基于Arduino平臺(tái)的避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周游　王鑫　衛(wèi)星　王旨祎

摘要：避障是智能小車、智能機(jī)器、自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，該文基于ArduinoUNOIK3開發(fā)板進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用-人體紅外傳感器模塊、蜂鳴器模塊、液晶顯示模塊和移Lq-LED數(shù)碼管模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。本文通過(guò)超聲波避障技術(shù)，在避障小車行駛過(guò)程中，遇到障礙物自動(dòng)報(bào)警，根據(jù)算法自動(dòng)調(diào)整距離和運(yùn)動(dòng)方向以防發(fā)生碰撞。

關(guān)鍵詞：Arduino；避障小車；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；避障報(bào)警；超聲波避障

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）18-0180-02

制造智能機(jī)器人一直是人類的追求目標(biāo)，隨著近年來(lái)科技水平的提升，機(jī)器人等智能設(shè)備發(fā)展迅速，已經(jīng)在改變著我們的生活習(xí)慣和生活方式。避障小車?yán)酶鞣N傳感器采集獲取周圍環(huán)境信息，處理得到信息數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而到達(dá)了感知能力，并具有一定的自適應(yīng)能力，能夠根據(jù)給定的指令完成與之相對(duì)應(yīng)動(dòng)作的綜合體。隨著各種各樣傳感器的出現(xiàn)以及工藝日趨成熟，為小車避障報(bào)警和自動(dòng)避障提供了各種解決設(shè)計(jì)思路。2005年冬天，Massimo Banzi跟David Cuartielles開發(fā)了Arduino開發(fā)板，它是一個(gè)開源電子原型的軟硬體平臺(tái)，由各種型號(hào)的Arduino板和Arduino IDE組成，類似于Java，C語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，特點(diǎn)為易于上手并且方便靈活，通過(guò)測(cè)距傳感器、紅外線傳感器、溫濕度傳感器等傳感器來(lái)感知環(huán)境?，F(xiàn)在Arduino已經(jīng)進(jìn)人了硬件、物聯(lián)網(wǎng)等開發(fā)領(lǐng)域，被越來(lái)越多的專業(yè)硬件開發(fā)者使用，用來(lái)開發(fā)他們的項(xiàng)目、產(chǎn)品，在大學(xué)里，自動(dòng)化、軟件，甚至藝術(shù)專業(yè)，相繼開展了Arduino相關(guān)的開發(fā)課程。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Arduino UNO R3開發(fā)板進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，ArduinoUNOR3開發(fā)板可以外接的設(shè)備包括：鍵盤，鼠標(biāo)，屏幕等，通過(guò)額外的端口來(lái)外接新的擴(kuò)展板。開發(fā)板具有14路數(shù)字I/O，6路模擬輸人，一個(gè)頻率為16MHZ的晶體震蕩器，還有USB接口、ICSP header、電源插座和復(fù)位按鈕。

系統(tǒng)總體模塊設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：UNO控制板、人體紅外傳感器模塊、蜂鳴器模塊、液晶顯示模塊、移位LED數(shù)碼管模塊、電源模塊。小車以Arduino為控制核心，用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，控制小車速度，利用傳感器，分析判斷采集到的信號(hào)、測(cè)距避障，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)調(diào)整小車轉(zhuǎn)向，使小車實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的避障。避障小車總體模塊設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2核心模塊設(shè)計(jì)

2.1避障報(bào)警設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊包含兩部分：指示燈和蜂鳴器模塊。根據(jù)算法，當(dāng)前方障礙物距離小于30cm，指示燈會(huì)一直閃爍紅色用來(lái)提醒避障，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。依據(jù)算法策略，避障小車會(huì)自動(dòng)后退，當(dāng)進(jìn)入正常行駛模式時(shí)指示燈停止閃爍熄滅，蜂鳴器停止發(fā)聲。若避障小車后退一定距離后，后方與障礙物距離小于30cm，指示燈還會(huì)一直閃爍紅色，蜂鳴器還會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，直到避障小車行駛與障礙物的距離大于30em。避障報(bào)警流程圖如圖2所示。

2.2超聲波避障設(shè)計(jì)

測(cè)量距離的方法有很多種，當(dāng)前有紅外線測(cè)距、激光測(cè)距和超聲波測(cè)距這三種測(cè)量距離的方法。相對(duì)應(yīng)地，測(cè)距傳感器也分為三種：紅外線傳感器、激光傳感器和超聲波測(cè)距傳感器。

超聲波測(cè)距傳感器是一種典型的非接觸測(cè)量方法，對(duì)外界光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，指向性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、能量消耗緩慢和能在介質(zhì)中傳播較遠(yuǎn)距離，并且可以很好地識(shí)別透明及漫反射性差的物體。因?yàn)樵诳諝鈧鞑ブ谐暡〞?huì)不斷地衰減，因此，程序根據(jù)起伏回波信號(hào)而測(cè)算的回波到達(dá)時(shí)間會(huì)有一定誤差；在接收過(guò)程中，會(huì)把超聲波脈沖回波給展寬，造成測(cè)距的分辨率受影響，以及近距離測(cè)量得到的值也會(huì)偏差。

避障小車系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距傳感器，模塊為移位LED數(shù)碼管（Shiftout Module），此模塊測(cè)距獲得距離值可以保障智能小車在前進(jìn)、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)時(shí)的安全，小車擴(kuò)展了角度傳感器（Rotation Sensor），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)周圍障物的360度檢測(cè)。

蜂鳴器實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵代碼如下所示：

3結(jié)論

本文對(duì)避障小車的超聲波避障技術(shù)和蜂鳴器報(bào)警技術(shù)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，其中，研究的障礙物環(huán)境為靜態(tài)、單一的，此后可以把動(dòng)態(tài)的、不確定的環(huán)境作為研究?jī)?nèi)容，通過(guò)引人視覺傳感器得到更豐富的采集信息，提高避障小車的性能。今后可以針對(duì)這個(gè)方面做進(jìn)一步的研究與設(shè)計(jì)。endprint