四轮小车自动避障系统设计

时间：2024-05-04

杜俊杰，胡思琪，伍冯洁，郑振勤，邓柏锋

（1.广州大学机械与电气工程学院，广东广州 510006；2.广州大学电子与通信工程学院，广东广州 510006；3.广州大学实验中心，广东广州 510006）

0 引言

在四轮小车设计过程中，避障系统的设计是非常关键的一环[1]。精准灵敏的避障系统将使小车实现快速无障碍的自主行走，而灵敏度低、误差大的避障系统将导致小车在行进过程中多走弯路、误碰障碍物，甚至走进某个死角，严重影响小车自主行走效果。目前，四轮小车避障功能一般采用1个或2个超声波，或少量红外线传感器来实现[2]。由于单个超声波的测距角度存在局限性，红外传感器又往往易受光线干扰，导致常规避障设计方法效果不理想，容易出现偏离预定轨迹、触碰到障碍物、局部范围兜圈等问题。

为解决四轮小车常用避障设计方法存在的不足之处，本文将超声波、舵机与红外线传感器相结合，在四轮小车的头部均匀分布2个由超声波与舵机组成的模块，在车体两侧分别安装1个超声波及1个红外传感器，通过综合分析处理4个超声波及2个红外传感器测量的结果，自动判断小车运动状态，从而实现其自主行走及自动避障。

1 避障系统原理

四轮小车的自动避障系统主要由超声波传感器、舵机与红外传感器组成[3]，其空间分布情况如图1及图2所示。如图1所示，1号和2号点位各安装一个由舵机与超声波传感器组成的模块，主要负责小车前方障碍物的多角度检测；3号和4号点位各安装一个超声波传感器，负责检测车体两旁的障碍物，提高避障的能力。如图2所示，5号和6号点位各安装一个红外传感器，负责检测图1中1、2号点位超声波模块的盲区，其中5、6号点位位于车体底部，可有效减少光线对红外传感器检测效果的影响。

图1 超声波传感器分布情况

图2 红外传感器布置情况

对于超声波传感器，其检测到障碍物与车身的距离称为障碍物距离d，当障碍物距离小于一个阈值时，小车需要进行避障操作，这个阈值称为安全距离D，而对测量范围较大的小车头部区域，还通过引入舵机以实现多个角度a的超声波障碍检测[4]；同时设定1号与2号点位的超声波模块障碍物距离分别为d1与d2，安全距离为D1与D2，两点位舵机每次转动角度为a1与a2；3号与4号点位的超声波模块障碍物距离分别为d3与d4，安全距离为D3与D4。对于5号与6号点位处的红外传感器，其检测的有效直线距离定义为n，在有效距离内若有障碍物，小车也需要进行避障操作。小车在行驶过程中，动态地分析超声波和红外传感器反馈回来的数据，计算出小车在遇到障碍物时需要转动的角度值φ，进而实现自动避障[5]。

小车转动角度值φ的具体计算过程如下，设φ初始值为0，“+”表示转向右方向，“-”表示转向左方向，有：

（1）1，2号位中，当d＜D，表示障碍物过于靠近，此时小车停止，需要进一步判断d1与d2的数值。

（2）若d1＜D1，表示小车左边有障碍物，则1，2号点位的舵机往右转动a，两侧的超声波重新获取障碍物距离d1，d2，并再次与安全距离进行比较；若d1＞D1并且d2＞D2，表示此时小车转动φ度即可避开障碍物，用公式φ=+(a+φ)表示，而其他情况，记录为φ=φ+a，并重新执行步骤（2），直到计算出转弯角度；当舵机转动角度到达上限时，则默认φ=+90°。

（3）同理，若d2＜D2，表示小车右边有障碍物，则1，2号点位的舵机往左转动a，重复步骤（2），最后得到小车车身向左转φ的角度值。

（4）5，6号位中，红外传感器主要用于检测底部超声波的盲区，从而保护车体底盘的安全，所以当在有效距离内检测到障碍物时，则默认小车转动角度φ=+30°。

（5）3，4号位中，车身两侧的超声波模块主要用于检测小车转弯时两旁的障碍物，其转弯的角度默认为φ=±30°。

2 避障电路设计

小车在行进过程中需要不断地检测所有传感器的状态，并对传感器反馈的数据进行分析处理，最后形成有效的避障方案。为了提高小车避障的灵敏度和准确性，本文选用STM32F407VGT6型32位ARM芯片作为避障系统的微控制器，并以该单片机为核心进行避障系统控制单元及外围电路、传感器接口模块、舵机接口模块及工作状态指示等电路的设计[6]。超声波、红外线传感器及舵机接口电路原理图如图3所示。

图3 避障系统接口电路设计

如图3所示，小车的1～4号超声波传感器均包含TRIG、ECHO、VCC和GND 4个引脚。其中这 4个超声波的VCC、GND由STM32单片机统一供电，分别与STM32的3.3 V、GND相连，而1～4号超声波的TRIG、ECHO引脚则分别与 STM32的 PB5-PB6、PB8-PB9、PC8-PC9、PD14-PD15引脚相连。当小车在行进过程遇到障碍物时，先由单片机发出44 μs的TTL触发信号，然后超声波的TRIG连续发送8个40 kHz方波，并检测是否有信号返回，当有信号返回时，超声波ECHO给出一个高电平。超声波从发射到返回的时间即是高电平持续的时间，那么超声波测距的距离=（高电平时间×声速（340 m/s））/2。

对于5、6号红外线传感器，其输出端口OUT分别与STM32的PC6、PC7引脚连接，VCC、GND分别与STM32的3.3 V、GND相连。小车在行进过程中，当5号或6号红外传感器检测到前方障碍物信号时，相对应的OUT端口将持续输出低电平信号。STM32单片机通过电平检测来判断前方是否有障碍物。当PC6或PC7引脚为低电平时，表示小车前方遇到障碍物；反之，当PC6及PC7引脚为高电平时，小车前方不存在障碍物。

对于1，2号舵机，其PWM端口分别与STM32的PA6、PA7引脚连接，VCC、GND分别与单片机供电电源5 V、GND相连。STM32单片机通过调节PWM的占空比来控制1，2号舵机转动的角度，其对应控制关系为：0.5 ms-0°，1.0 ms-45°，1.5 ms-90°，2.0 ms-135°，2.5 ms-180°。小车在行进过程中，通过控制1，2号舵机转动的角度，来实现1，2号超声波角度转动的控制，从而实现小车前方宽角度、实时性的障碍检测。

3 系统软件设计

在小车避障系统设计中，通过STM32单片机采集1～4号超声波及5～6号红外传感器的测量数据，并对该数据进行分析处理，计算出小车的最佳转弯角度，使小车在行进过程中及时、准确地避开障碍物[7-9]，系统程序设计流程图如图4所示。

如图4所示，在系统初始化完成后[10]，小车开始行进，1～4号超声波及5～6号红外传感器发出障碍物检测信号。当1，2号超声波检测到安全距离内有障碍物时，即把该障碍物的距离返回给STM32单片机，单片机收到距离数据后给小车发送停止前进命令，同时通过调节PWM多次控制舵机转动，实现1，2号超声波的多角度扫描，从而得到小车合适的转弯角度。在小车转弯过程中，利用小车两侧的3，4号超声波检测障碍物是否在安全距离外，当障碍物在安全距离内时，需及时给单片机反馈信息调整合适的转弯角度，以防止因转弯角度不精确而导致撞到障碍物。此外，利用5，6号红外传感器对前方低处的障碍物进行检测，当检测到障碍物处于安全距离内时，将及时通知单片机控制小车停止前进或转动合适的角度，以避免低处的障碍物与小车底盘相撞。

图4 系统程序设计流程图

4 实验结果与分析

该四轮避障小车设计完成后，通过以下方法进行避障参数及避障效果的测试，测试过程如下：

（1）在小车的正前方20 cm处放置3个障碍物，左右两边20 cm处各放置一个障碍物；

（2）设定小车1，2号点位超声波的安全距离D1，D2为15 cm，舵机初始角度都对准正前方，且每次转动角度为5°；

（3）设定小车3，4号点位超声波的安全距离D3与D4为15 cm，5，6号点位红外传感器的安全距离x5与x6为5 cm；

（4）所有传感器与舵机参数设置完成后，小车开始行走，记录小车成功壁开的障碍物数；

（5）调整传感器与舵机参数，对于D1～D4，x5与x6，每次测试的增量都为1 cm，舵机每次转动角度的增量为1度，再重复步骤（4）。

在以上测试过程中，以避开的障碍物数作为参考值，避开的障碍物越多，说明该组参数越好。在得到一组较好的数据后，再改变障碍物的距离重新测试。通过多次的测试，最终得到D1，D2各为20 cm，D3，D4各为15 cm，舵机每次转动角度为5°，x5与x6各为10 cm的效果最好。

在此将该四轮小车应用在本校电信专业的单片机实践教学中，2017—2019年间，电信16级、17级及18级共9个班级（每届3个班），合计约400学生使用该小车开展STM32单片机进行综合性、设计性与创新性实验。按照本文的设计方法，97%以上学生能顺利完成四轮避障小车的制作与程序设计，92%以上学生的设计能获得较好的避障效果。该实践调动了学生学习单片机技术的积极性与主动性，较好地满足了不同层次学生的单片机课程学习需要，达到了预期教学效果。