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摘要：设计以微控制器（ATMEGA8L）为核心的无线遥控避障机器人系统，利用WIFI模块实现机器人和终端（手机）的联系，设计了自主避障策略，分析了系统在长时间工作下的收据交换。通过实验验证，整个系统工作可靠、稳定，达到设计要求。
关键词：电机控制；超生测距；无线遥控避障；单片机
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）23-0120-03
智能小车是轮式机器人的一种，避障是轮式机器人的一个重要功能。避障可以使智能小车在复杂环境下自主找寻一条可行的路线，对于地震等灾后搜寻生命通道有着重要意义。十几年来，已经有很多学者对于避障机器人进行了研究。本文通过将避障小车和智能手机相结合实现无线遥控避障机器人，一方面在有上位机（智能手机）指令的情况下机器人执行上位机指令，另一方面在未收到上位机指令的情况下机器人执行自主避障。
1 系统设计
无线遥控避障机器人系统框图如图1所示，整个系统是由上位控制部分和机器人部分组成。上位控制部分由终端设备和WIFI单元模块组成，通过终端设备控制机器人的动作，WIFI单元模块实现命令的无线发送，上位控制部分可由智能手机来实现。机器人部分由主控单元、WIFI单元、超声检测单元以及电机单元四部分组成，其中主控单元实现控制部分命令的接收，超声检测单元以及电机单元的控制；超声检测单元安装在机器人小车的正前方，通过发送超声波实现距离的检测；主控单元根据超声波检测的距离，实现电机单元的运动控制，从而有效实现避障的功能。该机器人即可实现自主避障，也可由上位控制部分实现人为控制避障，并且人为控制优先。
2系硬件设计
2.1控制器的选择
上位机控制部分采用智能手机实现，一般智能手机内部集成WIFI单元。机器人部分主控单元选用ATMEGA8L单片机，该单片机在机器人领域应用广泛，相关测试硬件和软件较多，便于系统设计和开发，节省系统的开发时间。
2.2电机单元接口设计
电机单元接口设计如图2所示，其中电机驱动模块由双H桥电路组成，实现双电机的驱动控制，电机模块包含左右直流电机。电机驱动模块中EN1和EN2为PWM控制信号，单片机中通过改变PWM信号的占空比，从而调整直流电机的转速。IN1、IN2 、IN3以及 IN4为驱动信号，该信号与单片机数字I/O端口相连接，改变I/O端口数字状态可实现电机的正转、反转以及停止等状态。以左电机控制为例，控制信号与电机运动状态逻辑关系如表1所示，当IN1=1、IN2=0时电机正转；当IN1=0、IN2=1时电机反转；其他情况下电机停止。机器人运动状态和左右电机之间的逻辑关系如表2所示，当左、右电机同时正转时机器人前进；当左、右电机同时反转时机器人后退；当左电机正转右电机反转时机器人右转；当左电机反转右电机正转时机器人左转。
2.3超声检测接口设计
超声波模块接口设计的框图如图4所示。超声波检测单元有两根线和单片机相连，是Trig和Echo，其中Trig是触发控制信号输入、Echo回响信号输出。超声测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度V=340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S：
[s=（t*v）/2] （1）
这里超声检测采用HC-SR04模块实现，该模块有效测距范围：2cm-450cm，感应角度不大于15度，精度0.3cm，使用直流5V电压。该模块工作时序如图5所示，首先通过单片机I/O口给TRIG管脚提供一个10us以上的脉冲信号，接着超声模块自动发送8个40kHz的方波，遇到障碍物时模块自动输出高电平信号，返回给单片机，单片机记录高电平持续时间，从而利用公式（1）计算出距离S。
3 软件流程设计
3.1机器人运动测试流程图
机器人运动测试流程图如图6所示，开始后，首先进行单片机初始化，接着测试机器人直行100cm，单片机通过控制左电机和右电机运行的方向实现机器人的行走。测试系统流程为机器人先直行100cm，接着倒退100cm，再连续左转5周，最后连续右转5周。
3.2机器人避障测试流程图
机器人避障测试流程图如图7所示。小车通过超声传感器对小车正前方测矩SF。当 S>25cm时，表明小车正前方无障碍，小车直行，等待10ms后再发送Trig信号；当S≤25cm时，表明正前方有障碍小车执行避障策略。
3.3 无线遥控测试流程图
机器人无线遥控测试流程图如图8所示。采用无线控制机器人时，先进行系统初始化，然后建立WIFI连接，接着通过智能手机发送指令，单片机接收到指令后进行解析指令，最后实现机器人动作。手机界面控制功能图如图9所示。该控制有直行、左转、右转、后退和结束五种功能。
3.4 系统软件设计流程图
系统软件设计流程图如图10所示。开始后系统进行初始化，首先检测是否收到上位机指令。若收到上位机指令则执行上位机指令动作；若没有收到上位机指令则机器人执行自主避障策略（通过超声传感器对小车正前方测矩记为S，当 S>25cm时，表明机器人正前方无障碍，机器人直行；当S<25cm时，机器人右转90度，测量并记录正前方距离S，当 S>25cm时，表明机器人正前方无障碍，机器人直行；当S<25cm时机器人反复执行该避障策略。）。
4 实验结果及结论
4.1 实验结果
1）机器人在上位机控制下，在2×2m的环境中，机器人可实现按照上位机的指令进行直行、后退、右转和左转。
2）机器人自主避障实验示意图如图11所示，在2×2m的环境中，机器人首先面向B平面直行与此同时不断检测正前方距离当距离小于25cm时机器人执行右转90度，接着面向C平面直行与此同时不断检测正前方距离当距离小于25cm时机器人执行右转90度。实现了当机器人正前方遇到障碍物时能成功执行预定的避障策略规避障碍物。
4.2 实验结论
本文中的无线遥控避障机器人通过实验验证，实现了一方面在有上位机指令的情况下机器人执行上位机指令，另一方面在未收到上位机指令的情况下机器人执行自主避障，整个过程机器人工作正常、稳定，达到了设计的预期要求。
参考文献：
[1] 吴银川，张家田，严正国，等，无线同步数据采集系统设计[J].电子设计工程术，2014，（11）：32-34.
[2] 马晓荣，吴银川.一种多通道数据采集系统设计研究[J].电子设计工程，2012，20（19）：14-16.
[3] 王吉岱，卢坤嫒，徐淑芬，等.四足步行机器人研究现状及展望[J].制造业及自动化，2009，31（2）：4-6.
[4] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2004.
[5] 刘金强，聂诗良，潘泽友，等.基于多传感器数据融合的智能小车避障的研究[J].传感器与微系统，2010，29（2）：66-68.
关键词：电机控制；超生测距；无线遥控避障；单片机
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）23-0120-03
智能小车是轮式机器人的一种，避障是轮式机器人的一个重要功能。避障可以使智能小车在复杂环境下自主找寻一条可行的路线，对于地震等灾后搜寻生命通道有着重要意义。十几年来，已经有很多学者对于避障机器人进行了研究。本文通过将避障小车和智能手机相结合实现无线遥控避障机器人，一方面在有上位机（智能手机）指令的情况下机器人执行上位机指令，另一方面在未收到上位机指令的情况下机器人执行自主避障。
1 系统设计
无线遥控避障机器人系统框图如图1所示，整个系统是由上位控制部分和机器人部分组成。上位控制部分由终端设备和WIFI单元模块组成，通过终端设备控制机器人的动作，WIFI单元模块实现命令的无线发送，上位控制部分可由智能手机来实现。机器人部分由主控单元、WIFI单元、超声检测单元以及电机单元四部分组成，其中主控单元实现控制部分命令的接收，超声检测单元以及电机单元的控制；超声检测单元安装在机器人小车的正前方，通过发送超声波实现距离的检测；主控单元根据超声波检测的距离，实现电机单元的运动控制，从而有效实现避障的功能。该机器人即可实现自主避障，也可由上位控制部分实现人为控制避障，并且人为控制优先。
2系硬件设计
2.1控制器的选择
上位机控制部分采用智能手机实现，一般智能手机内部集成WIFI单元。机器人部分主控单元选用ATMEGA8L单片机，该单片机在机器人领域应用广泛，相关测试硬件和软件较多，便于系统设计和开发，节省系统的开发时间。
2.2电机单元接口设计
电机单元接口设计如图2所示，其中电机驱动模块由双H桥电路组成，实现双电机的驱动控制，电机模块包含左右直流电机。电机驱动模块中EN1和EN2为PWM控制信号，单片机中通过改变PWM信号的占空比，从而调整直流电机的转速。IN1、IN2 、IN3以及 IN4为驱动信号，该信号与单片机数字I/O端口相连接，改变I/O端口数字状态可实现电机的正转、反转以及停止等状态。以左电机控制为例，控制信号与电机运动状态逻辑关系如表1所示，当IN1=1、IN2=0时电机正转；当IN1=0、IN2=1时电机反转；其他情况下电机停止。机器人运动状态和左右电机之间的逻辑关系如表2所示，当左、右电机同时正转时机器人前进；当左、右电机同时反转时机器人后退；当左电机正转右电机反转时机器人右转；当左电机反转右电机正转时机器人左转。
2.3超声检测接口设计
超声波模块接口设计的框图如图4所示。超声波检测单元有两根线和单片机相连，是Trig和Echo，其中Trig是触发控制信号输入、Echo回响信号输出。超声测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度V=340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S：
[s=（t*v）/2] （1）
这里超声检测采用HC-SR04模块实现，该模块有效测距范围：2cm-450cm，感应角度不大于15度，精度0.3cm，使用直流5V电压。该模块工作时序如图5所示，首先通过单片机I/O口给TRIG管脚提供一个10us以上的脉冲信号，接着超声模块自动发送8个40kHz的方波，遇到障碍物时模块自动输出高电平信号，返回给单片机，单片机记录高电平持续时间，从而利用公式（1）计算出距离S。
3 软件流程设计
3.1机器人运动测试流程图
机器人运动测试流程图如图6所示，开始后，首先进行单片机初始化，接着测试机器人直行100cm，单片机通过控制左电机和右电机运行的方向实现机器人的行走。测试系统流程为机器人先直行100cm，接着倒退100cm，再连续左转5周，最后连续右转5周。
3.2机器人避障测试流程图
机器人避障测试流程图如图7所示。小车通过超声传感器对小车正前方测矩SF。当 S>25cm时，表明小车正前方无障碍，小车直行，等待10ms后再发送Trig信号；当S≤25cm时，表明正前方有障碍小车执行避障策略。
3.3 无线遥控测试流程图
机器人无线遥控测试流程图如图8所示。采用无线控制机器人时，先进行系统初始化，然后建立WIFI连接，接着通过智能手机发送指令，单片机接收到指令后进行解析指令，最后实现机器人动作。手机界面控制功能图如图9所示。该控制有直行、左转、右转、后退和结束五种功能。
3.4 系统软件设计流程图
系统软件设计流程图如图10所示。开始后系统进行初始化，首先检测是否收到上位机指令。若收到上位机指令则执行上位机指令动作；若没有收到上位机指令则机器人执行自主避障策略（通过超声传感器对小车正前方测矩记为S，当 S>25cm时，表明机器人正前方无障碍，机器人直行；当S<25cm时，机器人右转90度，测量并记录正前方距离S，当 S>25cm时，表明机器人正前方无障碍，机器人直行；当S<25cm时机器人反复执行该避障策略。）。
4 实验结果及结论
4.1 实验结果
1）机器人在上位机控制下，在2×2m的环境中，机器人可实现按照上位机的指令进行直行、后退、右转和左转。
2）机器人自主避障实验示意图如图11所示，在2×2m的环境中，机器人首先面向B平面直行与此同时不断检测正前方距离当距离小于25cm时机器人执行右转90度，接着面向C平面直行与此同时不断检测正前方距离当距离小于25cm时机器人执行右转90度。实现了当机器人正前方遇到障碍物时能成功执行预定的避障策略规避障碍物。
4.2 实验结论
本文中的无线遥控避障机器人通过实验验证，实现了一方面在有上位机指令的情况下机器人执行上位机指令，另一方面在未收到上位机指令的情况下机器人执行自主避障，整个过程机器人工作正常、稳定，达到了设计的预期要求。
参考文献：
[1] 吴银川，张家田，严正国，等，无线同步数据采集系统设计[J].电子设计工程术，2014，（11）：32-34.
[2] 马晓荣，吴银川.一种多通道数据采集系统设计研究[J].电子设计工程，2012，20（19）：14-16.
[3] 王吉岱，卢坤嫒，徐淑芬，等.四足步行机器人研究现状及展望[J].制造业及自动化，2009，31（2）：4-6.
[4] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2004.
[5] 刘金强，聂诗良，潘泽友，等.基于多传感器数据融合的智能小车避障的研究[J].传感器与微系统，2010，29（2）：66-68.