基于数字电路的智能小车自动避障系统设计

【摘 要】本论文针对智能小车运行在多变环境易受诸如光照、自然风、能见度等客观条件的制约的特点,为提高避障性能和小车行走效率,特对小车的避障系统进行研究与设计.系统运用红外对管发射和接受红外信号,以检测障碍是否存在,避障控制核心模块采用数字逻辑电路进行设计,其存储单元采用JK触发器,使其在遇到障碍物时适时决定小车转向.

【关 键 词】避障；JK触发器；红外对管

1引言

避障是智能体按照某一性能指标在遇到障碍时选择的一种行走处理方法,并依据某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰闯路径,是当今避障规划中的难点.在智能小车的行驶过程中,如果在前方遇到障碍物则可向其的左侧或右侧转向,以确保小车保持直线、无碰闯行驶状态、使行驶的路径达到最优、最短状态.鉴于上述原理,特对避障系统作如下设定：若上一次智能小车转向右侧,则在当前遇到障碍物时智能小车向左转,直到未探测到障碍物时停止转动并开始向前直行；若上次智能小车转向左侧,则在当前遇到障碍物时向其向右转,直到未探测到障碍物时停止转动并开始直行.

2自动避障系统规划

设计智能避障系统时,首先需要检测障碍物与否存在,以达到检测障碍模块实时检测的目的；其次需对检测信号进行处理,从而产生控制智能小车行走的控制信号,故需要智能避障控制中心模块处理检测到的障碍信号；通过控制小车驱动行驶电路,调控行驶电机的方向.由此特设计由三个模块组成的避障控制系统：障碍检测电路、自动避障控制系统、行驶驱动电路,其系统控制结构如图1所示.

在障碍检测电路模块中,依据红外线的反射原理,通过红外对管收发红外线,以判断智能小车的前方是否存在障碍.在自动避障控制系统中,以检测障碍电路的输出作为本模块的输入,通过JK触发器作为控制系统的存储单元,实现对小车行驶方法的选择.在小车的驱动电路模块中,通过控制电路输出的控制信号作为驱动输入驱动电机的转动,实现小车的直行、左转和右转.

3自动避障控制系统设计

3.1自动避障控制系统简述

智能小车在行驶的过程中能够识别并绕开障碍物,在充斥着障碍物的环境里自由行走.置前端一个红外传感器,当遇到障碍物时传感信号X为高电平,否则传感信号X保持低电平.在智能小车上有两个控制信号Z0、Z1,分别控制智能小车的左右轮的转动,当Z0、Z1分别输出高电平时,控制行走轮上的直流电机转动,从而控制智能小车的行驶方向.

本系统设计采用如下避障规则：当Z0为高电平,Z1为低电平时,智能小车左轮电机工作而右轮直流电机断电,从而控制智能小车左转；当Z0为低电平,Z1为高电平时,其右轮直流电机工作而左轮直流电机断电,从而控制智能小车右转；当Z0Z1控制端同时输出高电平时,智能小车左右轮直流电机同时供电转动,控制智能小车直行.

3.2避障控制系统状态表及状态图

由智能避障规则的简述可知,智能小车在行驶的过程中可能会出现以下四种状态：

（1）状态S0：当前向前行驶,但上一次遇到障碍物时是左转.此时当输入信号X等于0时,次态仍为S0,输出Z1Z0等于00；如果输入X等于1,时,表示前方检测到障碍,其次态应为S1,输出Z1Z0等于01.

（2）状态S1：当前智能小车在前方检测到障碍物,智能小车向右转.此时当输入信号X等于0时,表示智能小车已经绕过了前方的障碍物,其次态应为S2,输出Z1Z0等于00；如果输入信号X等于1时,次态仍为S1,输出Z1Z0等于01.

（3）状态S2：当小车正向前行驶,但上一次遇到障碍物时是右转.此时当输入信号X等于0时,次态仍为S2,输出Z1Z0等于00；如果输入X等于1,时,表示前方检测到障碍,其次态应为S3,输出Z1Z0等于10.

（4）状态S3：当小车检测到前方障碍物,智能小车向左转.此时当输入信号X等于0时,表示智能小车已经绕过了前方的障碍物,其次态应为S0,输出Z1Z0等于00；如果输入信号X等于1时,次态仍为S3,输出Z1Z0等于10.

通过上述过程所描述的控制系统状态如表1所示,其状态图如图3所示.

3.3避障控制系统状态分配

在数字逻辑电路中,常用“0”和“1”两种状态来描述实际电路中产生的高低电平,故需要把所得到状态表中的各个状态用二进制码表示.现检测设存在可通过输入来改变其状态的存储单元Q,可用两种状态“0”和“1”表示输出的存储状态.由于本系统包含2个状态,故该电路应选用两级存储单元Q1和Q0,其四种状态：“00”、“01”、“10”、“11”,恰符合设计的要求.通过对上述状态图的分析,并依据状态分配些规则得到如下分配方案：S0—00,S1—01S2—11S3—10状态分配后的状态表如表2所示.

3.4避障控制系统激励方程和输出方程

根据状态分配后的状态迁移表,可得到智能小车避障控制系统输出端Z1、Z0的输出卡诺图,如图4、图5所示.

通过对Z1和Z0的输出卡诺图的分析,Z和Z0输出方程为

根据状态分配后的状态迁移表,通过分析可得到自动避障控制系统的两级存储单元Q1、Q0的次态卡诺图,如图6、图7所示.利用次态卡诺图可以求得各个存储单元的次态方程.

通过对两级存储单元Q1、Q0的次态卡诺图的分析,Q1、Q0的次态方程分别为：

依据上述计算,得出了系统的输出Z1、Z0的输出方程和存储单元Q1、Q0的次态方程,但还需要选用合适的元器件来实现存储单元,从而实现控制系统电路四种状态的存储,以设计出控制系统的逻辑电路图.

3.5避障控制系统逻辑电路图

鉴于本避障控制系统中的触发器属于时序逻辑电路的范畴,而“0”和“1”两种状态,可以作为锁存器在电路中使用,故电路的状态用触发器的状态来表示.在控制设计时还需要根据触发器Q1、Q0的次态方程,求出Q1、Q0的输入激励方程.本次设计中采用的是JK触发器,结合JK触发器的标准特征方程,可得Q1和Q0的标准特征方程分别为：

根据上述激励方程和输出方程,设计相应的门电路,结合方程（1）、（2）和Z1、Z0的输出方程,则可得到智能小车避障控制系统的数字逻辑电路图.

4结语

本论文提出了一种智能小车自动避障系统的设计方案,通过检测障碍电路、自动避障控制系统,避障控制系统输出的控制信号驱动智能小车的行驶,实现了智能小车的避障处理.该系统基于数字电路的触发器为核心控制系统,解决了小车在行驶过程中遇到障碍时的避障工作复杂的问题,使避障规则简单化,提高小车避障的可靠性.