基于arduino 的麥克納姆輪智能車設(shè)計(jì)

薛 梁，方海峰，黃 迪

（江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

如今，智能科技正深刻改變著我們的生產(chǎn)方式、生活方式、學(xué)習(xí)方式。智能車作為智能科技的代表，因其靈活性、智能化在倉(cāng)庫(kù)、車間、危險(xiǎn)區(qū)域都扮演著重要的角色。本文設(shè)計(jì)的智能小車基于arduino 開發(fā)板，小車底盤采用麥克納姆輪，能夠?qū)崿F(xiàn)智能車各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)以及避障和跟隨功能。該小車具有兩種模式：一種是在狹小的環(huán)境利用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距實(shí)現(xiàn)避障功能；另一種是利用超聲波和紅外傳感器對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟隨。該智能車在物流運(yùn)輸、科學(xué)勘測(cè)、跟蹤識(shí)別、抗震救災(zāi)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 智能車的整體方案設(shè)計(jì)

智能車包括機(jī)械、電路硬件、軟件三個(gè)主要部分，它們之間相互影響。搭載麥克納姆輪的小車能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，配合適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎?dāng)執(zhí)行避障模式時(shí)，可以準(zhǔn)確檢測(cè)到前方障礙物，主動(dòng)避開障礙物；當(dāng)執(zhí)行跟隨模式時(shí)，超聲波模塊檢測(cè)與前方目標(biāo)距離，紅外傳感器檢測(cè)左右兩側(cè)目標(biāo)所在方向，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精準(zhǔn)跟隨。

1.1 智能車底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)

該智能車底盤主體采用鋁合金板，4 個(gè)車輪為麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，采用兩左旋、兩右旋的組對(duì)安裝形式，形成X形如圖1 所示。麥克納姆輪通過聯(lián)軸器與固定在底板上的電機(jī)相連接，且每個(gè)麥克納姆輪由電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)[2]。

圖1 麥克納姆輪安裝位置

通過對(duì)4 個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的控制可以使車實(shí)現(xiàn)不同的操作[3]。當(dāng)輪1、2、3 和4 同時(shí)向前或向后旋轉(zhuǎn)時(shí)，小車可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的向前或向后平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向前運(yùn)動(dòng)，輪2 和輪4 不動(dòng)時(shí)，小車實(shí)現(xiàn)向右前方45°平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向后運(yùn)動(dòng)，輪2 和輪4 不動(dòng)時(shí)，小車實(shí)現(xiàn)向左后方45°平移；

當(dāng)輪2 和輪4 向前運(yùn)動(dòng)，輪1 和輪3 不動(dòng)時(shí)，小車實(shí)現(xiàn)向左前方45°平移；

當(dāng)輪2 和輪4 向后運(yùn)動(dòng)，輪1 和輪3 不動(dòng)時(shí)，小車實(shí)現(xiàn)向右后方45°平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向前運(yùn)動(dòng)，輪2 和輪4 向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車向右平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向后運(yùn)動(dòng)，輪2 和輪4 向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車向左平移；

當(dāng)輪1 和輪4 向前運(yùn)動(dòng)，輪2 和輪3 向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；

當(dāng)輪1 和輪4 向后運(yùn)動(dòng)，輪2 和輪3 向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

1.2 智能車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用Arduino AFMotor 電機(jī)擴(kuò)展板來(lái)驅(qū)動(dòng)4 個(gè)直流電機(jī)，板載2 塊L293D 芯片負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心工作，并配合Arduino Uno R3 開發(fā)板共同運(yùn)行。AFMotor 電機(jī)擴(kuò)展板上配有外接電源接口，該接口所連接的直流電源可以為電機(jī)和Arduino 開發(fā)板供電。AFMotor 擴(kuò)展板中的L293D 芯片所允許的直流電源電壓范圍是4.5 ～25 V。本文使用兩節(jié)18650 鋰電池串聯(lián)供電，電壓為7.4 V。

1.3 超聲波測(cè)距模塊

本設(shè)計(jì)使用HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊，性能穩(wěn)定，距離測(cè)量精確。超聲波測(cè)距工作原理：通過IO 口Trig 觸發(fā)測(cè)距，發(fā)出高電平信號(hào)，接收器收到返回信號(hào)停止計(jì)時(shí)，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，計(jì)算距離。

Arduino 連接方法：

（1）HC-SR04 引腳VCC 連接到Arduino 引腳+5VDC；

（2）HC-SR04 引腳Trig 連接到Arduino 引腳A1；

（3）HC-SR04 引腳Echo 連接到Arduino 引腳A0；

（4）HC-SR04 引腳GND 連接到Arduino 引腳GND。

1.4 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)[4]。舵機(jī)包含一個(gè)小型電動(dòng)機(jī)，內(nèi)部電機(jī)內(nèi)置電路可將電機(jī)輸出軸的位置進(jìn)行反饋，因此它的輸出軸可以被Arduino 等控制在某一個(gè)固定角度。本設(shè)計(jì)采用MG90S型號(hào)舵機(jī)，它能夠在0～180°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，用于帶動(dòng)超聲波測(cè)距模塊的轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)智能車前、左、右方向的測(cè)距。

1.5 紅外傳感器模塊

紅外傳感器模塊采用安裝在智能車側(cè)面的兩對(duì)紅外傳感器來(lái)探測(cè)周圍目標(biāo)情況，完成智能車跟隨功能的實(shí)現(xiàn)。紅外傳感器具有一對(duì)發(fā)射和接收管，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)物時(shí)輸出指示燈亮起。可以通過電位器調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，檢測(cè)范圍為2 ～30 cm，角度為35°，工作電壓為3.3 ～5 V，紅外傳感器通過發(fā)射紅外線反射并探測(cè)是否存在物體[5]。

1.6 麥克納姆輪智能車實(shí)物制作

在鋁合金底板上安裝有4 個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)麥克納姆輪，底盤上還安裝了電源、Arduino UNO R3 開發(fā)板、AFMotor 擴(kuò)展板，舵機(jī)用支架安裝在智能車的正前方，舵機(jī)的輸出軸上還安裝了另一個(gè)支架。該支架中間安裝超聲波測(cè)距模塊，兩側(cè)分別安裝紅外傳感器，使得智能車前方的舵機(jī)能夠同時(shí)帶動(dòng)超聲波測(cè)距模塊和紅外傳感器左右偏轉(zhuǎn)，制作的麥克納姆輪智能車實(shí)物如圖2 所示。

圖2 麥克納姆輪智能車實(shí)物

2 智能車程序設(shè)計(jì)

2.1 全方位移動(dòng)控制程序

結(jié)合麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)原理，通過串口通訊控制4 個(gè)獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。串口控制具體操作：輸入“5”執(zhí)行停止；“2”執(zhí)行后退“8”執(zhí)行前進(jìn)；“4”執(zhí)行左轉(zhuǎn)；“6”執(zhí)行右轉(zhuǎn)；“7”執(zhí)行向前逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；“9”執(zhí)行向前順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；“3”執(zhí)行向后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；“1”執(zhí)行向后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；“a”執(zhí)行左移；“d”執(zhí)行右移；“q”執(zhí)行左前移；“e”執(zhí)行右前移；“z”執(zhí)行左后移；“c”執(zhí)行右后移。

2.2 避障功能程序

避障功能中會(huì)使用到舵機(jī)、超聲波和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，因此首先確定程序中需要的庫(kù)文件：Servo 和AFMotor；對(duì)智能車所運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行宏定義，對(duì)電機(jī)變量、脈沖引腳、舵機(jī)變量名、超聲波信號(hào)引腳、串口波特率等進(jìn)行定義并在set up（）函數(shù)中進(jìn)行相關(guān)變量的初始化；定義電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，設(shè)置4 個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)小車實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)；定義測(cè)距程序，使超聲波模塊發(fā)出高低電平，讀出脈沖時(shí)間，并將時(shí)間轉(zhuǎn)換成距離并輸出。在主函數(shù)中運(yùn)行舵機(jī)和測(cè)距的程序：默認(rèn)小車向前方運(yùn)動(dòng)，超聲波模塊對(duì)準(zhǔn)正前方；當(dāng)前方有障礙物，且距離小于30 cm 時(shí)，停止前進(jìn)；舵機(jī)帶動(dòng)超聲波模塊向左轉(zhuǎn)，測(cè)量與左側(cè)物體的距離；隨后舵機(jī)右轉(zhuǎn)，測(cè)量右測(cè)與物體的距離，然后比較左右兩側(cè)距離，如果右側(cè)距離比左側(cè)小，則左轉(zhuǎn)，否則右轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)避障功能。

2.3 跟隨功能程序

跟隨功能中使用紅外傳感器、超聲波、舵機(jī)、電機(jī)模塊，使用庫(kù)文件有：NewPing、Servo 和AFMotor；同樣對(duì)電機(jī)、舵機(jī)、超聲波、紅外傳感器進(jìn)行定義和初始化；在主程序中調(diào)用測(cè)距函數(shù)，并讀取紅外傳感器I/O口狀態(tài)：如果左右兩邊紅外傳感器沒有檢測(cè)到信號(hào)，且超聲波檢測(cè)到物體距離在10 ～30 cm 之間，說明物體在智能車正前方，則向前跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)超聲波檢測(cè)到的距離超出30 cm，右側(cè)紅外傳感器檢測(cè)到信號(hào)，左側(cè)沒有，則右轉(zhuǎn)，左側(cè)紅外傳感器檢測(cè)到信號(hào)，右側(cè)沒有則左轉(zhuǎn)；如果左右兩側(cè)同時(shí)檢測(cè)到物體則停止運(yùn)動(dòng)；當(dāng)超聲波檢測(cè)到與目標(biāo)距離小于10 cm時(shí)，智能車停止運(yùn)動(dòng)。

2.4 模式切換程序

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)智能車的避障和跟隨功能并通過電路的設(shè)計(jì)使兩個(gè)模式可以互相切換。其運(yùn)行流程如下：

模式1：當(dāng)檢測(cè)到D2 口的狀態(tài)為1 時(shí)執(zhí)行跟隨模式。執(zhí)行超聲波測(cè)距，檢測(cè)前方的距離執(zhí)行前進(jìn)或停止；通過兩側(cè)的紅外傳感器檢測(cè)左右的距離，調(diào)整智能車方向，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車的跟隨。

模式2：當(dāng)檢測(cè)到D2 口的狀態(tài)為0 時(shí)執(zhí)行避障模式。通過超聲波測(cè)距，檢測(cè)前方是否有障礙物來(lái)決定小車是前進(jìn)或停止。當(dāng)前方有障礙物時(shí)停止，舵機(jī)帶動(dòng)超聲波模塊左右轉(zhuǎn)向檢測(cè)智能車左右兩側(cè)的空間距離，當(dāng)左側(cè)距離大于右側(cè)，小車左轉(zhuǎn)，否則右轉(zhuǎn)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車的避障。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 避障功能實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證麥克納姆輪智能車設(shè)計(jì)是否符合要求，進(jìn)行避障實(shí)驗(yàn)。先讓智能車前方?jīng)]有障礙物，把智能車調(diào)到避障模式，打開電源，智能車前進(jìn)。隨后人站在智能車前方模擬障礙物，當(dāng)智能車距離前方障礙物小于30 cm 時(shí)，智能車停止前進(jìn)，將一本書立在智能車的右側(cè)，舵機(jī)帶動(dòng)超聲波測(cè)距模塊左右旋轉(zhuǎn)，智能車左側(cè)與環(huán)境物體距離大于右側(cè)，智能車向左旋轉(zhuǎn)后再次測(cè)量正前方與障礙物的距離是否滿足大于30 cm，滿足條件后繼續(xù)前進(jìn)；用同樣的方法，將書立在智能車的左側(cè)，智能車左側(cè)與環(huán)境物體距離小于右側(cè)，智能車向右旋轉(zhuǎn)朝向距離大的那側(cè)，滿足與前方物體距離大于30 cm 時(shí)繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)前方又遇到障礙物時(shí)再次停下，測(cè)量智能車左右兩側(cè)物體與智能車之間的距離，控制智能車向更空曠的方向前進(jìn)，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)驗(yàn)表明該麥克納姆輪智能車能夠?qū)崿F(xiàn)避障功能。

3.2 跟隨功能實(shí)驗(yàn)

把智能車調(diào)到跟隨模式，打開電源，此時(shí)智能車靜止，把手掌放在智能車正前方30 cm 處，作為跟隨目標(biāo)，智能車前進(jìn)靠近手掌，當(dāng)手掌與智能車之間距離小于10 cm 時(shí)智能車停止；把手掌靠近智能車左側(cè)，智能車向左轉(zhuǎn)向，手掌靠近智能車右側(cè)，智能車向右轉(zhuǎn)向；將手掌保持與智能車20 cm 左右并且移動(dòng)，智能車會(huì)靠近手掌運(yùn)動(dòng)，手掌向左前方移動(dòng)時(shí)，智能車跟隨手掌往左前方運(yùn)動(dòng)，手掌向右前方移動(dòng)時(shí)，智能車跟隨手掌往右前方運(yùn)動(dòng)，手掌停下，智能車靠近手掌并且距離在10 cm 左右時(shí)也停止。實(shí)驗(yàn)表明，該麥克納姆輪智能車能夠?qū)崿F(xiàn)跟隨功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一輛基于arduino 的麥克納姆輪智能車，采用安裝在車頭的舵機(jī)帶動(dòng)超聲波模塊檢測(cè)智能車與左、前和右側(cè)障礙物之間距離，通過改變4 個(gè)麥克納姆輪轉(zhuǎn)向，使智能車避讓障礙物，實(shí)現(xiàn)避障功能；采用超聲波模塊測(cè)量與目標(biāo)物體之間的距離是否在設(shè)定的區(qū)間，以及左右兩側(cè)的紅外傳感器判斷目標(biāo)的左右位置，控制智能車準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟隨，并且完成了麥克納姆輪智能車的制作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能車運(yùn)動(dòng)靈活，穩(wěn)定可靠，能夠滿足功能要求，這將在智能倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)小車或智能跟隨行李箱等智能化產(chǎn)品領(lǐng)域有很大的發(fā)展應(yīng)用前景。