基于Arduino的智能避障自動導引車設計

林容異 李俊輝 李國豪 李向欣 鄭譽煌

摘要 自動導引車是現(xiàn)階段工業(yè)運輸以及快速倉儲管理系統(tǒng)的重要應用之一，其智能避障研究就是其中的一個重要研究方向。本文提供了一種基于Arduino平臺、采用超聲波測距的方式、搭載7500mAh電池、四輪架構的自動導引車設計，提高了自動導引車運輸?shù)陌踩浴?/p>

【關鍵詞】自動導引車 Arduino 超聲波

1 引言

自動導引車（AGV）可以在制定的路線上移動并完成運輸、巡邏以及裝卸等功能，因此人們可以在生活中用它來解決一些繁重甚至于危險的工作，這也極大地方便于人們的工業(yè)生產(chǎn)以及生活運輸管理。避障是AGV小車中一項很關鍵的技術，因為它的正常運行才能避免小車與其他東西碰撞與摩擦以至于防止小車的損壞。目前，AGV小車大多采用單個傳感器實現(xiàn)單面避障，但單面避障存在著固有的缺陷，如：障礙物探測緩慢、避障成功率較低等。因此，本文提出了一種基于Arduino的智能避障自動導引車設計方案。

2 硬件結(jié)構設計

2.1 傳感器模塊

目前用于避障的傳感器大多使用紅外傳感器以及超聲波傳感器兩類。但由于紅外傳感器受光照環(huán)境影響較大，檢測距離長短也會因光源變化而受到限制，而超聲波模塊受環(huán)境影響相對較小，適應性更強，因此在本方案中采用超聲波傳感器來實現(xiàn)測距避障的功能。

超聲波是指頻率高于20KHz的機械波，通常依靠空氣這種廣泛存在的介質(zhì)進行傳播，通過測算發(fā)出超聲波到接收回波的時間以及接收超聲波的強弱，可以對障礙物距離以及其物理形態(tài)進行判斷。

在本實驗中，小車上安裝了US-100超聲波模塊。該模塊可以實現(xiàn)0-4.5m的非接觸測距，可以滿足測距避障這個功能。

2.2 控制系統(tǒng)

小車的控制核心是由Arduino Mega2560及其相關電路組成。Ardumo價格便宜，它的一些電子電路及底層驅(qū)動庫已經(jīng)被寫進了一個個模塊當中，因此人們不需要懂得太復雜的編程，只要懂得一些簡單的邏輯關系便可以很好地使用它。在Mega2560單片機板上分配有多路數(shù)字信號輸入輸出口和模擬信號輸入口，可以實現(xiàn)對各種信號進行采集與分析并做出反應，亦可接入外設完成一系列復雜的功能。Arduino類單片機操作方便，程序編寫簡潔，采用Arduino IDE軟件可以在電腦上實現(xiàn)快速編譯、下載、調(diào)試、維護等步驟。

2.3 動力模塊

小車采用了四輪架構，保證了運載物體時的平穩(wěn)，其中車子前面兩個輪子均為萬向球，后面兩個輪子均為動力輪。為了小車具備有一定的載重能力與驅(qū)動能力，兩個后輪的驅(qū)動電機采用了直流電壓12V的大功率直流減速電機。這種電機具有較大的力矩，可以帶動比較沉重的貨物，通過控制這兩個動力輪具備不同的速度，產(chǎn)生一定的速度差，便可以利用差速改變小車的方向，從而實現(xiàn)小車檢測到障礙物后換向的功能，如圖1所示。差速轉(zhuǎn)向的方法簡化了小車的機械結(jié)構，使小車可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎，保證了貨物在小車改變方向時不會輕易傾斜或掉落。同時小車使用了7500mAh容量，輸出為12V的可充電鋰離子電池作為動力來源，保證了小車工作的耐久性和可持續(xù)性。

2.4 電機驅(qū)動模塊

小車的電機驅(qū)動控制模塊在本設計中用了一個直流電機調(diào)速模塊來代替。該模塊電路上面有繼電器與電位器，它不僅可以用芯片的弱電信號來控制繼電器的開或關進而控制電機的啟停與正反轉(zhuǎn)，也可以通過改變電位器阻值的大小來控制小車電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)了對電機驅(qū)動和速度的控制。

3 系統(tǒng)程序設計

當電源開關開啟后，小車的超聲波模塊便開始檢測前方有無障礙物，然后引導控制小車的啟停。當檢測到前方有障礙物時，小車根據(jù)障礙物在不同方向上的距離作出不同的避障運動方式。

3.1 檢測方式

小車避障的檢測方式采用超聲波探察障礙物的方式。US-100超聲波模塊具有兩種觸發(fā)模式，在本設計中選擇了電平觸發(fā)模式。在一段大于1Ous的高電平輸入后，超聲波模塊的發(fā)射探頭循環(huán)發(fā)出了8個40KHZ的超聲波脈沖，然后接收探頭開始檢測回波信號，在檢測到回波信號后，該模塊對溫度值也進行了一次測量，并通過測量到的溫度值對測距結(jié)果進行校正。接著，根據(jù)聲音在空氣中的傳播速度以及超聲波接收到高電平的持續(xù)時間，便可以計算超聲波模塊與障礙物間的距離。最后控制系統(tǒng)通過分析這個距離，檢測了小車是否需要避障。

3.2 避障方式

小車的避障方式與超聲波在一定距離探察到的障礙物位置方向有關系。在本設計中，小車上搭載了三個超聲波傳感器，它們分別安裝在小車的前端左側(cè)，小車前端中央以及小車的前端右側(cè)下，如圖2所示。這種設計實現(xiàn)了對前方障礙物的全面探測，擴大了探測范圍，確保小車在多種情況下都能夠探察到障礙物并實現(xiàn)避障的功能。

小車的程序框圖設計與避障方式如圖3所示。當開啟小車電源開關后，小車前端的超聲波傳感器輪流檢測一遍前方障礙物的距離，然后通過控制系統(tǒng)分析得到的數(shù)據(jù)。若前方障礙物離超聲波模塊的距離小于一定數(shù)值時，在程序上判定在該傳感器前方檢測到存在障礙物。每個超聲波傳感器的探測均會有探查到障礙物和未探查到障礙物兩種情況，因此實際上小車遇到障礙物不同的情況會有八種。在其中，有些情況處理的避障方式是一樣的。比如，只有左側(cè)探測到障礙物與只有左側(cè)和中央探測到障礙物可以歸為一類，小車遇到這類情況會右轉(zhuǎn);只有右側(cè)探測到障礙物與只有右側(cè)和中央探測到障礙物可以歸為一類，小車遇到這類情況會左轉(zhuǎn);只有左側(cè)和右側(cè)探測到障礙物與左中右三向同時探測到障礙物又可以歸為一類，小車遇到這類情況會后退。若只有中央的傳感器檢測到障礙物時，控制系統(tǒng)會將前端左右兩側(cè)超聲波傳感器探測到障礙物的距離進行大小比較，然后根據(jù)結(jié)果執(zhí)行相應的避障方式一一左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或停止。

通過實驗，本文提出的小車設計能夠在承載約50kg的情況下順利地避開障礙物前行，在狹隘過不去的窄道后退，在無路可走時停止，那么也就證實了這個智能避障小車設計能夠完成安全穩(wěn)定避障的功能，可以用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的貨物搬運，減少人力財力的耗費，方便人們的工作與生活。

3 結(jié)束語

自動導引車是集機械制造、電子傳感器、單片機控制等多種先進工藝技術于一體的自動化、智能化產(chǎn)品。最近幾年，隨著工業(yè)4.0概念的深入人心，在自動化方向，各種智能產(chǎn)品如雨后春筍般崛起。在瞬息萬變的研究中，自動導引車的發(fā)展將逐步邁向成熟，一種更加高效、更加自動化的AGV將會因避障技術的成熟，行駛安全得到保障而逐步在人類的生產(chǎn)與生活中發(fā)揮出巨大的作用。

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