3.4顯示模塊0.36英寸四位共陽數(shù)碼管一種常用的七段數(shù)碼管，常常用于數(shù)字顯示。它由七個(gè)發(fā)光二極管組成，每個(gè)發(fā)光二極管可以顯示數(shù)字0~9中的一個(gè)。該數(shù)碼管采用共陽極電路，其工作原理與普通的七段數(shù)碼管相似，只是其引腳的電平狀態(tài)與普通七段數(shù)碼管相反。在工作時(shí)，當(dāng)某個(gè)數(shù)字需要被顯示時(shí)，電路會(huì)將對應(yīng)數(shù)字的信號輸出到數(shù)碼管的七個(gè)引腳上，使得相應(yīng)的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。此外，0.36英寸四位共陽數(shù)碼管還需要在通電時(shí)加入一定電阻限制電流，避免過大電流損壞發(fā)光二極管。在自動(dòng)避障小車中，0.36英寸四位共陽數(shù)碼管可以根據(jù)實(shí)際的使用場景顯示電池電量等數(shù)字信息，幫助用戶更好地了解小車的運(yùn)行狀態(tài)。該數(shù)碼管具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。0.36英寸四位共陽數(shù)碼管在本自動(dòng)避障小車的控制系統(tǒng)中的實(shí)際接線圖如圖3.4所示：圖3.40.36英寸四位共陽數(shù)碼管3.5原理圖和PCB繪制在本設(shè)計(jì)的原理圖繪制和PCB的制作時(shí)，我們使用了AltiumDesigner，它是一種PCB設(shè)計(jì)軟件，并且被廣泛用于電子零件和電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。該軟件由澳大利亞公司AltiumLimited開發(fā)，提供了完整的設(shè)計(jì)解決方案，與BOM管理、射頻電路仿真、板級電路仿真等功能集成，為電路板設(shè)計(jì)提供了卓越的支持。AltiumDesigner的界面友好、易于使用，它的特點(diǎn)在于它的客戶端設(shè)計(jì)，突出了電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的實(shí)時(shí)性和效率，同時(shí)提供了完美的多個(gè)項(xiàng)目管理方式，它還支持進(jìn)行一些基礎(chǔ)功能的協(xié)同工作和實(shí)時(shí)協(xié)作，比如3D瀏覽器查看、數(shù)據(jù)修改等功能，并且能夠提供各種的主板布局算法，可以讓用戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)。作為一種多功能PCB設(shè)計(jì)軟件，AltiumDesigner的優(yōu)點(diǎn)有很多。首先，它能夠幫助用戶迅速創(chuàng)建多層電路板。這是因?yàn)樗哂蟹浅?qiáng)大的底層行為描述能力和快速布線嵌入式功能。其次，它支持從原理圖轉(zhuǎn)換為布局、驗(yàn)證、調(diào)整和生成BOM。同時(shí)，該軟件還配備了強(qiáng)大的仿真引擎，包括原理仿真和PCB仿真，并提供了電磁仿真模塊。此外，AltiumDesigner還支持集成模塊，包括SignalIntegrityModule、PowerIntegrityModule、ActiveRoute和MCAD等模塊。這些模塊可用于在更高的水平上優(yōu)化電路板飛線、信號完整性和干擾抑制等要素。最后，該軟件還能夠與第三方工具集成，并提供版本控制和流程管理功能。這些功能極大地提升了電路板設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。隨著電子產(chǎn)品的日益復(fù)雜化，AltiumDesigner已成為一個(gè)不可或缺的工具。無論是從產(chǎn)品質(zhì)量還是設(shè)計(jì)效率方面來看，它都是電路板設(shè)計(jì)過程中的翹楚。雖然相對于其他PCB設(shè)計(jì)軟件來說，該軟件的學(xué)習(xí)曲線有些陡峭，但只需要一定時(shí)間的練習(xí)，便會(huì)發(fā)現(xiàn)它的使用非常便捷，而且它幾乎可以適用于所有需要進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)的項(xiàng)目?？傊?，AltiumDesigner是一種非常強(qiáng)大的PCB設(shè)計(jì)軟件，通過提供完整的設(shè)計(jì)解決方案、強(qiáng)大的仿真引擎、集成模塊、與第三方工具集成、版本控制和流程管理等功能，為用戶提供了卓越的支持。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹Keil5是一款集成開發(fā)環(huán)境（IDE）軟件，主要用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和編程。它支持幾乎所有的51單片機(jī)和ARM處理器，具備完善的工具鏈和示例程序庫。Keil5提供了編輯、編譯、匯編、調(diào)試等多種功能，同時(shí)還可以進(jìn)行仿真模擬和Flash編程。該軟件擁有友好的用戶界面和便捷的工具欄，可以幫助工程師高效開發(fā)，并具有以下特點(diǎn)：1.多種語言支持：Keil5支持多種語言開發(fā)，包括C、C++、匯編等語言，適用于各種開發(fā)項(xiàng)目。2.強(qiáng)大的調(diào)試功能：Keil5提供了強(qiáng)大的調(diào)試功能，包括硬件仿真和軟件仿真，可以幫助工程師查找程序中的錯(cuò)誤和故障。3.示例程序庫：Keil5還擁有豐富的示例程序庫，可以幫助工程師快速編寫和調(diào)試程序。4.支持多種編譯器：Keil5支持多種編譯器，包括ARM編譯器、C51編譯器等，可以滿足各種不同編程需求?？傊?，Keil5是一款功能強(qiáng)大、易于使用的嵌入式系統(tǒng)IDE軟件，可以幫助工程師高效完成各種嵌入式項(xiàng)目的開發(fā)和編程。Keil5的軟件界面如4.1圖所示：圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程為確保本設(shè)計(jì)能夠順利完成，在初期筆者先繪制了軟件流程圖，并根據(jù)此圖進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，主程序流程運(yùn)行框圖，如圖4.2所示:圖4.2主邏輯流程圖4.2.2超聲波模塊流程超聲波測距模塊通常有四個(gè)引腳：VCC（電源正極）、GND（電源負(fù)極）、TRIG（觸發(fā)信號輸出）和ECHO（回波信號輸入）。一般情況下將VCC引腳連接到控制板的5V或3.3V電源引腳上。將GND引腳連接到控制板的GND引腳上。將TRIG引腳連接到控制板的數(shù)字輸出引腳上。將ECHO引腳連接到控制板的數(shù)字輸入引腳上。需要注意的是，超聲波測距模塊的觸發(fā)信號需要一個(gè)5V的脈沖，因此需要將數(shù)字輸出引腳設(shè)置為輸出模式，將信號置為高電平，等待一段時(shí)間后再將信號置為低電平?；夭ㄐ盘柕妮斎雱t需要一個(gè)帶有時(shí)間戳的數(shù)字引腳，以計(jì)算回波信號的時(shí)間差，從而確定距離。具體運(yùn)行邏輯如下圖4.2所示。圖4.2超聲波測距流程圖5系統(tǒng)的測試PAGE23 5系統(tǒng)的測試5.1軟件硬件調(diào)試自動(dòng)避障小車系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試包括以下幾個(gè)方面：1.硬件調(diào)試：包括電路連接、電源供應(yīng)、傳感器安裝位置、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的檢查和調(diào)整。在調(diào)試過程中需要使用萬用表、示波器等工具進(jìn)行測試，確保電路和設(shè)備工作正常。2.軟件編程：包括控制算法的設(shè)計(jì)和程序的編寫，需要根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整小車的速度和方向，以實(shí)現(xiàn)避障功能。在編寫程序時(shí)需要詳細(xì)了解硬件設(shè)備的特性和工作方式，同時(shí)也需要進(jìn)行代碼測試和優(yōu)化。3.實(shí)時(shí)調(diào)試：包括對系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)調(diào)整，以保證小車能夠穩(wěn)定運(yùn)行和正確避障。在調(diào)試過程中需要注意傳感器數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性，以及盡可能避免干擾和誤判。4.實(shí)際測試：需要對小車進(jìn)行實(shí)際測試，測試小車的避障能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。在測試過程中需要注意安全問題，避免小車與人或其他物體發(fā)生碰撞?？傊?，自動(dòng)避障小車系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試需要耐心和技巧，并且需要不斷優(yōu)化和調(diào)整，以達(dá)到最佳效果。5.2實(shí)物展示經(jīng)過了多維度的調(diào)試，本系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，下面是自動(dòng)避障小車的實(shí)物照片，如圖5.1所示：圖5.1自動(dòng)避障小車控制系統(tǒng)實(shí)物圖當(dāng)小車在正常行駛中遇到障礙物時(shí)，超聲波傳感器將會(huì)檢測到障礙物的信號并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)隨即發(fā)送停車的指令，如圖5.2所示：

圖5.2小車遇到障礙物圖結(jié)論結(jié)論隨著科技的不斷進(jìn)步，自動(dòng)避障小車系統(tǒng)成為了一個(gè)備受關(guān)注的高科技項(xiàng)目。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要結(jié)合硬件、軟件和實(shí)時(shí)調(diào)試，以確保小車的最佳性能。在本文中，我們探討了自動(dòng)避障小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，包括硬件設(shè)備、軟件編寫和實(shí)時(shí)調(diào)試。在硬件設(shè)備方面，HC-SR04和STC89C52以及SG90舵機(jī)是核心組件。HC-SR04超聲波傳感器可實(shí)現(xiàn)小車的距離檢測，STC89C52單片機(jī)則能夠?qū)π≤囘M(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，SG90舵機(jī)適用于調(diào)整小車的方向和速度等。在軟件編寫方面，我們需要特別考慮硬件特征和設(shè)備操作方式，以實(shí)現(xiàn)小車的實(shí)時(shí)控制、調(diào)整方向和速度等功能。這需要進(jìn)行多次測試和優(yōu)化，以確保小車的穩(wěn)定運(yùn)行，避免遇到一些可能的錯(cuò)誤。在實(shí)時(shí)調(diào)試和參數(shù)調(diào)整過程中，我們需要根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的參數(shù)，及時(shí)的調(diào)整參數(shù)和硬件設(shè)備，以保證小車的自主避障。綜上所述，自動(dòng)避障小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要特別注意硬件設(shè)備、軟件編寫和實(shí)時(shí)調(diào)試等因素。只有通過不斷的優(yōu)化和測試，我們才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自主避障能力，相信這一技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢和應(yīng)用前景，將為我們的生活帶來更多的便利和創(chuàng)新。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]潘振華,王江,范藝超,等.一種汽車自動(dòng)避障系統(tǒng):,CN216942982U[P].2022.[2]袁毅,何旭.基于無人機(jī)視覺的電力巡檢線路安全距離自動(dòng)診斷方法[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2022,44(10):192-195.[3]杜文圣,王睿晗.葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真[J].2022(6).[4]鄭云峰,于俊迪.基于改進(jìn)人工勢場法的船舶自動(dòng)避障系統(tǒng)研究[J].船舶物資與市場,2022,30(7):5.[5]楊甜甜,蘇治寶,劉進(jìn),等.多移動(dòng)機(jī)器人避障編隊(duì)控制[J].2022(9).[6]程思源,王超,王新宇.行駛裝置的避障路徑的規(guī)劃方法和裝置:,CN113960996A[P].2022.[7]楊海,高山峻,許文斌,等.電力巡檢機(jī)器人自動(dòng)避障與軌跡規(guī)劃系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化與儀表,2020,35(8):5.[8]王曉東,魏成保,劉義德,等.一種適用于變電站巡檢機(jī)器人的自動(dòng)循跡避障方法:,CN110703784A[P].2020.[9]王一凡.車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能車輛的避障策略研究[D].江蘇大學(xué),2020.[10]奚德寶.自動(dòng)行駛掃地機(jī)的避障方法:,CN108814434A[P].2018.[11]賈照麗,題園園,陳曉穎,等.機(jī)器人避障技術(shù)在物流分揀行業(yè)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)器人產(chǎn)業(yè),2023(1):4.[12]凌濤.基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能消防小車自動(dòng)避障預(yù)警系統(tǒng)[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2022,18(1):5.[13]丁明亮.基于機(jī)器視覺的智能小車自動(dòng)循跡及避障系統(tǒng)[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（引文版）工程技術(shù),2022(3):4.[14]王磊磊,王仿,郝道爭.一種可自動(dòng)避障的RGV小車:,CN216332406U[P].2022.[15]趙婉琪.一種自動(dòng)避障智能機(jī)器人:,CN114532896A[P].2022.[16]王漢武.一種自動(dòng)避障式割草機(jī):,CN216438010U[P].2022.[17]郭會(huì)芹,陳龍濤.自動(dòng)避障消殺機(jī)器人:,CN115328123A[P].2022.[18]馬素軍,張強(qiáng).一種無人機(jī)自動(dòng)避障裝置