基于樹莓派的自動避障小車的設(shè)計與實現(xiàn)*

張秉森，馬吉忠，楊一飛，張 敏，毛漢奎，吳麗麗

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來，智能化的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)并進(jìn)入人們的生活。就目前來說，自動化、智能化就是未來社會發(fā)展的方向。歷史上的三次工業(yè)革命極大促進(jìn)了人類社會發(fā)展。 第一次、第二次工業(yè)革命推動了機(jī)械的發(fā)展，解放了社會生產(chǎn)力；第三次工業(yè)革命是信息技術(shù)的革命，對人們的生活方式和思維方式產(chǎn)生了巨大的影響[1]；而第四次工業(yè)革命已經(jīng)來到，毫無疑問，這次的工業(yè)革命將會對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的影響。 本項目設(shè)計自動避障小車具有用途廣泛、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點，可以根據(jù)需求來添加所需要的功能，市場應(yīng)用前景廣闊。

1 總體結(jié)構(gòu)

圖1 自動避障小車總體結(jié)構(gòu)

本項目設(shè)計的自動避障小車主要由以下五個模塊組成：超聲波避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、攝像頭模塊、藍(lán)牙模塊、手機(jī)APP。 五大模塊在主控芯片樹莓派3B+的控制協(xié)調(diào)之下，完成小車的自動避障功能。 小車啟動運(yùn)行后自動前行，通過自動避障模塊計算判斷前方障礙物，然后通過電機(jī)驅(qū)動模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)向避讓。 后期可以再根據(jù)自己的需求添加對應(yīng)的功能，可擴(kuò)展性極強(qiáng)。 小車總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

主控芯片可以說是自動避障小車的核心和大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制小車的所有功能的實現(xiàn)和運(yùn)行。 所以選用了樹莓派3B+作為小車的控制芯片。 樹莓派3B+是一款基于ARM 的微型電腦主板，具備所有PC 的基本功能，其采用了 4 核 Cortex A53 64 位 V8 結(jié)構(gòu)，自帶 1GB 的內(nèi)存和 4個USB 接口，帶有視頻輸入、影像輸出、音源輸出等一系列輸入輸出接口，性能優(yōu)秀，且成本較低，使用安裝方便。實物如圖2 所示。

圖2 主控芯片樹莓派3B+

2.2 超聲波避障模塊

超聲波測距的原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，然后通過計算源聲波發(fā)送時刻和回波信號接收時刻的時間間隔來獲取障礙物的距離信息。

選用了HC-SR04 芯片作為小車的超聲波避障模塊的主控。 其工作原理是從控制口發(fā)射出電平信號，然后在接收口等待電平信號輸入。 當(dāng)接收口接收到電平信號之后打開定時器計時，電平信號消失后時讀取定時器的值，即為此次測距的時間，再通過時間即可算出距離。

HC-SR04 超聲波測距模塊提供了2cm～400cm 的非接觸式距離，其工作時序圖如圖3 所示[2]。 HC-SR04 需要提供一個10us 以上的脈沖觸發(fā)信號來激活模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)后，模塊內(nèi)部發(fā)出8 個40kHz 周期電平并檢測回波的到來，當(dāng)檢測到有回波信號時輸出回響信號[3]。回響信號脈沖寬度與所測距離成線性相關(guān)[4]。為了防止發(fā)射信號對回響信號的干擾，觸發(fā)信號周期為60ms以上[2]。

圖3 HC-SR04 超聲波測距模塊工作時序圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

選用了L298N 電機(jī)驅(qū)動芯片作為小車的驅(qū)動的主控。L298 電機(jī)驅(qū)動芯片是SGS 公司的產(chǎn)品，其中比較常見的一款是L298N 電機(jī)驅(qū)動芯片。 一片L298N 芯片可同時驅(qū)動多個直流電機(jī)做各種不同的動作，且具有過熱保護(hù)和檢測反饋功能，可以與樹莓派3B+直接相連，操作使用簡單方便，穩(wěn)定性好。 其電路圖如圖4 所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

2.4 攝像頭模塊

選用了與樹莓派配套的DSI 排線攝像頭作為攝像頭模塊的攝像頭，其與樹莓派3B+直接相連，圖像回傳效果較好。

2.5 藍(lán)牙模塊

小車的藍(lán)牙模塊是樹莓派3B+自帶的藍(lán)牙，以此實現(xiàn)電腦、手機(jī)與小車之間的通信聯(lián)系。

3 軟件設(shè)計

手機(jī)APP 基于Android Studio 開發(fā)，主要用于控制小車啟停、查看實時傳回圖像等。 其主界面如圖5 所示。

圖5 手機(jī)APP 主界面

4 總結(jié)

自動避障小車基于樹莓派芯片設(shè)計實現(xiàn)，通過超聲波測距、攝像頭等實現(xiàn)了小車的自動避障功能，達(dá)到了預(yù)計的設(shè)計效果。 后續(xù)可以根據(jù)需要的功能再去添加，應(yīng)用推廣價值極高。