基于Ardinuo的智能小車自動避障系統(tǒng)設(shè)計

王森龍　王哲

摘 要：為了提高智能小車的避障能力，設(shè)計了一種智能小車的自動避障系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Ardinuo為主控芯片，通過紅外避障傳感器與超聲波避障傳感器探測小車前方與側(cè)面的障礙物信息，實現(xiàn)小車全方位的避障能力。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的自動避障系統(tǒng)能夠有效地躲避障礙物，提升智能小車的避障能力。

關(guān)鍵詞：Ardinuo 智能小車 自動避障 傳感器

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）09-0-02

引言

智能小車作為一種輪式智能機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到實際生活中各個方面[1]。它屬于具有體積小、操控靈活簡單等優(yōu)點[2，3]。但是，在智能小車行進(jìn)過程中難免會遇到障礙物，設(shè)計合理的避障系統(tǒng)，從而使其具備障礙物檢測能力，避免與障礙物發(fā)生碰撞造成機(jī)器人損壞，已然成為了智能小車必須具備的能力[4]。

目前，智能小車大多通常采用一個傳感器實現(xiàn)行進(jìn)前方的避障，但這種避障方式存在著障礙物探測能力有限、無法實現(xiàn)側(cè)方及全方位的避障等問題。為此，本文設(shè)計了一種由前方避障和側(cè)方避障構(gòu)成的全方位自動避障系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用紅外單點避障方式實現(xiàn)前方避障，采用超聲波避障方式實現(xiàn)雙路側(cè)方避障，從而使得智能小車具備全方位避障能力，有效提升智能小車的自主避障能力。

一、避障系統(tǒng)方案設(shè)計

本文所設(shè)計研究的智能小車避障系統(tǒng)主要由 Arduino UNO R3 主控單元、電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外單點避障傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、藍(lán)牙串口通信模塊以及 Android 界面模塊構(gòu)成。智能小車避障系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示。

1.Arduino主控單元

Arduino主控單元由基于單片機(jī)的開源硬件平臺及為其提供編程接口、編程語言等的開源軟件組成，開發(fā)環(huán)境和編程語言簡明清晰，易于掌握。它有4個PWM輸出，滿足系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動的需求，同時可擴(kuò)展藍(lán)牙串口模塊，可以與Android設(shè)備的連接，實現(xiàn)藍(lán)牙遙控[5]。

2.電機(jī)驅(qū)動模塊

智能小車采用直流電機(jī)作為執(zhí)行器件，采用直流電機(jī)驅(qū)動芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片，通過通過Arduino主控單元發(fā)出的PWM調(diào)制信號實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，通過控制兩個直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。所設(shè)計的智能小車電機(jī)驅(qū)動模塊如圖2所示。

3.自動避障功能模塊

通常應(yīng)用于智能小車測距避障的傳感器主要有紅外避障傳感器和超聲波避障傳感器等。為了實現(xiàn)智能小車的全方位自動避障功能，本文基于兩種傳感器各自的性能，將這兩種測距傳感器的結(jié)合使用，在小車前端中央設(shè)置一個紅外避障傳感器，用于探測小車前方的障礙物；在小車前端左右兩側(cè)各安裝一個超聲波避障傳感器，擴(kuò)大其避障的范圍，以實現(xiàn)智能小車對障礙物的全方位有效避障。

紅外避障傳感器具有無盲區(qū)、測距精度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，該避障模塊采用夏普GP2Y0A21紅外測距傳感器，夏普GP2Y0A21型紅外測距傳感器是基于位置敏感傳感器PSD（Position Sensitive Device）的微距傳感器，捕捉的是光信號并且有著基于Lucovusky 方程的電路設(shè)計，其有效的測量距離為80cm。為了彌補(bǔ)紅外避障傳感器的受環(huán)境影響較大、探測距離較近等缺陷，基于多傳感器信息融合的思想，將紅外避障傳感器與超聲波避障傳感器互補(bǔ)，使智能小車具有速度快且精度準(zhǔn)確的感測范圍。

超聲波避障模塊選用HC-SR04，其傳輸距離范圍較寬，并且測距精度較高，廣泛用于智能機(jī)器人的測距避障中。該模塊包含超聲控制電路、發(fā)射器以及接收器。HC-SR04超聲波測距模塊原理圖如圖3所示。

4.Android設(shè)備界面

本設(shè)計需開發(fā)Android設(shè)備的控制界面，可以實現(xiàn)發(fā)送通信協(xié)議中字符的功能。考慮到Android設(shè)備大部分為觸屏操作，且從用戶體驗的角度出發(fā)在APP中加入重力感應(yīng)操作，可以像玩重力感應(yīng)游戲一樣實現(xiàn)對智能小車運(yùn)動方向的控制。所設(shè)計的Android設(shè)備界面設(shè)計，如圖4所示。

5.系統(tǒng)避障軟件設(shè)計

智能小車在行進(jìn)過程中，紅外避障與超聲波避障傳感器不斷地檢測小車周邊是否存在障礙物。在無障礙物的情況下，小車?yán)^續(xù)行進(jìn)。當(dāng)有障礙物被檢測到，則通過判斷檢測到障礙物的傳感器的數(shù)量，來實現(xiàn)智能小測的全方位自動避障。具體過程為：當(dāng)紅外避障傳感器或者是超聲波傳感器檢測到障礙物時，小車向遠(yuǎn)離障礙物的方向行進(jìn)；當(dāng)紅外避障傳感器和超聲波傳感器均檢測到障礙物時，小車向未檢測到障礙物方向轉(zhuǎn)向；當(dāng)小車避開障礙物后，小車?yán)^續(xù)行進(jìn)。流程圖如圖5所示。

二、結(jié)論

本文設(shè)計完成了基于Arduino平臺的智能小車避障系統(tǒng)，基于多傳感器信息融合的思想，采用紅外避障傳感器和超聲波傳感器相結(jié)合的避障方式，旨在提高智能小車的避障能力。此外設(shè)計完成了Android設(shè)備的控制軟件用于對智能小車的控制。測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計的避障系統(tǒng)能夠有效地躲避障礙物，提升智能小車的避障能力。

參考文獻(xiàn)

[1]楊華. 智能機(jī)器人教學(xué)設(shè)備的開發(fā)[J]. 電子制作， 2017（7）：79-79.

[2]陳江. 智能小車研究綜述[J]. 鎮(zhèn)江高專學(xué)報， 2017， 30（4）：58-60.

[3]符強(qiáng)， 任風(fēng)華. 基于手機(jī)藍(lán)牙的遙控小車的設(shè)計[J].現(xiàn)代計算機(jī)（專業(yè)版），201l，（31）：77-79.

[4]林長青， 成海量. 基于Android系統(tǒng)和藍(lán)牙通信的手機(jī)遙控車設(shè)計[J]. 山西電子技術(shù)， 2012，（03）：56-58.

[5]聶茹， 嚴(yán)明. 基于Arduino開發(fā)板的智能小車設(shè)計[J]. 微處理機(jī)， 2015（4）：89-91.

作者簡介：王森龍（2001-），男，漢族，山西運(yùn)城人，山西運(yùn)城康杰中學(xué)學(xué)生。

指導(dǎo)教師：王哲（1992-），男，漢族，山西運(yùn)城人，山西運(yùn)城康杰中學(xué)科技競賽指導(dǎo)教師。