基于单片机控制的多功能空地两用小车设计与实现

徐倩，康绍鹏，李煜昕，孙文杰，陈俊

(江苏理工学院机械工程学院，江苏常州213001)

1 引言

移动巡视机器人在人们生活中的广泛应用越来越常见。无论是室内环境，如地下停车场、仓库、铲车间等，还是室外环境，如变电站，对移动机器人的应用需求都逐渐增加。移动巡视机器人主要在陆地工作较多，对于观测空中工作的情况时，大多使用无人机来进行巡视。无论在军用还是民用的空中领域，无人机巡视都得到了广泛的应用，例如航拍航测、电力巡视、交通巡查、内河航道巡航等[1]。无论是陆地领域的移动巡视机器人和还是空中领域的无人机都有广泛的应用，但目前市面上既能在陆地移动，也能在空中飞行，二者同时具备的巡视机器人较少。使用模式单一的巡视机器人进行巡查，难免会出现因为巡视环境复杂而导致巡查监管不全面的问题，可见研发功能多类型机器人进行协调配合的重要性不可忽视。所以针对现存市场中巡视机器人功能较单一的缺点，我们设计了一款飞行和地面移动功能相结合的多功能空地两用智能巡视小车。该型空地两用巡视小车具备行驶/飞行切换、远程遥控、图像传输、行驶避障、循迹等功能，能够在低成本、低功耗、可靠性高的情况下解决上述问题。该型巡视小车能够全适应天空和地面环境，实现智能化立体巡视监测，并且可以替代巡检人员进入高空及地面危险区域高效且安全地完成巡视任务。该型小车的设计与实现对巡查检测具有重要的意义，同时具有较好的市场需求。

2 多功能空地两用小车总体设计

空地两用巡视小车共有两大部分组成——地面巡视小车和四旋翼飞行器，其整体结构如图1所示。地面巡视小车的底盘由高强度光敏树脂3D 打印制造而成，可以承受降落带来的冲击。小车采用麦克纳姆车轮，能够实现全向移动，具有极佳的灵活性。同时巡视小车也配有红外传感器、720P 高清摄像头、舵机、WiFi 传输模块等设备，能够使小车实现自动避障、循迹功能，配备的高清摄像头可以在舵机的协助下实现多姿态高清摄录，视频信息通过WiFi 传输模块传输到手机App 上便于巡检人员巡视。飞行器部分没有采用固定翼，而是由四旋翼无人机实现完成。旋翼飞行器可以实现较长时间定点悬停，也可进行超低空飞行，方便获取目标地的详细影像资料。同时旋翼无人机能够垂直起降，不需要跑道，对起飞场地没有特殊要求。

图1 空地两用巡视小车整体结构示意图

3 多功能空地两用小车硬件组成

巡视小车使用STC89C52 单片机作为主控芯片，采用红外传感器实现避障循迹操作，通过L293D 芯片驱动直流电动机,并且可以通过蓝牙WiFi模块控制小车的运行和视频信息的传输[2]。其总体框图如图2所示。

图2 巡视小车总体框图

3.1 单片机最小系统设计

单片机最小系统是能够使单片机正常运行的最低硬件配置电路，它通常由3部分构成包括电源电路、时钟电路、复位电路，其最小系统电路如图3所示[3]。

图3 巡视小车控制电路最小系统电路图

3.2 电机驱动模块

多功能空地两用巡视小车采用麦克纳姆轮作为车轮，使用4 个直流电动机作为动力输入。4 个直流电动机通过两枚L293D 芯片驱动。该型芯片可提供高达600mA 的双向驱动电流。电机驱动电路如图4所示。

图4 电机驱动电路图

3.3 避障循迹模块

多功能空地两用巡视小车车头安装了红外传感器，通过车头的红外传感器实现避障循迹功能。红外循迹传感器发射红外光线，若发射出的红外线没有被障碍物反射回来，此时避障循迹模块输出端将输出低电平。若发射的红外线别障碍物反射回来，此时模块输出端输出高电平[4]。单片机可通过反射回来的红外光来确定巡视小车的行驶路线。避障循迹模块电路如图5所示。

图5 避障循迹模块电路图

3.4 图像采集与数据传输模块

多功能空地两用巡视小车可以通过其携带的高清摄像头采集图像，并且可以通过WiFi 模块无线传输图像信息至手机端App。同时也可以将手机作为控制器，利用手机端App远程遥控巡视小车。手机端和单片机协同操作从而达到对车体的中远距离实时控制。数据传输模块接口电路如图6所示。

图6 数据传输模块电路图

3.5 飞行模块

为实现巡视小车的飞行功能，我们在车体顶部安装了一架四旋翼无人机，如图7所示。该型无人机有较大的起飞重量可以载重2 公斤飞行至50 米高度。借助无人机巡视小车可以实现较长时间定点空中悬停，可更加详细地获取巡视目标的图像资料。且巡视小车能够实现垂直起降，不需要跑道，对起飞场地没有特殊要求，大大增加了巡视小车日常使用的便利性。

图7 四旋翼无人机飞行模块

4 程序设计

为实现巡视小车运动控制、避障循迹及远程遥控等功能，使用C 语言对51单片机进行编程。巡视小车采用了麦克纳姆轮，因此可以通过调整各个电机转动的方向和速度实现前进、后退、左移、右移等运动方式。以左移为例，其运动方式如图8所示，控制程序如下：

图8 巡视小车左移运动图解

void left_run()

{

IN1=1,IN2=0,IN3=0,IN4=1,IN5=0,IN6=1,IN7=1,IN8=0;

}

通过单片机控制左前轮和右后轮反转左后轮和右前轮正转即可实现巡视小车的左移运动。其余的运动方式与之类似。巡视小车使用红外传感器实现避障和循迹操作，红外循迹传感器发射红外光线，若发射出的红外线没有被障碍物反射回来，此时避障循迹模块输出端将输出低电平。若发射的红外线别障碍物反射回来，此时模块输出端输出高电平。单片机可通过反射回来的红外光来确定巡视小车的行驶路线，循迹程序流程图如图9所示，循迹轨迹使用黑色线条标注。安装在车体下方传感器感应黑线，若左侧传感器感应到黑线则小车将向左修正行驶轨迹。若右侧传感器感应到黑线则小车将向右修正行驶轨迹。

图9 循迹流程图

避障程序流程如图10 所示，避障功能同样采用红外传感器实现。若左侧传感器感应到障碍物右侧传感器没有感应到障碍物则小车将右移避障。反之若右侧传感器感应到障碍物左侧传感器没有感应到障碍物则小车将左移避障。若两侧传感器都感应到障碍物则小车将后退避障[5]。

图10 避障流程图

远程遥控功能通过红外遥控器遥控实现。按下遥控器上不同的按键控制小车移动。远程遥控控制程序使用C 语言中的switch()函数实现，程序流程图如图11所示。

图11 远程遥控流程图

5 实验测试

空地两用智能巡视小车对于一些大型障碍物可以快速地进行避障操作，但对一些目标较小的障碍物传感器不能够精准识别。遥控器可以远程遥控小车的运动且操作指令准确。对于倾角较小的坡道巡视小车有足够的动力通过。对于小车的循迹功能，经测试小车可按照规划的黑色轨迹行驶且运行平稳，测试结果如图12 所示。对于信号传输我们也进行了大量测试，结果显示车载摄像头采集的视频画面延迟很短且十分清晰。经过测试我们发现在日常使用时手机与巡视小车之间应当避免障碍物遮挡，否则将影响画面质量。对于飞行功能，同样在进行了大量测试工作，进实验测试空地两用巡视小车可以实现垂直起降，并且可以在空中长时间稳定悬停，测试结果如图13所示。

图12 巡视小车循迹测试图

图13 巡视小车飞行测试图

6 总结与展望

传统的巡检工作量大效率低，市面上普通的巡检小车功能单一，本文设计的多功能空地两用巡视小车既能够帮助巡检人员巡视地面区域，并且可以很好地适应立体复杂环境，在空中和陆地两种工况下都能够正常使用，高效完成工作。小车在运行过程中可以通过智能终端设备传输图像，使我们能够实时获取巡视目标的图像信息。空地两用智能巡视小车操作简单，显示直观。在很大程度上解放了劳动力，降低了巡视成本，并且可以在保证巡检质量的前提下提升巡检工作的效率[6]，具有很大的推广价值，市场前景广阔。