基于Arduino 的智能避障小車設(shè)計(jì)＊

曾穎琳，董 欣，倪 鵬，郭 斌

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

1 引言

目前，人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展引領(lǐng)了許多產(chǎn)業(yè)的飛速進(jìn)步，越來(lái)越多的智能控制產(chǎn)品走進(jìn)了人們的生活。自動(dòng)駕駛車應(yīng)用了智能控制、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)、傳感器等多種技術(shù)[1]。自動(dòng)駕駛車的應(yīng)用不但可以有效地緩解交通問(wèn)題，而且可以把人從駕駛過(guò)程中解放出來(lái)，避免由疲勞駕駛、酒駕、操作失誤等引起的突發(fā)意外，從而為人們的生活提供便利，因此，它越來(lái)越受到人們的密切關(guān)注。智能避障小車是自動(dòng)駕駛車的雛形，也是必備的基礎(chǔ)之一，其主要是解決車在行駛過(guò)程中的自動(dòng)避開障礙物的問(wèn)題，這一問(wèn)題的解決也是輔助車自動(dòng)駕駛的必要條件之一，所以對(duì)其進(jìn)行研究和探討具有一定的意義。目前，各院校都有過(guò)對(duì)智能避障小車研究的報(bào)道，且獲得了一定的應(yīng)用。作為自動(dòng)駕駛的重要基礎(chǔ)，利用所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)智能避障小車不但為以后的開發(fā)積累必要的經(jīng)驗(yàn)，也是進(jìn)一步研究的必經(jīng)之路。本文是以Arduino 開發(fā)板作為核心控制器，結(jié)合超聲波傳感器、電機(jī)、舵機(jī)等硬件設(shè)計(jì)和程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)避障功能以達(dá)到小車的自動(dòng)行駛。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用Arduino 微處理器作為主控芯片。它是目前被使用較為廣泛的電子芯片，其開發(fā)語(yǔ)言為C 語(yǔ)言，具有使用簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[2]。Arduino 的主要特點(diǎn)是其參數(shù)的函數(shù)化設(shè)置，它在很大程度上降低了開發(fā)的門檻，因此用戶不用從底層了解它的結(jié)構(gòu)。此外，它還可以簡(jiǎn)單地與各種傳感器和電子元器件進(jìn)行連接，便于開發(fā)和功能擴(kuò)展。在本設(shè)計(jì)中，智能小車搭載超聲波傳感器、舵機(jī)作為避障模塊的核心器件，它在Arduino 的控制下對(duì)小車行駛的路況進(jìn)行相應(yīng)的信息采集，并將檢測(cè)到的信息反饋給Arduino 進(jìn)行處理，Arduino通過(guò)調(diào)用程序可控制小車作出相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。

系統(tǒng)框圖1 如示。

圖1 系統(tǒng)框圖

智能小車的設(shè)計(jì)共包括電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)、避障4個(gè)主要功能模塊，各模塊間相互配合，共同實(shí)現(xiàn)智能小車的行駛、避障檢測(cè)和避障功能，其總體原理如圖2 所示。

圖2 設(shè)計(jì)原理圖

2.1 電源模塊

電源是整個(gè)硬件電路的重要組成部分[3]。它可以為系統(tǒng)電路提供穩(wěn)定的工作電壓，使其正常工作。鋰電池具有電壓穩(wěn)定、價(jià)格低等特點(diǎn)，此外，它還可以進(jìn)行充電，進(jìn)行循環(huán)使用[4]。本設(shè)計(jì)供電電壓范圍為6.5～9 V，基于鋰電池的上述特點(diǎn)，選用兩節(jié)3.7 V 的鋰電池和電池盒進(jìn)行組合，為系統(tǒng)工作提供7.4 V 的穩(wěn)定電壓。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)的位移由脈沖得來(lái)的。當(dāng)有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)會(huì)在該信號(hào)的驅(qū)使下按照預(yù)設(shè)的方向朝固定的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。為了使定位變得準(zhǔn)確而有效，可以通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)，從而使它的角位移量發(fā)生相應(yīng)的變化。此外，更改脈沖的頻率可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)速度的目的。

電機(jī)作為智能小車的驅(qū)動(dòng)裝置，其選擇合適與否會(huì)對(duì)系統(tǒng)電路的正常運(yùn)行起重要的作用[5]。本設(shè)計(jì)選用的兩個(gè)電機(jī)的型號(hào)都是L293D，它不僅具有價(jià)格便宜、易于控制的特點(diǎn)，而且還具有高速變化的四倍高電流H 橋驅(qū)動(dòng)程序，可以提供高達(dá)600 mA 的雙向驅(qū)動(dòng)電流，寬電壓供電范圍可以達(dá)到4.5～36 V，故其滿足智能小車的設(shè)計(jì)條件。L239D 內(nèi)部等效圖如圖3 所示。

圖3 L239D 內(nèi)部等效圖

2.3 舵機(jī)模塊

目前，在智能控制系統(tǒng)中舵機(jī)的使用越來(lái)越普遍。在智能小車設(shè)計(jì)過(guò)程中，它可以帶動(dòng)超聲波探頭、攝像頭等旋轉(zhuǎn)，保持或改變方向，對(duì)智能小車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制或信息采集。舵機(jī)中起控制作用的信號(hào)為PWM 信號(hào)（脈寬調(diào)制信號(hào)），控制的信號(hào)基準(zhǔn)周期為20 ms，脈沖寬度介于0.5～2.5 ms 之間，可調(diào)整的旋轉(zhuǎn)角度為﹣90°～90°[6]。舵機(jī)能夠控制旋轉(zhuǎn)角度的變化，是利用PWM 信號(hào)脈沖寬度的占空比來(lái)調(diào)節(jié)位置的改變，根據(jù)脈沖寬度，舵機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的角度到達(dá)相應(yīng)的位置。

本設(shè)計(jì)采用舵機(jī)型號(hào)為SG90，在不帶負(fù)載的情況下，它的反應(yīng)轉(zhuǎn)速可以達(dá)0.12 s/60°（4.8 V），轉(zhuǎn)角的最大角度為180°，正常的工作電壓介于3.5～6 V。舵機(jī)脈沖寬度與轉(zhuǎn)角關(guān)系如表1 所示。

表1 舵機(jī)脈沖寬度與轉(zhuǎn)角關(guān)系

2.4 避障模塊

如今，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，智能小車能應(yīng)用的傳感器種類越來(lái)越多[7]。在眾多傳感器當(dāng)中，超聲波傳感器已然成為智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障應(yīng)用的首選器件。超聲波是一種機(jī)械波，其指向性相對(duì)較強(qiáng)，頻率較高，繞射現(xiàn)象小，很適合用來(lái)測(cè)距。

在本設(shè)計(jì)中使用的避障模塊選用的是HC-SR04，它有4個(gè)接口端，即為VCC、GND、接收端Echo、控制端Trig，實(shí)物如圖4 所示。它采用ⅠO 觸發(fā)的方式進(jìn)行測(cè)距，通過(guò)利用超聲波信號(hào)從控制端到接收端的高電平持續(xù)時(shí)間和聲波在空氣中的傳播原理，實(shí)現(xiàn)計(jì)算障礙物的距離，從而完成避障的功能，其工作時(shí)序如圖5 所示。此外，HC-SR04 的正常工作電壓在5 V 左右，測(cè)量角度小于等于15°，當(dāng)距離物體越遠(yuǎn)時(shí)探測(cè)的角度越大。

在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用HC-SR04 與SG90 舵機(jī)相結(jié)合來(lái)采集障礙物的位置信息。當(dāng)智能小車碰到障礙物時(shí)，信號(hào)可以反射到超聲波傳感器上，在進(jìn)行對(duì)障礙物位置信息的分析和處理后反饋給Arduino 處理芯片，使其調(diào)用相應(yīng)的程序作出應(yīng)對(duì)措施，根據(jù)超聲波的反射效應(yīng)并且配合舵機(jī)0°～180°的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的目的[8]。

圖4 HC-SR04 實(shí)物圖

圖5 超聲波時(shí)序圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 避障的工作原理

本設(shè)計(jì)用于避障的傳感器是HC-SR04，其采用基于ⅠO觸發(fā)實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能，測(cè)距時(shí)，首先Trig 端會(huì)發(fā)送10 μs 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，模塊將會(huì)循環(huán)發(fā)出8 個(gè)方波脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)頻率均為40 kHz，并且通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)有無(wú)回波來(lái)判斷傳感器前方是否有物體。如果檢測(cè)到有回波時(shí)，Echo 端中的輸出信號(hào)為高電平，由其持續(xù)的時(shí)間可知超聲波從發(fā)送到被接收的用時(shí)。計(jì)算公式為：

式（1）中：T為測(cè)試距離；Rh為高電平時(shí)間；Vi為聲速（340 m/s）。

HC-SR04 的應(yīng)用原理是應(yīng)先由控制口發(fā)送出高電平，它持續(xù)的時(shí)間為10 μs 以上，然后，在接收口檢測(cè)高電平的輸出。一旦檢測(cè)到輸出信號(hào)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，持續(xù)一段時(shí)間后，如果接收口中的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，即可讀取定時(shí)器的值，此時(shí)，定時(shí)器記錄的數(shù)值即為測(cè)距時(shí)間，由時(shí)間、聲速和距離的關(guān)系，便可以算出測(cè)量距離。

智能小車在行駛的過(guò)程中，通過(guò)安裝在車底盤前的超聲波和舵機(jī)來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境。在舵機(jī)的帶動(dòng)下，超聲波傳感器可以不斷地檢測(cè)左、前、右3 個(gè)方向是否存在障礙物。如遇障礙物時(shí)，智能小車會(huì)根據(jù)這3 個(gè)方向?qū)φ系K物的距離進(jìn)行比較，從而作出行駛判斷，自動(dòng)避開障礙物。小車行駛時(shí)可能會(huì)在不同方向遇到障礙物，一般是左、右、前3 個(gè)方向。要想小車對(duì)避障物采取有效的應(yīng)對(duì)措施，需要開發(fā)這3 個(gè)方向的避障算法以準(zhǔn)確地判斷障礙物的位置信息，小車的避障流程如圖6 所示。

避障算法的主要判斷小車與不同方向物體的距離，即小車在行駛時(shí)，超聲波傳感器首先檢測(cè)正前方物體的距離，若小車前方25 cm 以上都沒(méi)有物體時(shí)，小車則繼續(xù)向前行駛，如果檢測(cè)到前方25 cm 以內(nèi)存在物體時(shí)，小車會(huì)減速，待小車停止后舵機(jī)云臺(tái)會(huì)繼續(xù)帶著HC-SR04 傳感器檢測(cè)左、右障礙物的距離，如果左邊障礙物的距離大于右邊，小車會(huì)向左轉(zhuǎn)然后前進(jìn)，如果右邊障礙物的距離大于左邊，小車會(huì)向右轉(zhuǎn)然后前進(jìn)，如果小車前方還會(huì)有障礙物，小車會(huì)重復(fù)上述過(guò)程，調(diào)整角度避開所有障礙物。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證小車的避障性能，在設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，通過(guò)利用一些簡(jiǎn)單的物體作為障礙物來(lái)規(guī)定小車行駛的特定的路線，由此來(lái)驗(yàn)證小車的避障效果。

圖6 小車避障流程圖

智能小車前進(jìn)時(shí)通過(guò)舵機(jī)和超聲波不斷檢測(cè)前方，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，超聲波判斷出障礙物的位置后返回一個(gè)信號(hào)，Arduino 根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)用程序比較小車與障礙物的距離，從而控制小車靠前、靠左或靠右行駛，有效地規(guī)避障礙物，實(shí)驗(yàn)效果如圖7 所示。

圖7 小車避障實(shí)驗(yàn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用Arduino 處理芯片，并結(jié)合電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)、超聲波等模塊開發(fā)了自動(dòng)避障小車，并驗(yàn)證了小車的自動(dòng)避障的可行性。通過(guò)設(shè)計(jì)小車沿規(guī)定避障路線行駛實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試后證明了小車的避障性能良好。雖然小車可以很好地完成行進(jìn)過(guò)程中的避障作業(yè)，但是，智能小車還存在一些不足之處，例如，只采用一組超聲波和舵機(jī)結(jié)合，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度有限，小車不能全方位進(jìn)行避障，如果搭配多組超聲波和舵機(jī)或采用性能更好的傳感器，它的自動(dòng)避障效果可能會(huì)更好。