美国将发展智能网联汽车作为美国发展智能交通系统的一项重点工作内容，通过制定国家战略和法规，引导产业发展。2016年发布了《美国自动驾驶汽车政策指南》，引起行业广泛关注。日本：较早开始研究智能交通系统，政府积极发挥跨部门协同作用，推动智能网联汽车项目实施。计划2020年在限定地区解禁无人驾驶的自动驾驶汽车，到2025年在国内形成完全自动驾驶汽车市场目标。欧盟：支持智能网联汽车的技术创新和成果转化，在世界保持领先优势。通过发布一系列政策，以及自动驾驶路线图等，推进智能网联汽车的研发和应用，引导各成员国智能网联汽车产业发展。目前，许多技术已经广泛使用。在很多应用中智能技术也显露出它的重要地位，尤其是运用在智能汽车方面。这些年以来，例如电子、传感器和自动控制等技术联系紧密，多种技术的融合推动着汽车行业的进步。智能自动驾驶无人小车未来可能会作为自动无人驾驶汽车机器人的一个重要典型应用代表。利用人工智能技术驾驶自动小车通过自动感知驾驶小车上的导引线和周围的交通障碍物,可以实现小车自动识别正常行驶的路线,并选择正确的行进路线,当遇到交通障碍物时自动减速停车进行躲避。

      在环境探测、险情排除、工程爆破、工程施工等工程领域，也有很多智能设备的影子。传统的工程机械多设计为作业机械和操作人员操控室为一体，驾驶操控室中的视线受限,不能高效完成作业，特别是因对工程机械周围环境不能完全可视，而发生意外事故。在作业过程中发生紧急意外事故时，因驾驶操作人员不能及时脱身，导致工作人员的生命安全受到威胁。在一些特殊环境下作业，这时就需要现场辅助人员指挥完成作业。而无线遥控操控和驾驶操控室和作业机械可以自由分离结合的方式，便可以有效避免以上问题。电力工程中，近年来研发的拉线架线、巡线、巡塔无人机、喷火除异物无人机，改变了电力工人工作方式，大大减轻了人工的工作难度。军事中的智能小车可以通过运用各种人工智能技术帮助作战车辆快速进行故障扫除引爆炸弹、销毁爆炸地雷。其它的应用方面，可以用于帮助人们探测各种有害化学物和泄漏物的介质，进行防灾灭火，废墟中进行挖掘和帮助寻找其他生命体等。人们每天都会接触的交通工具家用汽车，就是智能小车的升级加强版，就比如家用汽车的倒车防撞雷达，原理就和本课题研究的避障原理相同，它们都是根据传感器识别障碍物，然后把信号反馈给汽车中的驾驶者，预判出距离障碍物的位置，防止发生碰撞的事故。同样近年来研发出的无人驾驶机动车、无人驾驶送快递小车,都是智能小车的升级加强版，升级更智能更可靠的CPU、更多更稳定精确的传感器、更多强大的执行机构、更强劲的动力系统，当然还有更先进强大的程序算法[2]。本次设计适合刚接触智能机器人领域的初学者,对培养兴趣、提升思维还是很有帮助的。之所以智能汽车技术引起人们的关注，是因为该技术可以改变人们的生活方式，并可以应用在日常环境下的多种情况。

      以上述内容为背景，本论文构建出一种智能小车，它可以实现循迹、避障报警等功能。这种小车用单片机来处理传感器检测出的信号，所以因此得名。为它有必要的业余时间利用去深入研究学习和认真研究如何开发应用该产品系列新型单片机，以更好地能够满足实际工业应用和相关产品开发的实际应用需要，也无疑是我国单片式整机行业适应目前当今社会的工业智能化、自动化等新技术要求的重要发展趋势。可以识别黑色轨迹和障碍物，无需人工控制即可自动驾驶。此设计中完成的工作可帮助我们初步了解自动驾驶技术，并为自动驾驶技术提供合理可行的解决方案。

      以探索者ATMEGA328P为主控模块，再结合信号检测和电机驱动等模块电路，实现循迹避障功能。通过这次设计，我深刻领会到把专业的理论知识与实际相结合的重要性。

作者：唐金宇 李晓淞 黄茜 李博君

单位：辽宁工程技术大学

指导老师：李逃昌

这款单片机有 32 个 I/O 端接口，3 个定时器等结构，接在 5V 电源下，需要有时钟电路和复位电路才能正常工作。

备选二为ATMEGA328P单片机，其功能全面，但价格比52单片机贵一点。

      本次设计采用的是 ATMEGA328P 单片机，与 STC89C52 单片机相比，其具有高性能、低功耗 AVR 的 8 位微控制器具有先进的 RISC 体系结构，高耐力非易失性内存段， 微控制器的特殊功能，上电复位和检测，内部校准的振荡器，外部和内部中断源。

      电池的选择方案也有很多种，开始考虑用四节 1.5V 干电池，因为单片机在约为 5V 的电压下就可以正常使用。另外电机驱动器需要更高一点的电压来驱动直流电机以及增大 PWM 调速空间，所以采用 7.4V 直流锂电池使用的方案，不仅减轻了机身的重量， 而且携带方便，电压稳定，无需任何升压和降压处理，操作简单。

      对于小车电动机的选择上，本设计决定使用可以在直流电压的驱动下，转速更稳定， 几乎不会发生变化，而且硬件电路相对容易的直流电动机。此外，直流电动机可以承受反复的冲击，并且在快速转弯或反复来回旋转时，对小车具有良好的适应性。就调速特性而言，直流电动机可轻松调节速度，并且速度范围宽。对于小车的行驶，可以很好地控制它。

      本次设计所用到的电机驱动芯片是L9170 芯片，其特点为：微小的待机电流，小于2 μA,工作电压范围宽 3.0V-15V, 有紧急停止功能，有过热保护功能，有过流嵌流及短路保护功能。L9170 是一款 DC 双向马达驱动电路，它可以适用于玩具等类的电机驱动， 自动阀门电机驱动，电磁门锁驱动等。它有两个逻辑输入端子用来控制电机前进，后退及制动。该电路有很好的抗干扰性，微小的待机电流，低的输出内阻，同时还具有内置极管能释放感性负载的反向冲击电流。

      在智能小车避障中，运用的传感器更多的是红外传感器或者超声波传感器。超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号的传感器。超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射从而形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。而红外线传感器是一种能够感应目标辐射的红外线，利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术在现代科技、国防和工农业等领域应用广泛。

      本产品在设计时采用超声波传感器进行避障，结合ATMEGA328P单片机达到检测障碍物的目的。若使用红外传感器，缺点是因为光具有穿透性，因此红外对管不能用来检测透明物体。而HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。如下图所示：

      在智能小车循迹中，可以选用光电传感器，利用黑白线对红外线反射能力的不同。然后通过光敏二极管或光敏三极管，接收反射回的不同光强信号，把不同光强转换为电流信号，最后通过电阻，然后转换为单片机可识别的高低电平。选用的是灰度传感器， 灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。在环境光干扰不是很严重的情况下，用于区别黑色与其它颜色，它有比较宽的工作电压范围，在电源电压波动比较大的情况下仍能正常工作。它输出的是连续的模拟信号，因而能很容易地通过 A/D 转换器或简单的比较器实现对物体反射率的判断，是一种实用的机器人巡线传感器。下图所示为灰度传感器：

      本次设计中为了更好的检测到障碍物，选用了蜂鸣器，当超声波传感器检测到障碍物时，蜂鸣器报警。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。本次我选用的是电磁式蜂鸣器，电磁式蜂鸣器是由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。蜂鸣器工作原理：I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式。下图所示为蜂鸣报警器：

      为了更好的控制两种模式的转换，我选用了一个按钮开关，当不按动按钮时，小车可以完成避障；当按下按钮时，小车可以完成循迹，当循迹路线有障碍物时，小车可以绕开障碍物，继续循迹。按钮开关是指利用按钮推动传动机构，使动触点与静触点按通或断开并实现电路换接的开关。按钮开关是一种结构简单，应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。

2.3 避障过程实现

      利用超声波传感器检测前方是否有障碍物，当只检测到前方有障碍物时，蜂鸣器报警，小车向左转；当检测到前方与左面有障碍物时，小车向右转；当检测到前方与右面有障碍物时，小车左转。流程图如下所示：

      循迹程序的设计首先要定义灰度传感器引脚，当左边的传感器检测到光线强度的返回值小于450 时，小车向左转；当右边传感器检测到光线强度返回值小于450时，小车向右转。从而达到小车沿着黑线循迹的效果。流程图如下所示：

2.5 报警程序实现

首先定义蜂鸣器引脚，当超声波传感器检测到障碍物时，引脚8为高电平，蜂鸣器报警。程序如下：

在本次设计中主要完成了以下几方面：

     ① 分析了系统的设计方案，并对方案进行了论证，将系统设计分为控制模块、外避障模块、驱动模块、循迹模块等。

     ② 对系统的各个硬件进行了介绍，对硬件原理进行分析，作出了相应的主电路图和控制电路图。

     ③ 进行了系统的软件设计，根据软件的控制流程图在编程软件中进行梯形图的编写，编写相应程序，进行相关参数设置。

     ④ 对整个控制系统进行了调试，制作出了小车实物。

5. 示例程序