基于Arduino的智能小車(chē)

陶冶　李馳新

摘要：系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)為控制核心，超聲波傳感器測(cè)距，L298N驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)小車(chē)運(yùn)行，利用Arduino語(yǔ)言編程控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)檢測(cè)到小車(chē)前方有障礙物時(shí)，單片機(jī)發(fā)指令讓小車(chē)左轉(zhuǎn)一定角度，無(wú)障礙物則直行并繼續(xù)探測(cè)，小車(chē)還具有紅外尋跡功能，按照預(yù)先設(shè)置的軌道運(yùn)行并完成特定任務(wù)。

關(guān)鍵詞：Arduino單片機(jī);超聲波傳感器;避障

中圖分類號(hào)：TP31 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0222-02

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，機(jī)器人進(jìn)入各行各業(yè)并使人們的生活方式更加便捷。 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)避障和引導(dǎo)功能就要有感知功能，紅外傳感器給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)感知功能[1]。以Arduino單片機(jī)為控制核心的智能避障機(jī)器人，主要研究小車(chē)在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)運(yùn)作的避障功能[2]。利用超聲波傳感器檢測(cè)軌跡上的障礙物，通過(guò)單片機(jī)程序控制小車(chē)直行或偏轉(zhuǎn)一定角度繼續(xù)運(yùn)行，不斷探測(cè)和實(shí)施控制。

1 設(shè)計(jì)原理與方法

本系統(tǒng)中直流電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速的智能控制，由PWM控制系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)[3]。 調(diào)制脈沖信號(hào)由Arduino Uno單片機(jī)產(chǎn)生并控制直流電機(jī)工作[4]。該P(yáng)WM 控制系統(tǒng)由設(shè)計(jì)控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成。避障機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)，后輪是支撐和轉(zhuǎn)向的萬(wàn)向輪，前輪用兩個(gè)電機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

避障機(jī)器人的硬件組成：Arduino單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波傳感器、紅外傳感器、電源、直流電機(jī)模塊。電源給整個(gè)小車(chē)供電，避障機(jī)器人以Arduino單片機(jī)為核心，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按預(yù)期規(guī)則運(yùn)動(dòng)[5]。車(chē)身的最前端安裝有超聲波傳感器，通過(guò)收發(fā)超聲波探測(cè)障礙物。當(dāng)檢測(cè)到障礙物，單片機(jī)程序做出向左旋轉(zhuǎn)的操作，沒(méi)有檢測(cè)到就繼續(xù)直行，然后繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的循跡避障功能。硬件框架圖如圖1所示。

2.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)采用Atmel Atmega328微處理。其模塊為：5V穩(wěn)壓電路，程序下載電路，電源接口，6路AD采樣，USB供電，ISP下載接口，IO備用接口等。Arduino Uno實(shí)物圖如圖2所示。

2.2 電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用L298N的H橋電路。通過(guò)單片機(jī)控制占空比調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，H橋電路效率非常高，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的簡(jiǎn)單控制，穩(wěn)定性高、速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。L298N有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、反壓保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)保護(hù)電機(jī)和電路[6]。這種調(diào)速方式有調(diào)速范圍廣、調(diào)速特性優(yōu)良、過(guò)載能力大、調(diào)整平滑、無(wú)級(jí)快速反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。L298N電路原理圖如圖3所示。

2.3 避障模塊

超聲波測(cè)距模塊HC-SR04，提供非接觸式2CM-400CM距離的感測(cè)功能，測(cè)量精確度達(dá)到3mm;模塊組成：超聲波接收器，發(fā)射器和控制電路。避障模塊實(shí)物圖如圖4所示。

基本工作原理：

（1）采用10us的高電平信號(hào)觸發(fā)TRIG測(cè)距;

（2）自動(dòng)檢測(cè)時(shí)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，模塊檢測(cè)是否有自動(dòng)信號(hào)返回;

（3）ECHO輸出一個(gè)高電平代表有信號(hào)返回，超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間就是高電平持續(xù)時(shí)間。距離=（聲速（340M/S）*高電平時(shí)間）/2;

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino語(yǔ)言

Arduino可以讓我快速使用與Macromedia Flash， Processing， Max/MSP， Pure Data等軟件。Arduino可以使用各種傳感器、控制器、電子元件、步進(jìn)電機(jī)、LED等裝置[7]。Arduino基于源碼開(kāi)放的IDE界面，可以與上面軟件交互，也可以獨(dú)立運(yùn)行。

3.2 Arduino IDE

Arduino IDE運(yùn)行界面如圖5所示。Arduino語(yǔ)言是一種類c的語(yǔ)言。在這個(gè)界面里有我編程時(shí)最常用的東西，當(dāng)我把鼠標(biāo)放在上面就會(huì)在右側(cè)出現(xiàn)按鍵的功能。

下載程序到機(jī)器人控制器Arduino中的操作如圖6所示，在此標(biāo)示了位置上傳功能。最右邊的圖標(biāo)是我需要熟知的串口監(jiān)視器，快捷鍵是：Ctrl+Shift+M。點(diǎn)這個(gè)圖標(biāo)的前提是插上了串口設(shè)備，當(dāng)然Arduino插在USB上也可以，Arduino Uno主板上內(nèi)置了USB轉(zhuǎn)串口芯片[8]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

避障機(jī)器人的系統(tǒng)調(diào)試分兩大模塊：超聲波測(cè)距模塊和L298N驅(qū)動(dòng)模塊。先把兩大模塊分別獨(dú)立調(diào)試，正常后把所有硬件模塊組合起來(lái)進(jìn)行綜合調(diào)試。

4.1 電機(jī)調(diào)試

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上。有EA，I1，I2，EB，I3，I4六個(gè)端子用于控制電機(jī)。EA，EB為兩路電機(jī)的控制使能，PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。程序編譯下載后出現(xiàn)小問(wèn)題，通過(guò)右側(cè)車(chē)輪的電機(jī)線修改解決了小車(chē)不停旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

4.2 調(diào)試超聲波模塊

超聲波傳感器的引腳：發(fā)射引腳、接收引腳、電源VCC，地GND， Arduino Uno的對(duì)應(yīng)引腳分別連接這四根插線，完成測(cè)試程序的下載和燒制[9]，測(cè)試超聲波模塊結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能機(jī)器人可以精確操作，提高效率解決難題，基于Arduino智能小車(chē)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)偏離和自動(dòng)避障的功能，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警實(shí)現(xiàn)了人機(jī)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)小車(chē)根據(jù)外部環(huán)境和遠(yuǎn)程指令，做出前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，這樣的避障小車(chē)還用于環(huán)境探測(cè)等多種用途，減少了人們的工作危險(xiǎn)系數(shù)，解決了惡劣環(huán)境下勘探的需求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[9] 李飛.“智能化”電子產(chǎn)品中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（6）.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】