本设计针对无碳小车赛道障碍的随机性，只依靠单纯的机械结构很难实现障碍的躲避，因此在针对这种赛道障碍，在机械结构的基础上增加了用电控的方法，让小车自动循迹，实现对随机障碍的躲避，本设计主要侧重于电路部分的设计，利用超声波模块进行小车循迹，利用电机控制无碳小车的转向，在单片机控制下的避障算法。
首先，本文将对无碳小车机械结构各个部分的原理及特点，对小车机构整体设计的布局进行阐述
其次，介绍电控部分的整体设计，所需电路模块的原理设计，单片机，超声波传感器及电机的原理和特点及其选用。
再次，对无碳小车在赛道中如何采集信息，如何成功实现躲避障碍的算法进行详细的介绍。
最后，对机电组合的协调工作，所出现的问题和如何调试进行说明。
目 录
1.绪论 1
1.1课题背景及目的 1
1.2国内外研究状况 1
1.3课题研究方法 2
1.4构成及研究内容 2
2 无碳小车的机械部分设计 3
2.1 小车设计的特点和原理 3
2.2 小车各部分设计的特点 3
2.2.1 车架的设计 3
2.2.2 动力装置的设计 4
2.2.3 传动装置的设计 4
2.2.4 行走装置的设计 5
2.2.5 转向装置的设计 5
2.2.6 结构参数的设计 5
3 电控系统的设计 7
3.1电控系统的整体设计 7
3.2电控各模块的设计 8
3.2.1 电源稳压模块的设计 8
3.2.1 单片机控制设计 9
3.2.3 温度检测电路的设计 12
3.2.4 转向装置的设计 13
3.2.5避障方式的设计 16
3.2.6 避障算法的设计 18
3.2.7信号指示电路的设计 19
3.2.8 程序下载模块设计 20
3.3 软件的设计 20
3.4 机电系统的安装与调试 22
1.1课题背景及目的 随着工业的发展，全球经济迅速增长。任何事物都有两面性，可是随着经济全球化的到来，在经济发展迅速的同时，全球的环境也渐渐的恶劣起来，人们也意识到环境存在的严重问题。人类的发展不得不放慢脚步，考虑环境问题带来的影响。“无碳”一词也就慢慢被人熟知，无碳纸，无碳车，无碳产品等， “无碳小车”正是体现了这种无碳理念。从字面上来看，小车将势能转成动能，并能实现指定运行轨迹的小车[1]。从真正意义上实现了，无碳，绿色，环保.生活中像这种具备一定特定功能的无碳结构到处可见，例如玩具小车。现如今，人们对于无碳概念的理解，研究与开发对于世界发展有着重要的意义和发展前景。 1.2国内外研究状况 在大约20世纪70年代，中国研究的智能车开始发展起来，这么多年过去了，越来越体系化，越来越成熟，但在智能避障信息采集方式上和避障算法上仍有很大的改善。依据汽车转向机构的原理，在小车转弯时，为了能使小车不单单可以快速响应，也要避免速度过快偏离跑道[2]。将电机的位置提高，增大了扭矩，作为小车的视觉系统，赛道信息采集装置，在对白线识别成功后，同时视觉系统又会发出电平信号传达到控制中心，发出指令给驱动部分，来控制小车转向，完成循迹 [3]。杨红将万向轮做从动轮，控制电机的运动，实现多方向动作。根据电磁感应的原理，陈文山则使用了LC谐振回路的方案，感应电磁信号寻迹 [4]。 目前，世界上许多国家都在积极进行智能小车的研究和设计开发，已应用于多个领域，尤其在军事，探测领域的应用特别突出。在多传感器融合的技术领域[5]，来追寻汽车的运行轨迹，通过使用计算机编程技术，就能够对汽车行驶的状态进行自动控制，比如驱动和制动，速度的大小与方向。在大约二十世纪八十年代，由于计算机技术，半导体，通信技术的 飞跃发展，国外开始热衷于机器人的研究，有很多研究具有很多军事价值与应用前景。在1997年，索杰纳在智能车上安装了5台激光测距仪[6]，智能小车会自动躲避障碍。
1.3课题研究方法 由于人们对无碳环保的提倡和近年来对智能机器人的研究热潮，特结合两者而提出的研究课题.此课题的研究综合性较强，充分的整合了所学过的机电知识。 此课题的研究策略及方法原则是已一根主线为线索，呈四周发射性扩散。研究的主线则是无碳小车依靠 焦耳的重力势能在障碍间隔随机的赛道上自动循迹避障。首先通过对课题的要求深入了解，通过文献检索法针对性的查阅关于自动循迹小车的资料，了解自动循迹无碳小车的发展，应用，以及研究成果.在实践来源上，再通过对以往竞赛作品的观察研究设计出无碳小车的大致结构，然后利用资源整合法整合自己学过的机械原理，机械设计，电路，自动化控制等相关理论知识，计算小车各部件参数，整体布局以及电子元器件和传感器的工作原理的了解和选用。用设计好的结构参数通过三维软件将其建模装配，画出电路图，最后将零件加工组装，进行机电组合的测试及调试。 1.4构成及研究内容 本文主要有绪论部分，无碳小车各个部分的结构特点，电控部分的设计，机电组合调试四大部分组成。 作为整篇的开端绪论部分，对无碳小车课题展开讨论研究的背景与意义，中国的发展和国外的发展历史与状况；将机械部分安排到的第二章节，由于本注重于对电控部分的设计，因此机械部分做简单介绍，机械部分主要介绍了组成小车的几大部分，各个部分的特点，整体布局，主要结构的参数设计；第三章作为电控部分，包括了硬件和软件的设计，硬件部分主要介绍了电控部分控制小车转向的原理，电路硬件的设计，对所需要控制电路模块的原理及模块选用，包括单片机控制单元的介绍，超声波测距传感器的原理的了解和选用，温度补偿模块的原理和选用和电机的原理和选用，小车避障的原理与算法设计；软件介绍了电控小车避障思想和步骤；最后是机电组合调试。
本次题目是“无碳小车”，即小车前进的动力直接由重物下落过程中减少的重力势能提供，只通过重力势能与机械能的转换，使得小车实现前进，转向和调节。重力势能提供的4焦耳能量作为小车前进的动力，按照特定的轨迹绕过设定的障碍.因此首先要考虑小车有足够的行走距离完成避障。在设计过程中本着小车的能量高转化看率，行走平稳性，均匀性，避障精确性，可调性的原则，车身结构应简单，轻巧，在材料上应选择较轻的材料，同时又要保证小车整体的可靠性。通过对小车功能的分析，小车需要完成重力势能的转换，驱动自身行走，自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为六个部分进行模块化设计，分别是车身，能源动力驱动部分，传动部分，转向部分，车轮部分，微调部分。一个相对完整的小车应该包括了上面的的结构，最主要部件是传动和转向 [7]。 绳子的一边绕过小车固定定滑轮系在砝码上，驱动轴也用绳子缠住，当砝码从高处自由落下时，会带动驱动轴旋转，将速度通过一对齿轮传动机构传递给车轮轴，车轮轴带动后车轮驱动小车，在遇到障碍物时，系统会通过电路模块的检测，计算，控制前车轮转向，完成避障.在小车车速过快时，如果通过制动装置使小车减速，小车在减速制动的时候，会因为摩擦浪费掉一些能量，绕过的障碍多，通过对机械结构的优化设计来弥补制动装置损耗的能量。 2.2 小车各部分设计的特点 2.2.1 车架的设计 车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝材加工制作成三角底板式。小车的重心应较低，重心平稳，所以小车车架重量不能过轻，以保证车架来支撑整个车的重量，在行走过程中不翻车，避免车体过重带来的能量浪费，又能避免车体过轻使小车侧翻。车架如图：
图2.1 无碳小车车驾 2.2.2 动力装置的设计 由于小车驱动能源有限，又要保证能够行走一定的距离，所以重力势能转化到驱动轴上的效率应控制在最大。组成动力部分的有绳线，三根支撑立柱，定滑轮，1千克质量的重物，大齿轮驱动轴。能量有效控制方面采用了三根立柱来限制重物落下过程中的摆动，这样设计的好处在于重物摆动过程中不必要的能量损耗，合理的控制重物下落时摆动的幅度，小车也能尽可能的匀速行驶，防止了一根立柱带来的翻车，跑偏问题。 动力装置部分的设计应该结构简单。应保障足够的小车驱动力，将线绕在驱动轴上，直径设计尽可能小，小车启动加速度不能太大，行走过程中应平稳，匀速，因此将驱动轴设计成带有锥度，在大轴颈上以保证启动力矩，小轴颈确保小车行驶匀速。 2.2.3 传动装置的设计 小车的动力能源由于来自只有一个4焦耳的重力势能，这些能量用于转向与行走，行走装置和转向装置需要相互调和，达到最好的工作状态，因此运动的协调性就需要通过传动系统来保证[8]。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行使，传动机构必须传动效率高，传动稳定，结构简单重量轻，本设计采用齿轮一级传动，高精度，运动起来起伏不大，具有承载大载荷的优势，由于传动比值是固定的数值，因此在以后的调试过程中不方便，小车整体宽度会增大，小车在避障转动方向的时候，转动曲率会加大，
但是其重心又有所降低，行驶会平稳一些。 2.2.4 行走装置的设计 车轮与赛道接触的距离，如何减小小车与地面的摩擦是减少能源浪费的关键，选取摩擦系数较小的铝材，减小与地面的阻力，由于铝材较轻，车轮的直径过小会在小车启动时产生大的加速度，在理论上，驱动轴转过一圈，车轮直径越大，小车走的越远，但过大与地面有较大的阻力，能量消耗增加.在启动时，尽量使小车车轮同步驱动，防止启动跑偏，在转弯时，外圈和内圈车轮的速度不一样，因此需要将车轮设计成差速结构，车轮轴上安装两个单向轴承，单向轴承正转时自由，反转锁紧。单向轴承原理简单，速度较慢的轮子为主动轮，速度快的为从动轮[9]，主动轮和从动轮互相交替进行，这样既可以保证启动时双轮同步转动，转弯时也不易打滑。 2.2.5 转向装置的设计 转向装置的设计是决定着小车能否顺利完成避障的关键，对于前车轮的稳定平稳需要合理的设计，同样为了减少与赛道的摩擦力，设计前车轮的宽度较小，车轮由前车轴和轴承连接，减小行走阻力，车轴由前轮车架支撑，在前轮车架轴上安装两个滚动轴承，两端固定，防止前轮晃动，提高了转弯精度。 2.2.6 结构参数的设计 本设计初步选定传动比为3.8，选用小模数0.5，为的齿轮，材质为铝合金进行线切割加工.小齿轮齿数选定为36，为了齿轮啮合中防止多对齿同时啮合，大齿轮和小齿轮不能同时为偶数，则大齿轮为137，小齿轮宽度稍大于大齿轮，防止齿轮啮合中滑动。 当驱动轴绕过一圈时，在传动比的带动下，车轮轴就会转 圈，则车轮行驶的距离见式  （2.1）
 为驱动轴转过一圈小车行走的距离，R为大车轮直径。当重物下降高度为 时，则小车行驶的距离见式
 （2.2）
 为小车行走距离， 为驱动轴小径.由公式可知，在下降高度一定的情况下，大车轮与驱动轴小径比越大，小车行走的越远，因此在保证有足够的驱动力矩情况下，尽可能将两者之比设计的大。传动齿轮如图：
图2.2 一级减速齿轮
3 电控系统的设计 3.1电控系统的整体设计 小车的转向问题由电控系统解决，由于转向装置不在完全依赖于机械结构设计 [10]，所以设计小车避障的时候，难度降低了很多。 电控系统的设计实现了在不同间距的障碍内，可以自动避障的功能，优化了以往传统的机械小车在可变间距难以自动避障的问题。 电控部分控制的原理是由单片机控制，通过超声波模块检测道路上的状况，单片机负责接收信息和处理，由编定好的程序由单片机计算，控制电机的转角，控制前轮进行转弯。为了简化电路硬件的设计，智能小车系统采用模块化设计 [11]。智能小车的传感器一般采用红外对管，金属开关，超声波测距，加速度传感器，指南针传感器，舵机，直流电机，L298N控制器等。初步设计的电控部分，应该由单片机控制部分，超声波，测量温度模块，电机转向部分,小车避障算法设计部分。电控系统设计的准确性决定着小车能否顺利通过障碍，无碳小车电控躲避障碍的算法是难点，根据小车赛道的情况，赛道可分为直线赛道和弯道赛道，在小车从直道进入弯道时如何进行有效的避障，如何设计避障算法和提高小车避障精度是电控系统设计中的难点。电控系统的整体结构如图：
3.2电控各模块的设计 3.2.1 电源稳压模块的设计 电源电路是保证整个电路系统能够正常工作的前提，电路系统的整个核心是单片机，单片机的工作电压为 ，所以要使电路能够正常的工作，则要保证输入到整个电控系统的电压在，同时为了在小车行驶过程中能够方便的提供电源，采用移动电源为电路供电，本设计得电源电路采用一节南孚 电池供电，将其安装在一个电池盒内，该电池盒自带电源开关，为了能够得到的工作电压，需要对高压进行降压稳定输出，所以需要一个电源降压稳压模块，电源稳压模块如图： 图3.1 电源电路
图3.2 AMS117-5.0降压模块 降压模块选用的是AMS117-5.0降压模块，当电流太高的时候，此模块就会起到限流的作用，温度升高的时候，也会保护，具有电池反接和反插入保护电路 [12]。该模块可以进行DC6.5-12V电压的输入，输出电压稳定在5v,输出最大电流为800ma，输入输出一共采用4个排针引脚，带电源指示灯，能够更好的判断模块是否工作。
3.2.1 单片机控制设计 整个电控系统的核心就像人类的大脑，操纵者整个系统，它应该具备处理系统数据，接受和发送指令控制各个模块的功能。在近几年，电子技术与集成电路的飞跃发展前进，将传统的复杂的电路集成到一块芯片上，并向着微型化，多功能化，快速化，精简化的方向发展。作为电路集成化的典型控制芯片单片机，是一个微控制器，单片机具备了数据处理，定时器，计数器，数模电路转换，控制功能，单片机能够将接收到的数据进行快速的处理运算，并根据相应的程序发送指令去控制相应的模块。单片机占用的空间小，信息存储量大，计算运行速度高，低功耗，适应能力强，反应灵敏，易掌握实现模块化设计。 在此课题电路设计中，硬件控制中心使用了单片机型号为AT89S52，一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。单片机具有功耗低，易学易掌握的特点，单片机的工作电压为5V，本设计用一节9V电池经降压模块稳定输出5V供电，单片机最小系统是单片机能够工作的前提，复位电路的作用是当单片机程序发生错乱时，按下复位电路的复位按钮，即可让单片机重新工作.时钟电路为单片机提供一定的节奏，是单片机有条不紊的工作，该系统采用单片机最小系统带锁DC05模块，该模块除了时钟电路和复位电路之外，还增加了ISP程序下载口，P0完成上拉电阻，具有两种电源供电方式，一种是DC-005的电源插座，二是三组排针电源端和接地端，可以输入和输出电压，晶振为11.0592MHz，带有自锁开关，随意改变电源的通断电状态，单片机的最小系统如下：
图3.3 AT89S52单片机最小系统模块 3.2.2测距循迹模块的设计 测距模块的选用决定着单片机是否能接收到准确的赛道信息，是否能按照设计的程序成功避障.测距寻迹模块的选用的要求应该具有对赛道信息准确反映的高精度，发射和接收声波信号的灵敏性，识别障碍物的范围广。传感器测距是小车识别障碍信息来躲避障碍的根据，在众多的测距一起里，一般有超声波和红外传感器 [13]。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号，通常是电信号的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 运用时间计时的方法测量距离，工作原理是给予超声波一个大于10us的上升沿电平信号，这个上升沿由控制单元单片机发出，当超声波模块接收到这个信号的时候，超 声波模块就会有频率为40kHz的声波发出，定时器在这个时候就尅是计时，当声波遇到障碍物时被反射回来[14]，系统就会停止计时器的工作，所以测量出来的距离为声速与定时器计时时间的二分之一的乘积，即见式（3.1）  (3.1)
V代表在空气介质中，超声波传播的速度快慢。是定时器从开始计时到停止计时的时间。无碳小车测距装置设计了安装了三个HC-SR04超声波，分别安装在小车的车头，左边和右边，互相呈45度角.可以在0.02-4m的范围内进行测量，测量误差达到3mm，由单片机的引脚触发，当单片机发送10us的上升沿给超声波，超声波就会发出40KHz方波，可以连续发射，在经过障碍物的反射后，当有信号返回到超声波的接收端时，超声波会自动检测。下图是超声波的时序发生过程： 
图3.4 HC-SR04超声波信号发生图 工作电压为4.5-5.5v，能将电能和超声波相互转化 [15]。能够发生相互转化的装置被称为是换能器。本方案中使用的型号为HC-SR04超声波测距传感器模块，方法简单，模块性能稳定，距离测量精确 [16]。下图为超声波传感器模块系统内部的工作原理图。 
图3.5 HC-SR04超声波模块系统原理图
图3.5 HC-SR04超声波模块电路原理图 3.2.3 温度检测电路的设计 由于声波在空气中传播受温度的影响比较大，为了提高超声波采集距离的准确性，增加了温度补偿模块。一般情况下，超声波的声波传播的速度与温度的变化呈现线性的关系，温度升高1℃，声速增加约为0．6m／s [17]。当空气中的温度变化幅度较大的时候，超声波在空气里的传播的速度也会相应的改变，两者的关系如下表： 表3.1 声波在空气中传播与温度的关系 
因此在考虑温度的情况下的声波速度可近似认为： 
 在本课题中，选用DS18B20温度传感器模块作为本系统的温度补偿，该模块带有温度指示灯，可以把温度物理量转化为数字量以总线方式传输到单片机内运算，DS18B20最低可以测量的温度为零下125°C，最高可测量125°C，测量的误差为±0.5°C,DS18B20外引出三根引脚线。分别是VCC线，GND线和数据线，电路图如下： 
图3.6 DS18B20温度传感器模块原理图 3.2.4 转向装置的设计 转向设计得精确与否直接决定这小车成功绕过障碍，转向装置的设计结构应简单紧凑，转向阻力小，转向元件的选用控制精度应较高，容易控制，能够输出足够的扭矩使小车转向前轮转向.在众多的智能小车，航模中大多都用到了舵机，舵机是一种角度控制的装置，作为一种输出执行机构，舵机通过单片机输出一定时间的时基脉冲，通过pwm脉冲宽度调制，控制脉冲的占空比，就可以得到相对应的角度，进而实现车轮的转向.但是在实际控制的时候，舵机编程比较困难，转速的控制较难。本设计的转向控制元件选用步进电机，将电机输出轴通过一个联轴器连接到前车轮车架上，通过已设计好的避障算法来控制步进电机转过的角度。步进电机的工作原理是将电信号转化成一定角度的执行机构，工作适应能力强，受环境影响较小，控制起来较为容易，在众多的电控系统中，电机的应用最广泛。 课题中用型号为28BYJ-48的步进电机作为小车的转向装置动力，这种电机体积小，控制精度高，误差小，这种电机属于永磁式电机，有四相电源线，以八拍的方式通电，电机的主要参数如下表:
图3.7 28BYJ-48步进电机参数
电机在5v的电压下工作，由于其功率输出不大，带动能力较弱，因此需要在单片机和电机之间增加一个电机驱动电路，本设计采用了ULN2003电机驱动电路 模块，驱动电路原理图如下： 
图3.8 ULN2003电机驱动模块原理图 用单片机的P1口的低四位分别接到驱动电路的输入端子输出端分别接到电机四个相线端子，就可以驱动电机转动。步进电机工作的原理图如下： 
图3.9 28BYJ-48步进电机内部结构图
28BYJ-48步进电机内部的定子上有八个齿，相对的两个齿上通过绕组串联起来，一共是四对，组成了四相，每一相一端接电源，一段接地.转子上有六个齿，每一个都带有磁性。其工作原理是当B相通电时，在磁场力中，缠着绕组的转子齿发生转动，此时转子两头就会正对着B相的两个齿，此时转子的1齿的两边会与C相形成一定的角度。当把B相电源断开，C相送上电源时，转子再次转动，使1齿和4齿向逆时针方向转动，此时1齿的两边又会正对着c相绕组的两个齿，同理2齿的两边又会和D相绕组的两个齿形成一定的夹角，以此类推，如果先给B相通电，然后是C相，其次是D相，最后是A相，转子转动的方向就会相反，而这个转过的角度就是一个步距角，通电一次转子转过一个角度为一拍，每次只通电一相，这种方式称为单四拍，当通电完成了一个四拍，转子转过的范围就是一个定子，如果转过了八个定子，这时转子就转过了一圈，则需要32拍，转子转一拍所转的角度就是步距角，不难算出，步距角为 。 如果通电方式改为两相同时通电，则相邻的两组定子齿都会产生相同的磁场力，此时转子齿不会正对着定子齿，而是相邻的两个转子齿连线的中心线和相邻两个定子齿连线的中心线共线，此时每通电一拍，转子转过的角度为原来单拍通电转过角度的一般，即5.625°，则转子转过一个定子齿则需要8拍，转子转过一圈就需要64拍，由于两相同时通电而产生的中间拍，会在原来的单四拍之间增加一定的力量，这就会增大电机的输出扭矩。电机在机械结构上有一个四级传动，传动比为1:64，要使电机输出轴转动一圈，则需要让转子转转64圈，需要通电64*64=4096拍.28BYJ-48步进电机向外引出五条线，电机的外部结构如下图： 
图3.10 28BYJ-48步进电机外观图 红线作为电源公共端，接5v电压供电其余的橙色，黄色，粉红色，蓝色则对应着ABCD
四相端子，如想要使某一相通电，便把哪一相接地便可，单八拍模式如图： 
图3.11 28BYJ-48步进电机八拍示意图 当把A相接通时，则将对应接口的单片机引脚输入低电平即0，八拍的通电模式应该是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,连续向单片机输入这些数据，就可以让电机连续转动。当超声波检测到障碍时，数据发送到单片机，触发单片机相应程序给定电机一定的启动频率，根据设定的转过的角度进行避障，电机输出轴的转速由脉冲的频率决定，输出一定的脉冲个数就可以让电机停在预期的位置。 3.2.5避障方式的设计 在机器人的避障研究中，控制机器人动作的方法是特定的路径规划，以达到它的长远目标 [18]。在此避障设计中，也是按照路径规划的思想设计无碳小车的避障算法，避障算法是整个电控小车设计得核心，也是设计的难点，在避障算法中，小车的整体尺寸，赛道的情况，小车行走的状态，都是避障算法的关键，小车最理想的行走状态就是小车中轴线与赛道的中轴线重合，但是在实际中不会完全重合，这就要依靠电机来控制小车，因此需要将左右超声波与赛道的距离分解，分解成与赛道垂直和平行的两个方向两量，如下图：
图3.12 超声波测距距离分解图
设置一个小车到障碍物的安全距离FS，根据安全距离的值来判定小车是否转向。左右两侧的超声波与赛道的方向分量LcS和RcS的值不一样时，将会决定着小车向哪方向发生偏转。小车在赛道行驶中会出现以下三种情况，第一种如图a小车中轴线与赛道中轴线不重合，障碍物没有完全遮挡住超声波的探测范围，因此这种情况会导致超声波存在探测盲区，小车前边的超声波将不会采集到赛道信息，小车避障会失败。第二种情况如图b，小车距离赛道的距离大于障碍物的长度，此时小车对前方的物体无能为力，也就不能转弯，但是随着与障碍物的距离越来越近，LcS和RcS的差值会越来越大，此时小车会发生不必要的转向.第三种情况如图c，小车与赛道的距离小于赛道与中轴线的距离，此时前端的超声波可以完全检测到障碍物，使小车发生转弯，但小车不一定能在中轴线上行驶。  
 （a）超声波部分测距 （b）超声波不测距 （c）超声波完全检测 图3.13 小车遇障图
结合赛道的情况和这三种情况，根据题目要求，障碍强高80mm，障碍挡板长度要伸出赛道中轴线100-150mm，根据小车整体宽度为124mm，为了使前边的超声波都能够识别到障碍物，尽量使小车尽量行驶在赛道中间，设定 LfS与RfS的差值在一个范围内，如果超出了这个范围，超声波测距的值将会传送到单片机，控制电机的转角，使小车尽量行走在赛道中间，不至于发生过大的偏转。 3.2.6 避障算法的设计 为了简化小车的避障算法，将使电机控制小车在赛道中轴线行驶，具体算法过程如下： 小车的宽度为124mm，为了使小车更容易的转向，将小车的转弯半径设计稍大一些，小车在距障碍物近时，转弯半径会大些，距离远则会半径小，为了使小车转弯的时候更流畅，不发生侧翻，故可以对安全距离和小车的关系建立数学模型，建立一个反比例函数， ，当电机设定了转过一定的角度后，将总的度数分为y份，x代表安全距离，a代表小车转弯时的平滑度，决定着小车转弯是否平稳，b为小车距离的控制量，当小车与障碍物的距离过小时，不至于电机处于不反应状态，其数学模型如图： 
图3.14 小车遇障图 这样就可以控制电机转弯的平滑度。当赛道左边有障碍物时，首先设置FS的最小转向距离，小车前方的超声波距离障碍物挡板的距离为S，起初在没有遇到障碍物时，LS=RS,其距离分量也相等，当小车继续前进遇到障碍物时，此时单片机会向电机发出转向的指令，与此同时，左右超声波与障碍物距离的垂直分量LcS和RcS会进行一个数值的比较，当障碍物的距离越来越近时， LcS和RcS的差值会慢慢变大，LcS会越来越小，RcS的数值不变，当达到一定差值范围内，单片机就会再次发送发送指令，当前方的安全距离和左右距离的差值都满足条件后，电机就开始转弯。实现小车的左右转向，使小车向右方转弯，如图：
图3.15 小车转弯
小车转弯时，三个超声波转会暂时被关掉，不会再测量距离，小车会向右前方行走，经过时间t1时，小车与左边赛道的距离大于障碍物长度，电机又会使小车发生转向，使小车大致与平行赛道行走，经过短暂的时间t2后，小车又一次转弯，向左前方行走，经过时间t3，小车已完全绕过障碍，此时再起启动超声波，使小车回到赛道的中轴线上，以此原理，小车可以绕过多个障碍， 小车避障的轨迹近似于等腰梯形 ，轨迹如下图： 
图3.16 小车转弯轨迹 t1，t2，t3的数值由实际运动中调试确定。 3.2.7 信号指示电路的设计 为了更直观的观察超声波的工作状态，设计了一组6个工作指示灯，每个指示灯与一个电阻值为510欧姆的电阻，每个指示灯对应一个超声波引脚，采用了共阳极的接法，通过对指示灯的观察来判断超声波是否正常工作，方便检修，指示灯电路如下：
图3.17 超声波工作状态指示灯
3.2.8 程序下载模块设计 程序编号之后。需要把程序一直到单片机中，使系统工作，下载口采用单片机最小系统模块自带的ISP编程烧录方式下载，选用了免驱动型的USBASP下载模块，该下载器不用安装驱动，使用USB接口供电，采用了标准的IDC10引脚口，插入电脑后就会自动识别下载器，下载流畅.其模块硬件图和单片机连接图如下：
图3.18 IPS程序下载电路 3.3 软件的设计 在硬件设计好之后，就需要通过一定的指令协调各个模块进行正常的工作，软件采用c语言编程，c语言应用广，可移植性较强，容易编写，易懂，产生的很少的机器代码，对运行环境的条件较低，c语言比较通用，在系统和软件的开发有着非常广的应用。功能多，有着很多的数据类型，最为灵活方便的就是指针功能，大大提高了程序指令的效率。 控制硬件最要的部分就是软件的设计，只有设计好控制的指令，才会使硬件发挥功能，需要经过反复的调试试验 [19]。在本软件设计中，为了编程方便，使读者更容易理解，因此采用模块化编程的思想，将整个系统分为，超声波程序模块，电机驱动程序模块，温度模块，方便日后的程序调试，具体的流程图如下：
3.4 机电系统的安装与调试
在机械部分和电控部分都设计好之后，接下来就是实现最后的避障功能，将电控各部分模块组装好之后，由于机械部分的结构紧凑，空间小，所以合理的安装电控模块也是非常重要的，在机电部分安装之后，将程序通过下载器下载到单片机内，先给电路部分通电，在将小车放入赛道中，首先调试左右两边超声波与赛道两边的距离，实时控制电机的转角，使小车尽量在赛道中间行走，然后确保前方超声波与障碍物的安全距离，确保小车在转弯时不能与障碍物相撞，合理的选用转角半径，最后在转弯过程中，合理的调试小车绕过障碍的时间。
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