基于Arduino平臺的多功能智能小車的設計研究

摘 要：與其他系統(tǒng)相比，Arduino具有成本節(jié)約、平臺跨越、編程簡易、開發(fā)廣泛等優(yōu)點，將該平臺引入智能類機器小車設計極具意義。本文一是從Arduino單片機、L298 N電機驅動、HC-06藍牙控制等方面分析了智能類機器小車的藍牙遙控設計，二是分析了智能類機器小車的超聲波避障設計，論述了Arduino平臺之于功能智能小車的意義。

關鍵詞：Arduino平臺；智能小車；藍牙

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.119

1 整體系統(tǒng)設計方案

Arduino與其他系統(tǒng)相比，成本節(jié)約、平臺跨越、編程簡易、開發(fā)廣泛的優(yōu)越性被目前各大研究領域列為著重發(fā)展對象。目前使用最多的Arduino版本是Arduino UNO R3，也是Arduino平臺作為參考用的標準模板。其穩(wěn)定性與高效性成為智能類機器小車控制單元選擇系統(tǒng)上的首選，對于智能類機器小車而言，藍牙遙控設計、超聲波避障功能缺一不可，這也是智能類機器小車最為璀璨的亮點，而能讓這兩點得以實現(xiàn)，作為智能類機器小車大腦和相應感官的微控制器與傳感器有著舉足輕重的作用。智能類機器小車，顧名思義，是一款可以對各種實際狀況進行智能自主的判斷分析從而做出相應的最佳應對反應行為。整體結構為：通過直流電動機的驅動（電機的驅動電路通常采用H橋驅動模塊，從而帶動兩個直流電動機，滿足系統(tǒng)驅動能力與效率的需要），將各類傳感器收集到的信息數(shù)據(jù)轉送入主控制單元Arduino，單片機進行相應的數(shù)據(jù)處理工作后，施行最佳相應的動作，也就是所謂的智能化自身控制。

2 智能類機器小車的藍牙遙控設計

通過Android手機藍牙系統(tǒng)，進行實際助手指令的傳達，以Arduino單片機為整體核心，對實際的助手指令進行分析存儲，從而讓智能類機器小車通過Android手機藍牙進行各類如：前進、后退、左右旋轉、上下跳動等一系列行為操作。對于數(shù)據(jù)的傳輸分析，流程如下：硬件核心的通電驅動下，先進行硬件數(shù)據(jù)的初始化，例如HC-06藍牙模塊的相應操作開啟設置以及待機狀態(tài)，之后便通過Android手機中的藍牙系統(tǒng)功能進行數(shù)據(jù)的處理以及指令的發(fā)送，Arduino系統(tǒng)進行對于HC-06藍牙模塊端口的數(shù)據(jù)共享以及分析處理，再通過L296 N電機驅動系統(tǒng)進行最后的小車行動操控。

系統(tǒng)硬件是一切的前提，因此對于系統(tǒng)硬件電路的設計要格外重視。硬件系統(tǒng)整體分為三大部分：Arduino主控部分、H橋控制的電機驅動部分以及HC-06藍牙部分。Arduino主控部分以Atmega328 AU處理芯片作為內核cpu（中央處理器）的主要芯片，處理信息收集、分析數(shù)據(jù)應用，承擔著整個Arduino系統(tǒng)的智能控制作用。作為系統(tǒng)的供應者，電機驅動部分主要為L298 N驅動模式，不僅完全滿足系統(tǒng)的驅動要求，同時也能充分實現(xiàn)對于電動機的有效控制。最后，藍牙系統(tǒng)進行實際的指令接收以及驅動電動機開啟的控制行為，也就是真正的智能化無線控制功能。以下就是具體的分析講解，以供參考。

2.1 Arduino單片機

開放性有效源代碼的USB接口板是Arduino單片機的前身，而系統(tǒng)信息處理的微處理器應用Atmega328 AU，也就是Atmega328 AU處理芯片，這是內核cpu的最為關鍵的芯片，Atmega328 AU處理芯片想對于其他處理芯片而言，性價比較高，功能較強，實用與適用性能都十分滿足符合Arduino單片機的相關要求，同樣的，Atmega328 AU處理芯片也有著能進行Java， C語言的IDE開發(fā)工作的有效硬件存儲數(shù)據(jù)庫，可以進行硬件存儲數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)優(yōu)化，不但利于與各種電子組件的連用，同時。還支持外部供電與USB供電的相應轉換。

2.2 L298 N電機驅動

電機控制的接口端由4個二極管組成，是L298 N電機驅動部分主要組成成分之一，電機控制的接口端的內部為邏輯驅動電路，其主要作用是收集Arduino單片機發(fā)出的對于驅動以及電機的控制信息指令，電機控制的接口端中的二極管可以將產(chǎn)生的反向電流有效疏放，成為排泄方向電流的有效通道，從而防止電流聚集過大而將Arduino主控中的Atmega328 AU處理芯片燒毀，具體如圖1所示。

2.3 HC-06藍牙控制

通過對Android手機和智能小車的藍牙連接，有效的進行數(shù)據(jù)傳輸以及信息處理，在藍牙控制部分一般分為主機和從機部分，與從機進行配對從而實現(xiàn)通信交流，是主機最大的特點，但是彼此之間的配對無法在同等系統(tǒng)層次上進行，例如從機之間無法通信連接，主機之間也同樣無法做到，但是主機與從機兩個不同系統(tǒng)層次竟可以實現(xiàn)配對通信。這一部分的主要功能是接受指令，實現(xiàn)與主端的配對通信，在這里選擇HC-06藍牙模塊再合適不過，具體流程如圖2所示：先進行與手機的藍牙配對，并連接到Arduino控制板，并接收信號，從而實現(xiàn)一系列的操作控制功能。藍牙是新興的無線連接技術，其強抗干擾能力強、低功率消耗的特點是其使用范圍日益擴大的主要原因，但也因此限制了其工作范圍，因此對于無線藍牙的控制范圍應當作為首先測試對象，以確保通信連接的質量。

3 智能類機器小車的超聲波避障設計

智能類機器小車的超聲波避障系統(tǒng)主要分為：LINO控制板、紅外線傳感器、蜂鳴器、工作模塊（電源控制模塊、蜂鳴器模塊、液晶顯示模塊、LED移位數(shù)碼管模塊）。當然，以Arduino UNO R3開發(fā)

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板而進行電路設計的系統(tǒng)，自然也以Arduino作為只要控制核心。其大概流程為：單片機產(chǎn)生的PWM波，被利用到對于小車行動的控制，通過傳感器的數(shù)據(jù)收集以及分析，進行實際判斷，以及測距分析，再通過控制驅動機來進行小車方向的調整，從而達到控制小車避障的作用。

智能類小車的避障報警系統(tǒng)主要分為指示燈、蜂鳴器兩部分，通過相應系統(tǒng)運算我們可以得知，避障報警的最佳有效距離為30cm，一

旦進入最佳距離，指示燈就會一直閃爍，并且自動小車通過智能控制進行自動轉向或后退，當小車進入正常行駛狀態(tài)時，指示燈熄滅停止閃爍，同時蜂鳴器也停止響鳴，對于測量距離的方法有很多，一般分為紅外線測距、激光打束測距、超聲波測距三種，同樣對于進行測量距離的傳感器也分為對應上述三種測距方式的傳感器。而超聲波測距是智能小車避障設計中最為常用的測距方式，同時超聲波測距傳感器也因其非接觸測量方式而十分實用。由于超聲波測距傳感器的非接觸測量方式而使其對于環(huán)境的變化敏感性不強，例如色彩光線等，對于受磁場電場的影響也在可接受范圍內，結構十分簡單對于成本的投資、能量的消耗都在一定程度上起到良性作用，由于空氣傳播中超聲波會不斷地消耗。因此根據(jù)回波信號的回返時間來測定會因為其在空氣傳播中的消耗而存在誤差。

總的來說超聲波避障功能的實際過程為：接收機以及單片機所發(fā)出的控制信號經(jīng)過直流偏置電壓與電位器電壓的相互協(xié)調而成的電壓差進行輸出功率，再由電路板上的IC來進行智能小車實際行動例如轉向、倒退的分析判斷，在無核心馬達的驅動下，由減速齒輪通過力的轉換，位置移換到機械擺臂上，在最大程度上減少力的消耗損失，最后由位置檢測器進行信號的輸送傳回，檢測判斷是否成功進行定位，在智能小車的行駛過程中，避障功能系統(tǒng)中的超聲波傳感器一直在工作，不斷進行智能小車可監(jiān)測范圍內，障礙物有無的判斷檢測，一旦經(jīng)由超聲波傳感器檢測到障礙物的存在，驅動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)共同作用下，智能小車接受并執(zhí)行單片機發(fā)出的后退并停止的命令，并由超聲波測距傳感器等測距傳感器進行相應的測距，并接受傳感器收集到的信息數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷有利行走路線，并進行轉向等行動。

4 結語

基于Arduino平臺的多功能智能小車的設主要以Arduino單片機為核心，通過HC-06藍牙系統(tǒng)對Arduino單片機的反饋，從而達到對小車通信行動的智能控制，再通過微控制處理器進行對于數(shù)據(jù)的分析處理，從而控制電動機的主驅動，以實現(xiàn)智能類小車的藍牙遙控、超聲波避障等智能化控制。

參考文獻：

[1]徐開軍，陳飛龍.基于Arduino平臺的多功能智能小車的設計[J].電子世界，2016（24）.

[2]聶茹，嚴明.基于Arduino開發(fā)板的智能小車設計[J].微處理機，2015（04）.

作者簡介：譚尚偉（1988-），男，廣東信宜人，本科，助理實驗師，研究方向：電子技術。