基于Arduino典型傳感器智能避障小車的設計開發

付曉云

（沈陽理工大學 機械工程學院實驗中心 沈陽110159）

智能車領域以美國、意大利、法國等國家處于領先地位，在智能車領域有著一系列研究成果。車輛與控制人員之間能夠進行信息交流利用的是無線電及光纜技術，操作人員可以根據反饋的信息遠程遙控車輛。與上述這些在智能車領域處于前沿的國家相比，我國在智能車方面的起步比較晚，但目前也取得了很大進步，清華大學研制的“THMR-V”的智能車就是其中之一?！癟HMR-V”的智能車能夠在標準路面自動追蹤車道線，在復雜的路面能夠根據實際情況自行避障。但此智能車也有不足，只能在結構化道路上畫有清晰白線處進行車道跟蹤。

國防科技大學在車輛的自動駕駛技術方面起步較早，CITAVT系列無人駕駛車是其主要的研究成果，其中 CITAVT-IV型視覺導航自主車的主要目標是研究在結構化道路環境下的自主駕駛技術[1]。此類型無人駕駛車在視覺識別方面有所缺陷，有時不能正確識別道路出口。由此可以看出，智能車處于高速發展階段，有關智能車的研究成果也比比皆是，但在智能化這條路上仍需做更多的努力。

1 智能避障小車的設計任務

智能小車選擇使用超聲波傳感器模塊以及紅外線傳感器模塊來實現其避障功能。智能避障小車將分成兩大部分進行設計，其一為小車行走設計，其二為小車避障設計。其動力由電機來實現，在Arduino中最常用的電機有直流電機、步進電機和舵機這3種電機，其中步進電機工作時以角位移作為輸出形式，能夠精確制動，它是通過脈沖信號來控制的,一個脈沖信號對應一個角度，轉速通過控制脈沖頻率來實現，頻率越高，轉速越高[2]。舵機屬于伺服電機，同樣是通過脈沖信號來控制其輸出，與步進電機不同的是，舵機轉動的角度取決于其脈沖持續的時間。舵機內部有一根軸，當舵機接收到脈沖信號時，這根輸出軸就會轉動一定的角度，而一旦控制信號改變，則輸出軸的位置就會變化，即舵機轉動[3]。L298n電機驅動模塊具有4個輸出端口，即OUT1、OUT2、OUT3和OUT4，這4個輸出端口就相當于電源的正負極，每兩個端口間接一個直流電機，所以L298n電機驅動模塊只能驅動兩個直流電機。同時其具有兩個使能控制端口，分別是ENA和ENB，這兩使能控制端口高電平有效，能夠控制電機的停轉[4]。這里所選用的是L298n電機驅動模塊，此模塊的優點是可由外接電源進行供電，可接12V的電源，當其上板載5V輸出使能跳帽插上時，能夠向外輸出5V電壓，這個5V電壓即為邏輯輸入電壓，能夠驅動直流電機工作運行。其中小車行走包括前進、后退、左轉、右轉以及停止這5個動作，通過L298n電機驅動模塊驅動4個直流電機來實現；避障的要求包括小車行進時前方30cm處若存在障礙物其將自動停止前進，并檢測左右兩側障礙物的距離，哪側障礙物距離較遠小車將向哪側行駛，通過 HC-SR04超聲波傳感器模塊與SG90舵機模塊來實現。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，本文的核心是由Arduino UNO處理器和軟件Arduino IDE組成，編程靈活，支持C語言編程，易于設計[5]。所有的傳感器都將與主板相連接。Arduino IDE用于編寫程序，將編寫好的程序上傳到Arduino UNO開發板，小車就能夠根據設定好的程序檢測到前方障礙物，做出規避動作，實現避障功能。智能避障小車結構框圖如圖1所示。

圖1 智能避障小車結構框圖

2 智能避障小車的運動和控制要求

本智能小車行走部分采用4個直流電機組合形式，其中左右兩側的兩個電機分別進行串聯，用L298n電機驅動模塊驅動兩側電機，通過控制數字引腳高低電平來實現小車前進、后退、左轉、右轉和停止等方向控制功能。

小車方向控制與邏輯輸入引腳高低電平對應關系如表1所示。

表1 小車方向控制與邏輯輸入對應表

超聲波是一種機械波，具有一系列特點[6]。首先不同于普通聲波的就是其振動頻率高于20kHz，并且波長短，繞射現象小，這就直接導致超聲波在傳播時的方向性特別好。超聲波對于液體、固體的穿透力很強，特別是在陽光不能穿透的固體中，基于這種性能，超聲波在一些特殊場合能夠起到極大的作用。本文選用的是HC-SR04超聲波傳感器，其具有4個引腳，分別“VCC”、“GND”、“Trig”以及“Echo”[7]。其中前兩個引腳是正負極引腳，用于連接電源，“Trig”引腳用于發送超聲波，“Echo”引腳用于接收超聲波。小車采用超聲傳感器，探測前方是否有障礙物，超聲傳感器向前方發射一組方波信號，自動檢測是否有信號返回，通過時間差，測定障礙物距離小車的位置[8]，同時還配備有SG90舵機，將超聲波傳感器和舵機組裝在一起，這樣超聲波傳感器就可以跟隨舵機旋轉，用于檢測小車左右兩側是否存在障礙物。

當小車在直行過程中檢測到前方300 mm處存在障礙物時，會立即停止前進，同時舵機會帶動超聲波傳感器分別向左右兩側旋轉，如果系統檢測到左側障礙物的距離大于右邊障礙物的距離，那么小車將向左轉，反之如果小車右側障礙物的距離大于左邊障礙物的距離，小車將向右轉。智能小車避障具體程序流程圖如圖2所示。

圖2 智能避障小車程序流程圖

3 智能小車的模塊設計和選型

智能避障小車整體模塊搭建的基本思路是采用4個直流電機作為動力輸出元件，通過直流電機輸出轉矩帶動輪胎旋轉。由于同時驅動4個直流電機所需功率過大，因此不宜直接使用Arduino UNO開發板進行驅動，本例選取L298n電機驅動模塊充當中間媒介，以此對直流電機進行驅動，從而達到驅動小車行進的目的。

HC-SR04超聲波傳感器與SG90舵機通過云臺連接形成一個整體，即超聲避障模塊，此模塊與Arduino UNO開發板相連接。智能小車整體系統搭建如圖3所示。

圖3 智能避障小車整體系統搭建圖

3.1 超聲波傳感器與舵機實物連接

智能小車在避障時要求其能探測左右兩側障礙物的距離，因此需要超聲波傳感器能夠旋轉，為了滿足此要求，決定在超聲波傳感器底部安裝一個舵機，通過舵機旋轉來帶動超聲波傳感器旋轉，實現探測兩側障礙物的目標。

舵機與超聲波傳感器通過 BST云臺連接在一起，此云臺上有兩排引腳，其中U1排引腳與超聲波傳感器的引腳一致，用于與超聲波傳感器相連接。舵機與云臺通過內齒輪嚙合這種方式安裝在云臺底部，舵機上的3根線用于與P1排引腳中的3個相同引腳相連。P1排共有8個引腳，剩下5個引腳都是與Arduino UNO開發板相連的，其中一個引腳用于控制舵機，剩下4個引腳與超聲波傳感器的引腳一致，用于控制超聲波傳感器輸出。實物搭建如圖4所示。

圖4 舵機與超聲波傳感器實物搭建圖

3.2 行走設計

智能小車的一個基本要求就是能夠自如地前進、后退、左轉、右轉以及停車，基于上述標準，決定采取直流電機充當小車動力元件，帶動輪胎進行旋轉。本例采用4個直流電機組合形式對小車進行方向控制，其中每兩個直流電機串聯，構成兩個電機組合，左邊電機組即控制小車左側輪胎，右邊電機組控制小車右側輪胎。

由于4個直流電機同時工作功率較大，所需電壓較大，因此不宜直接用Arduino UNO進行驅動，為此準備了L298n電機驅動模塊進行驅動，如此能夠成功帶動電機。L298n電機驅動模塊上具有兩個使能控制端，可以進行PWM調速，ENA能夠控制IN1和IN2，ENB能夠控制IN3和IN4，對兩側電機進行速度控制。ENA使能控制端于Arduino UNO板上的 5號數字引腳相連，ENB使能控制端與Arduino UNO板上的 11號數字引腳相連。采用Arduino IDE編程軟件進行程序編寫工作，以此來實現控制小車的目的。小車包括前進、后退、左轉、右轉以及停止這5個方位控制[9]。

3.3 避障設計

本智能小車采用超聲波傳感器為核心來實現避障功能，超聲波傳感器能夠發送超聲波探測障礙物這一功能對于智能小車避障來說具有極大的意義。首先，當小車在行進過程中遇到前方障礙物時需要能夠自主停止前進，本次方案將小車距離障礙物的距離設為 300 mm，即當小車行進途中，超聲波傳感器檢測到距離前方障礙物小于300 mm時小車將立即停止運動。

在停止后，需要給小車一個方向指示，這時就需要舵機來發揮作用。SG90舵機和HC-SR04超聲波傳感器組成一個超聲避障模塊，超聲波傳感器會跟隨舵機一起轉動，在 180°范圍內超聲波傳感器都能夠檢測到周圍的障礙物?，F對小車避障做出如下規定：當小車停止時，舵機會帶動超聲波傳感器分別向左右兩側進行轉動以探測周圍情況，當超聲波傳感器檢測到小車距離左側障礙物比右側障礙物遠時，小車將向左轉；反之，小車將向右轉?；谏鲜稣f明，本智能小車將初步實現避障功能。

將SG90舵機、HC-SR04超聲波傳感器與云臺連接之后，這整體的舵機云臺需要與Arduino UNO開發板進行連接。云臺中的P1排第一個引腳P2.7以及后 4個引腳 GND、Echo、Trig、VCC用于與Arduino UNO開發板數字引腳相連。

具體引腳連接如下：云臺上的 P2.7引腳與Arduino UNO板上的10號數字引腳連接，用于控制舵機輸出。云臺上的后4個用腳用來控制超聲波傳感器，其中“Trig”與 8號數字引腳相連，“Echo”與9號數字引腳相連，VCC和GND作為超聲波傳感器的正負極將與Arduino UNO板上的5V和GND相連，但由于整套小車系統共有4個正負極需要相互連接，故需用到面包板來擴展引腳，使4個正極連接在一起，4個負極連接在一起，如此整套小車系統就能夠得到充分供電，各個傳感器各司其職，同時發揮作用，使小車能夠成功避障。

3.4 智能小車實際測試結果

首先設置一下情景，在小車前進途中左右兩側各擺放障礙物，兩個障礙物之間相距 600 mm，小車的起始位置位于兩障礙物前方900 mm處，在橫向距離上與右側障礙物相距150 mm左右，與左側障礙物相距450 mm左右接下來給小車接通電源，使小車向前行駛，小車在距前端障礙物300 mm處停止前進，探測過后，發現左側障礙物的距離要比右側大，小車向左轉。小車左轉后，前方 300 mm處仍有障礙物，經檢測后，小車接著右轉，此時小車前方無障礙物，小車駛出兩個障礙物區域。根據小車實際運行軌跡可以看出小車達到了預期的設計目的，實現了避障的功能。

4 結語

整個小車系統全部搭建完成之后，已經可以實現避障功能，實現了最初的設計理念和設計方案，完成了行走和避障功能。在此基礎上進行小車研究，應用于人類從事危險工作中具有實際的意義。