基于Arduino 的智能避障小車設計＊

曾穎琳，董 欣，倪 鵬，郭 斌

（新疆農業大學計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊830052）

1 引言

目前，人工智能和自動化技術的快速發展引領了許多產業的飛速進步，越來越多的智能控制產品走進了人們的生活。自動駕駛車應用了智能控制、模式識別、計算機、傳感器等多種技術[1]。自動駕駛車的應用不但可以有效地緩解交通問題，而且可以把人從駕駛過程中解放出來，避免由疲勞駕駛、酒駕、操作失誤等引起的突發意外，從而為人們的生活提供便利，因此，它越來越受到人們的密切關注。智能避障小車是自動駕駛車的雛形，也是必備的基礎之一，其主要是解決車在行駛過程中的自動避開障礙物的問題，這一問題的解決也是輔助車自動駕駛的必要條件之一，所以對其進行研究和探討具有一定的意義。目前，各院校都有過對智能避障小車研究的報道，且獲得了一定的應用。作為自動駕駛的重要基礎，利用所學的知識實現智能避障小車不但為以后的開發積累必要的經驗，也是進一步研究的必經之路。本文是以Arduino 開發板作為核心控制器，結合超聲波傳感器、電機、舵機等硬件設計和程序調用，實現避障功能以達到小車的自動行駛。

2 系統設計

本設計選用Arduino 微處理器作為主控芯片。它是目前被使用較為廣泛的電子芯片，其開發語言為C 語言，具有使用簡單的優點[2]。Arduino 的主要特點是其參數的函數化設置，它在很大程度上降低了開發的門檻，因此用戶不用從底層了解它的結構。此外，它還可以簡單地與各種傳感器和電子元器件進行連接，便于開發和功能擴展。在本設計中，智能小車搭載超聲波傳感器、舵機作為避障模塊的核心器件，它在Arduino 的控制下對小車行駛的路況進行相應的信息采集，并將檢測到的信息反饋給Arduino 進行處理，Arduino通過調用程序可控制小車作出相應動作，從而實現避障功能。

系統框圖1 如示。

圖1 系統框圖

智能小車的設計共包括電源、電機驅動、舵機、避障4個主要功能模塊，各模塊間相互配合，共同實現智能小車的行駛、避障檢測和避障功能，其總體原理如圖2 所示。

圖2 設計原理圖

2.1 電源模塊

電源是整個硬件電路的重要組成部分[3]。它可以為系統電路提供穩定的工作電壓，使其正常工作。鋰電池具有電壓穩定、價格低等特點，此外，它還可以進行充電，進行循環使用[4]。本設計供電電壓范圍為6.5～9 V，基于鋰電池的上述特點，選用兩節3.7 V 的鋰電池和電池盒進行組合，為系統工作提供7.4 V 的穩定電壓。

2.2 電機驅動模塊

步進電機的位移由脈沖得來的。當有脈沖信號時，電機會在該信號的驅使下按照預設的方向朝固定的角度進行旋轉。為了使定位變得準確而有效，可以通過改變步進電機的脈沖個數，從而使它的角位移量發生相應的變化。此外，更改脈沖的頻率可以實現調整轉動速度的目的。

電機作為智能小車的驅動裝置，其選擇合適與否會對系統電路的正常運行起重要的作用[5]。本設計選用的兩個電機的型號都是L293D，它不僅具有價格便宜、易于控制的特點，而且還具有高速變化的四倍高電流H 橋驅動程序，可以提供高達600 mA 的雙向驅動電流，寬電壓供電范圍可以達到4.5～36 V，故其滿足智能小車的設計條件。L239D 內部等效圖如圖3 所示。

圖3 L239D 內部等效圖

2.3 舵機模塊

目前，在智能控制系統中舵機的使用越來越普遍。在智能小車設計過程中，它可以帶動超聲波探頭、攝像頭等旋轉，保持或改變方向，對智能小車進行轉彎控制或信息采集。舵機中起控制作用的信號為PWM 信號（脈寬調制信號），控制的信號基準周期為20 ms，脈沖寬度介于0.5～2.5 ms 之間，可調整的旋轉角度為﹣90°～90°[6]。舵機能夠控制旋轉角度的變化，是利用PWM 信號脈沖寬度的占空比來調節位置的改變，根據脈沖寬度，舵機會旋轉一定的角度到達相應的位置。

本設計采用舵機型號為SG90，在不帶負載的情況下，它的反應轉速可以達0.12 s/60°（4.8 V），轉角的最大角度為180°，正常的工作電壓介于3.5～6 V。舵機脈沖寬度與轉角關系如表1 所示。

表1 舵機脈沖寬度與轉角關系

2.4 避障模塊

如今，科學技術不斷發展，智能小車能應用的傳感器種類越來越多[7]。在眾多傳感器當中，超聲波傳感器已然成為智能小車實現自動避障應用的首選器件。超聲波是一種機械波，其指向性相對較強，頻率較高，繞射現象小，很適合用來測距。

在本設計中使用的避障模塊選用的是HC-SR04，它有4個接口端，即為VCC、GND、接收端Echo、控制端Trig，實物如圖4 所示。它采用ⅠO 觸發的方式進行測距，通過利用超聲波信號從控制端到接收端的高電平持續時間和聲波在空氣中的傳播原理，實現計算障礙物的距離，從而完成避障的功能，其工作時序如圖5 所示。此外，HC-SR04 的正常工作電壓在5 V 左右，測量角度小于等于15°，當距離物體越遠時探測的角度越大。

在本設計當中，利用HC-SR04 與SG90 舵機相結合來采集障礙物的位置信息。當智能小車碰到障礙物時，信號可以反射到超聲波傳感器上，在進行對障礙物位置信息的分析和處理后反饋給Arduino 處理芯片，使其調用相應的程序作出應對措施，根據超聲波的反射效應并且配合舵機0°～180°的旋轉，從而實現躲避障礙物的目的[8]。

圖4 HC-SR04 實物圖

圖5 超聲波時序圖

3 系統實現

3.1 避障的工作原理

本設計用于避障的傳感器是HC-SR04，其采用基于ⅠO觸發實現測距功能，測距時，首先Trig 端會發送10 μs 以上脈沖觸發信號，模塊將會循環發出8 個方波脈沖信號，每個脈沖信號頻率均為40 kHz，并且通過自動檢測有無回波來判斷傳感器前方是否有物體。如果檢測到有回波時，Echo 端中的輸出信號為高電平，由其持續的時間可知超聲波從發送到被接收的用時。計算公式為：

式（1）中：T為測試距離；Rh為高電平時間；Vi為聲速（340 m/s）。

HC-SR04 的應用原理是應先由控制口發送出高電平，它持續的時間為10 μs 以上，然后，在接收口檢測高電平的輸出。一旦檢測到輸出信號定時器開始計時，持續一段時間后，如果接收口中的信號由高電平變為低電平時，即可讀取定時器的值，此時，定時器記錄的數值即為測距時間，由時間、聲速和距離的關系，便可以算出測量距離。

智能小車在行駛的過程中，通過安裝在車底盤前的超聲波和舵機來檢測周圍環境。在舵機的帶動下，超聲波傳感器可以不斷地檢測左、前、右3 個方向是否存在障礙物。如遇障礙物時，智能小車會根據這3 個方向對障礙物的距離進行比較，從而作出行駛判斷，自動避開障礙物。小車行駛時可能會在不同方向遇到障礙物，一般是左、右、前3 個方向。要想小車對避障物采取有效的應對措施，需要開發這3 個方向的避障算法以準確地判斷障礙物的位置信息，小車的避障流程如圖6 所示。

避障算法的主要判斷小車與不同方向物體的距離，即小車在行駛時，超聲波傳感器首先檢測正前方物體的距離，若小車前方25 cm 以上都沒有物體時，小車則繼續向前行駛，如果檢測到前方25 cm 以內存在物體時，小車會減速，待小車停止后舵機云臺會繼續帶著HC-SR04 傳感器檢測左、右障礙物的距離，如果左邊障礙物的距離大于右邊，小車會向左轉然后前進，如果右邊障礙物的距離大于左邊，小車會向右轉然后前進，如果小車前方還會有障礙物，小車會重復上述過程，調整角度避開所有障礙物。

3.2 實驗驗證

為了驗證小車的避障性能，在設置實驗環境時，通過利用一些簡單的物體作為障礙物來規定小車行駛的特定的路線，由此來驗證小車的避障效果。

圖6 小車避障流程圖

智能小車前進時通過舵機和超聲波不斷檢測前方，當遇到障礙物時，超聲波判斷出障礙物的位置后返回一個信號，Arduino 根據反饋信號調用程序比較小車與障礙物的距離，從而控制小車靠前、靠左或靠右行駛，有效地規避障礙物，實驗效果如圖7 所示。

圖7 小車避障實驗圖

4 結語

本設計利用Arduino 處理芯片，并結合電源、電機驅動、舵機、超聲波等模塊開發了自動避障小車，并驗證了小車的自動避障的可行性。通過設計小車沿規定避障路線行駛實驗，經測試后證明了小車的避障性能良好。雖然小車可以很好地完成行進過程中的避障作業，但是，智能小車還存在一些不足之處，例如，只采用一組超聲波和舵機結合，舵機的旋轉角度有限，小車不能全方位進行避障，如果搭配多組超聲波和舵機或采用性能更好的傳感器，它的自動避障效果可能會更好。