基于智能循迹避障小车的超声波传感器方案设计研究

摘 要：在计算机科学技术迅猛发展的形势下，汽车智能引起了人们的极大关注和重视，随着嵌入式技术的普及和发展，汽车智能系统中的自动化技术不断加深，相关研究人员都在致力于研究智能小車的开发设计，基于智能循迹避障小车的研究和设计是集环境感知、规划决策、自动行驶于一体的综合自动化系统，它主要采用单片机装置、红外传感器及超声波传感器装置等，较好地实现自主避障功能。

关键词：汽车智能；循迹避障小车；超声波；传感器；设计

随着汽车智能的研究程度的加深，基于智能循迹避障小车的研究和设计也在不断深入，采用单片机、红外传感器和超声波传感器的智能循迹避障小车，可以较好地实现对小车运行位置、运行状态、周边环境的实时测量，并在各个相关装置的自动化处理条件下，实现对小车的智能自主控制，包括道路障碍的自动辨识、自动报警、自动保持安全距离、自动保持车速、巡航自动控制等。该系统具有电路结构简单、可靠性强、便于移植和推广的特点。

一、智能循迹避障小车的总体方案设计

智能循迹避障小车主要是单片机为核心控制芯片，并进行不同模块的总体设计，其具体相关模块主要包括有：红外循迹避障模块、超声波测距模块、电机驱动模块、Wifi无线模块、显示电路模块。

智能循迹避障小车的工作模式可以采用遥控模式和自动功能两种模式，具体来说：遥控模式是在打开电源的前提下，通过对小车无线遥控（蓝牙）的控制，可以实现相应的自动控制功能。自动功能是依赖于小车的避障功能进入自动化的状态，可以由人工确定各种不同的工作状态，具有更为人性化的设计，实现在不同环境下的人为控制，具有智能的特点。

二、智能循迹避障小车的硬件及软件设计

（一）电机驱动模块设计

智能循迹避障小车主要是四驱型小车，各自携带有驱动电机，并设置有电机控制输出端口及转向控制舵。在这个模块之中，以电机的驱动芯片和直流电机为核心，实现对智能小车的自动控制。它主要是由Wifi模块接收指令，由芯片对指令进行数据解析，然后将解析后的数据指令分发到不同的电机驱动芯片之中，实现智能小车的左、右转向的运动。

（二）智能小车超声波测距模块设计

智能循迹避障小车可以选用HC-SR04超声波模块，它主要是利用发射器发射的超声波信号，经由物体反射再由具有压电效应的换能器接收，当这种具有压电效应的换能器接收到长约6mm、频率为40kHz的超声波信号时，则会产生mV级的微弱电压信号，该模块就是利用超声脉冲回波渡越时间法，来达到信号测距的效果和目的。其原理如下图所示：

利用上述超声波传感器的应用原理，可以进行如下计算：假设超声波脉冲由传感器发出到接收的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则可以采用I/O口TRIG触发测距，给出不低于10us的高电平信号，测出传感器到目标物体的距离。

测试距离=（高电平时间×声速）/2

该超声波传感器测距模块可以自动发送8个40kHz的方波，并自动检测返回的信号，当检测到有信号返回时，由I/O口ECHO输出一个高电平，由这个高电平信号持续的时间，可以获悉超声波从发射到返回的时间。

（三）显示电路模块设计

它主要是采用两片4位八段数码管，作为显示电路模块的显示器，可以分别显示出超声波传感器的实测距离和当前的电源电压。

智能循迹避障小车的软件设计可以选用Keil、Protues软件等，提供丰富的库函数，并具有功能极为强大的集成开发调试工具，充分体现出高级语言的优势，具有较强的可读性、结构性和可维护性。

三、智能循迹避障小车的设计程序实现

（一）主程序实现

这主要是对主控芯片各个功能部件的自动控制和操作，是一种初始化的操作，包括系统各个模块的初始化操作，如：电源电压显示模块的初始化、红外感应模块的初始化、超声波传感器的初始化等。

（二）电机驱动程序实现

它主要是利用红外光电传感器对光线的感应原理而实现，通过驱动四个电机，以实现对智能小车的运行状态控制。包括小车的前进、后退、左转、右转等操作。

（三）超声波测距实现

它主要是利用VCC引脚作为超声波模块的电源支持，在主控芯片的TTL触发信号传输进入到TRIG引脚之后，可以产生8个40kHz周期电平，并发出声波信号，当检测到有回波信号时，ECHO引脚会向主控芯片发送高电平回响信号，实现对智能小车的超声波测距。

由此可见，这种经济实用的智能循迹避障小车以单片机为控制核心，以超声波传感器，实现对路面障碍的检测，可以使智能小车自动避障，实现不同速度的行驶，并具有自动寻迹和寻光的功能、自动记录行驶时间、里程和速度的功能，具有极为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]雷钢，王宏远.基于AVR单片机的控制系统设计[J]. 计算机与数字工程，2006（11）.