基于Arduino的煙葉倉庫自動避障智能小車的研究

楊 氟， 張?zhí)祉?， 魯紹坤， 李正風， 羅麗瓊， 田 程，紀 霖

(1.云南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，云南昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學基礎與信息工程學院，云南昆明 650201；3.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，云南昆明 650231)

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基于Arduino的煙葉倉庫自動避障智能小車的研究

楊 氟1， 張?zhí)祉?*， 魯紹坤2， 李正風3， 羅麗瓊1， 田 程2，紀 霖1

(1.云南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，云南昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學基礎與信息工程學院，云南昆明 650201；3.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，云南昆明 650231)

摘要使用Arduino及其擴展版，結(jié)合超聲波傳感器實現(xiàn)了小車在煙倉里自動避障，從而為下一步的煙葉霉變智能檢測打下基礎。通過對煙倉環(huán)境的實地考察分析，設計并制作出相應的硬件和軟件。實際測試了智能小車的各個功能，結(jié)果表明智能小車能夠利用超聲波傳感器來獲得障礙物信息，經(jīng)過自處理，調(diào)用程序自動控制云臺旋轉(zhuǎn)，采用差速方式控制電機轉(zhuǎn)速及方向，從而成功實現(xiàn)智能小車自主避障功能。

關鍵詞Arduino；智能小車；煙倉；避障系統(tǒng)；舵機；超聲波傳感器

Research of the Automatic Obstacle Avoidance Intelligent Car Used for Tobacco Warehouse Based on the Arduino

YANG Fu1, ZHANG Tian-shun1*, LU Shao-kun2et al(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201; 2.College of Basic Science and Information Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Abstract The paper uses the Arduino and extended edition, combined with ultrasonic sensor to achieve the car in the tobacco barn automatic obstacle avoidance to prepare for the next step of intelligent detection.Through the analysis of the on-the-spot investigation to the tobacco warehouse environment, then to design and make the corresponding hardware and software.Actual testing the various functions of intelligent car, and the experimental results show that the intelligent car can use ultrasonic sensors for obstacle information, through the processing, automatic control yun-tai rotation, and then use differential method to control the motor speed and direction, thus to achieve intelligent car autonomous obstacle avoidance function.

Key words Arduino;Ssmart car; Tobacco warehouse; Obstacle avoidance system; Steering gear; Ultrasonic sensor

中國貯煙和卷煙制品每年因霉變造成的損失相當驚人，達到煙草商品總額的1%~3%，每年因煙葉霉變造成的損失達70億元左右[1-4]。在卷煙加工生產(chǎn)之前由于工藝的需求，煙葉需要進行周期長達1～2年的貯存醇化過程。在長期的貯存過程中，富含蛋白質(zhì)的煙葉極易發(fā)生霉變，使煙葉品質(zhì)降低或完全失去使用價值。2002 年我國加入WTO后，貯煙逐漸由片煙替代把煙，貯煙霉變問題更加突出，開始引起人們的重視，相關研究報道逐漸增多[5]。為了避免煙葉醇化過程中的霉變問題，需要對煙倉煙包進行檢測。面對煙倉大量煙包，現(xiàn)今若用人工去檢測，成本會很高，所以將會給煙倉引入智能機器人來代替人工去完成檢測煙葉是否發(fā)生霉變的繁重任務。煙倉里的智能化程度也是煙草行業(yè)步入現(xiàn)代化的一個重要標志。該文運用基于Arduino及其擴展板研究設計一個用來代替勞動力在煙庫里完成煙葉霉變檢測任務的避障智能小車的避障系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設計

自主避障小車采用高強度鋁合金材料底盤[6-7]。4個輪子是由4個直流電機控制的橡膠輪胎。橡膠輪胎不但具有高彈性，高硬度和高強度，且耐磨性能卓越，還具有較高的機械強度和優(yōu)異的耐屈撓、耐低溫性能，可以保證小車行走的穩(wěn)定性及良好的速度[8]。小車上搭載有Arduino控制板，系統(tǒng)主要包括：電源模塊，電動機驅(qū)動模塊，WiFi模塊，舵機模塊，避障模塊。

1.1電源模塊電源模塊為系統(tǒng)工作提供可靠電壓。選用兩節(jié)鋰電池串聯(lián)的方式，可提供電壓(7.2~9 V)，可以直接給電機、電壓表供電。鋰電池電壓穩(wěn)定，可以循環(huán)使用，安全性強，體積小，容量大，減少污染，有利于可持續(xù)發(fā)展[9]。電壓表主要為了查看電池當前電壓。鋰電池電壓通過Arduino電壓轉(zhuǎn)換得到5 V電壓。供給WiFi模塊、舵機模塊、避障模塊和攝像頭。系統(tǒng)各模塊供電如圖1所示。

1.2電機驅(qū)動模塊由于煙葉倉庫實際地面高低不平，小車采用4個步進電機驅(qū)動。此處應用的步進電機直徑為28 mm，電壓為5 V，步進角度為5.625×1/64，減速比為1/64，單個重為0.04 kg。接5線4相可以用普通ULN 2003芯片驅(qū)動，也可以接成2相使用，步進電機的控制除了Arduino單片機外，通常都還會加上一個驅(qū)動芯片，其主要目的是避免放大電流將單片機損壞[10]。步進電機精準度比較高，最高精度可達1.8°，在此之外步進電機還有瞬間啟動和急速停止的特性。ULN2003是一種高耐壓、大電流的達林頓陳列, 內(nèi)部提供了7個達林頓晶體管，在5 V的工作電壓下與TTL和CMOS電路直接相連可以保證負載電流的供給，同時也減少其他驅(qū)動芯片容易被燒毀的事故。電機具體驅(qū)動如圖2所示。

1.3舵機模塊舵機是小車改變方向的執(zhí)行機構(gòu)，此處舵機選用日本Futaba公司出產(chǎn)的S3001型號舵機，工作電壓是4.8 V，最大扭力是2.4 kgf·cm，轉(zhuǎn)動速度為0.28 s/60°。舵機與Arduino的接線方法是：舵機PWM信號線接Arduino引腳S，舵機5 V電源線接Arduino引腳V，舵機接地線GND接Arduino引腳G。其工作原理是依據(jù)PWM信號的變化來控制的，如圖3所示。PWM信號的周期是50 Hz也就是20 ms，讓其通電后的原點為90°、約為1.5 ms，最小角度為0°、約為0.9 ms，最大角度為180°、約為2.1 ms。為了控制其角度的變化只需調(diào)整一個周期中的高低電位比例即可。

轉(zhuǎn)動角度與時間的關系可用函數(shù) W(t)=0.9ms+[(±)0.6 ms/90°]表示， “+”表示向右轉(zhuǎn)，“-”表示向左轉(zhuǎn)。

1.4避障模塊超聲波是一種頻率比較高的聲音，指向性強。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離[11-17]。此處應用HC-SR04超聲波測距模塊，將其安裝在小車車頭，此超聲波可提供2~400 cm的非接觸式距離感測功能，測量距離的精度可高達3 mm；此模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電器。超聲波避障模塊與Arduino擴展板接線方法：VCC為地線，TRIG接觸發(fā)控制信號輸入，ECHO接回響信號。超聲波測距模塊如圖4所示。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1避障的工作原理超聲波測距模塊工作原理：采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10 μs的高電平信號，其模塊自動發(fā)送8個40 khz的方波，自動檢測是否有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離可用如下公式測得。

測試距離=(高電平時間×聲速)/2 其中聲速是室溫20 ℃超聲波的速度值340 m/s，感應角度不大于15°。

避障系統(tǒng)選用HC-SR04型號超聲波傳感器。其工作方式：通過發(fā)送器發(fā)射出去的超聲波，被物體反射后傳到接收器來判斷小車與障礙物的距離，從而決定，是否繼續(xù)前進[18-21]。根據(jù)超聲波測距模塊的工作原理，將超聲波所測距離和之前設定好的距離值進行比較。若大于設定值，則小車繼續(xù)前進；若小于設定值，則小車停止前進，同時調(diào)用舵機云臺右轉(zhuǎn)90°子程序，舵機云臺右轉(zhuǎn)90°后，若無障礙物則小車右轉(zhuǎn)90°繼續(xù)前進，若有障礙物則停止前進?？刂瞥绦蛑饕锌刂瓢宄跏蓟?、傳感器信息判斷及電機驅(qū)動組成，程序流程如圖5所示。

2.2試驗結(jié)果通過試驗，小車成功實現(xiàn)了智能避障。在試驗過程中，小車能夠自主較好的在設定的軌道上進行測量，判斷是否前進，是否停止，是否轉(zhuǎn)彎，可輕松的避開障礙，順利通過，達到預定目標。小車實物試驗場景示意圖如圖6所示。

3總結(jié)與展望

把Arduino的自動避障技術(shù)應用于煙倉煙葉霉變檢查，充分發(fā)揮了Arduino控制擴展板的優(yōu)勢。成功實現(xiàn)了小車自動避障功能，在智能機器人領域具有一定的實用價值。該避障系統(tǒng)簡單，成本較低，控制過程也比較簡單，易于操作，精度較高，可在工業(yè)智能作業(yè)等多領域應用。但是，該超聲波避障小車還存在一些不足，比如面對較多的復雜彎路，在這種環(huán)境下，這樣簡單的避障系統(tǒng)和設計結(jié)構(gòu)很可能達不到預定目標。

下一步可根據(jù)多彎路環(huán)境需求設計一款循跡智能小車，實現(xiàn)對較復雜的煙庫進行避障、檢測，同時研究多性能的智能小車對不同煙庫的可用性，綜合全面的各種因素為煙庫提供更實用的自動化、智能化小車。

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收稿日期2015-10-28

作者簡介楊氟(1988- )，男，陜西戶縣人，在讀碩士研究生，研究方向：智能機器人。*通訊作者,副教授，碩士生導師，從事農(nóng)業(yè)工程研究。

基金項目云南中煙工業(yè)責任有限公司“原料系統(tǒng)重大專項”[滇煙工科(2013)494]。

中圖分類號S 22

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)33-370-03