基于Arduino Mega 2560設計的智能循跡探險小車

李 鋮

（河南牧業(yè)經濟學院，河南 鄭州 450000）

1 機器人總體功能及性能指標

機器人技術越來越火熱，也越來越流行，它融合了很多交叉學科知識，并且大量應用于前沿技術，許多發(fā)達國家開展機器人制作比賽以此來鼓勵更多高科技人才進入機器人領域[1]。目前為止，市面上的機器人多為固定的，但其范圍與行為受到限制，所以需要更多的移動機器人來解決問題[2]。探險機器人是現(xiàn)在比較火熱的智能機器人，探險機器人能夠探測險境，代替人們發(fā)現(xiàn)危險，幫助人們找到合適的路線，使人們盡快到達想要去的地方。該文結合中國機器人大賽中機器人旅游——探險游項目的要求背景，自主研發(fā)出該探險機器人小車。

2 總設計思路

該智能小車由軟件系統(tǒng)、結構與外觀、電子電路系統(tǒng)、傳感器、動力系統(tǒng)這5個部分組成，如圖1所示。其中，軟件系統(tǒng)控制整個機器的運行，是該小車的控制核心，它能夠與小車的其他電子元件保持實時通信，將程序運算的結果發(fā)送至各個電子信息元件，實現(xiàn)小車的各個部分運動統(tǒng)一；該小車的結構與外觀部分是采用亞克力板作為小車的框架；電子電路系統(tǒng)是將各個電子元件的信號線與Arduino主板的I/O用杜邦線相連，使Arduino主板與各個傳感器保持實時通信；該小車傳感器部分由8路數(shù)字灰度傳感器、光電避障傳感器、漫反射激光傳感器3個傳感器構成傳感器部分，該部分是該小車的感知器官，他們是使小車實現(xiàn)循跡，避障的保證，是接受外界信號的重要組成部分；動力系統(tǒng)采用容量為5300mAh，放電倍率為30c，額定電壓為14.8V大容量高倍率電池，并且用一塊LM2596 DC-DC可調降壓模塊穩(wěn)定輸出一個12V、一個5V的電源，12V電源為直流電機驅動供電，一個5V電源為主控板以及各種傳感器供電。以此來保證小車的各個部分持續(xù)正常地工作。

圖1 智能小車的總設計思路

3 主要系統(tǒng)設計

3.1 軟件系統(tǒng)

該文的智能小車采用Arduino Mega 2560最小系統(tǒng)作為該小車軟件系統(tǒng)。Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板，有54路數(shù)字輸入/輸出端口（其中15個可以作為PWM輸出）、16路模擬輸入端口、4路UART串口、16MHz的晶振、USB連接口、電池接口、ICSP頭和復位按鈕[3]。簡單地用USB連接電腦或者用交直流變壓器就能使用[3]。它具有大量的I/O口和較快的處理速度，這也是它比Arduino UNO更加適合該文小車的特性。

3.2 結構和外觀

小車上下板采用亞克力材質，利用SolidWorks建模設計出合適尺寸，把各個模塊位置確定下來，把孔的位置定好，然后出圖，利用高精度激光切割機把上下底板加工出來，激光切割的切口光滑、速度快、精度高，能一次成型，很方便，無須二次加工，節(jié)約了大量的時間，簡化工序流程，再配合亞克力板的優(yōu)良激光切割特性，可以快速地從圖樣設計到底板制作完成[4]。之后上下板之間用銅質六角螺柱支撐固定起來，整體結構看起來規(guī)整大氣，各模塊根據(jù)圖紙安裝固定，部分傳感器可根據(jù)使用目的利用3D打印進行安裝固定。

3.3 電子電路系統(tǒng)

探險機器人主要使用的傳感器有8路數(shù)字灰度傳感器、光電避障傳感器、色標漫反射傳感器。這些傳感器的信號線都連接到Arduino Mega2650的引腳上，電源用DC-DC15A同步整流降壓模塊降壓后連接到這些傳感器的VCC和GND，接線原理如圖2所示，其中TXD為發(fā)射端，RXD為接收端，GND為接地端。電機部分是用一塊LM2596 DC-DC可調降壓模塊先降壓，然后連接到電機驅動上，電機驅動上會有一些排針插口，這些排針插口連接到Arduino Mega 2650的引腳上，這就是該智能小車的電子電路部分。

圖2 通信信號接線原理

3.4 傳感器系統(tǒng)

探險機器人使用了8路數(shù)字灰度傳感器、光電避障傳感器、色標漫反射傳感器。

8路數(shù)字灰度傳感器：如圖3所示，用于識別賽道上白色的引導線，數(shù)字灰度傳感器輸出的數(shù)字信號只有0或者1，根據(jù)賽場的環(huán)境不同，筆者需要對數(shù)字灰度傳感器進行調節(jié)，進而適應賽場的環(huán)境，調節(jié)傳感器就是調節(jié)它的電壓，數(shù)字灰度傳感器的芯片是電壓比較器，型號是LM393，它有兩路電壓輸入，一路是光敏電阻的輸出電壓，一路是滑動變阻器的基準電壓，通過LM393電壓比較器來比較這2路電壓，進而對外輸出高低電平。

圖3 8路數(shù)字灰度傳感器

光電避障傳感器又稱紅外避障傳感器，型號是E18-D80NK，它是1個集成傳感器，外觀小巧美觀，外殼配有螺紋與螺母，易于安裝固定，它將發(fā)射器接收器處理系統(tǒng)融合在一起，非干擾性，靈敏度高[5]。傳感器前端有1個過濾光質的玻璃片，它能過濾發(fā)射的光源，又能過濾其他光線對傳感器的干擾。光電避障傳感器檢測最遠距離是800mm，傳感器的探測距離可以根據(jù)使用要求自己調節(jié)，傳感器探測距離調節(jié)方式就是轉動尾部的滑動變阻器。傳感器正常工作電壓是5V，正常工作電流是10mA～15mA，探測距離的范圍是30 mm～800 mm[6]。

色標漫反射傳感器：型號是E18-F10NK，是一種集發(fā)射與接收于一體的色標傳感器，具有距離調節(jié)旋鈕和工作指示燈，根據(jù)燈的亮與滅來進行顏色的區(qū)分。傳感器正常工作電壓是4.5 V～5.5 V，正常工作電流是10 mA～15 mA，探測距離的范圍是20 mm～150 mm。

3.5 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)原理如圖4所示，電源采用3300mAh-4s（14.8V）大容量電池，強勁電力、更大容量、環(huán)保材質、待電持久，為小車提供充足的電源，保證其長久續(xù)航。利用DC-DC15A同步整流降壓模塊輸出一個12V的電源，利用一塊LM2596 DC-DC可調降壓模塊穩(wěn)定輸出一個5V的電源，12 V電源為直流電機驅動供電，5V電源為主控板以及各種傳感器供電。

圖4 動力系統(tǒng)分壓思路

由直流正科電機驅動，選用電壓12 V轉速為1 000轉電機，雙H橋，可同時驅動2臺直流電機，單路7 A電流，功率大[7]。大扭矩電機為小車翻越障礙提供充沛動力，減速箱采用全金屬齒輪，外殼使用高硬度不銹鋼材質，更受外界沖擊，耐磨性高，精確度高，定子采用銅芯線圈繞組，電機更耐磨損。采用L型電動機臥式安裝座，使電機穩(wěn)定安全地固定在小車底板上。

4 控制策略

探險機器人使用Arduino Mega 2650主控板，其優(yōu)點在于有大量的引腳，基于高性能核心處理器的快速處理速度，可以在程序運行時將各路傳感器收到的數(shù)字信號和模擬信號進行實時處理，以便在小車行進途中對車身姿態(tài)進行實時調整和控制。整個控制系統(tǒng)分為2個部分，即循跡部分和精準控制部分，其中循跡部分主要使用8路數(shù)字灰度傳感器，精準部分主要使用色標傳感器。2個部分相互協(xié)調來控制探險機器人行為，精確控制部分與循跡部分兩者各有各的觸發(fā)方式及引導，并不會沖突，是一種相互協(xié)調的關系。控制策略原理圖如圖5所示。

圖5 控制策略原理

循跡部分主要利用灰度傳感器來進行循線。首先筆者需要采集背景色與線路的顏色，背景色為地毯的綠色，線路為白色布基膠帶。筆者采用灰度傳感器的數(shù)字模式，數(shù)字口直接接在I/O口上，設置這些I/O口為輸入模式，讀取每路傳感器的輸出，數(shù)字口有高電平和低電平2種信號，由于灰度傳感器可以將收集到的電信號的模擬值進行二值化處理，所以可設置為，當灰度傳感器掃到白線為0，否則為1。這樣可以設置為當小車平穩(wěn)地走在白線正中間時，4路和5路正好掃到白線，此時表示二進制為11100111，此時小車全速前進。當小車向右偏移時，也就是左側的1路或2路或3路掃到了白線，此時表示二進制為00111111或10011111或11001111，這時調整小車的電機左邊調速減慢，右邊增快，使其向左偏轉，直至小車車身能夠平穩(wěn)地在白線中間行進，此時繼續(xù)全速前進。當小車向左偏移時，也就是右側的8路或7路或6路掃到了白線，此時表示二進制為11111100或11111001或11110011，這時調整小車的電機右邊調速減慢，左邊增快，使其向右偏轉，直至小車車身能夠平穩(wěn)地在白線中間行進[8]。

精準控制部分主要依靠車身前方兩側的色標漫反射傳感器記錄車身在整個路線中的位置，并且在到達控制位時跳轉至指定控制子程序內執(zhí)行，從而達到精準控制的效果?；谥骺匕鍍?yōu)越的處理速度，在到達指定識別位置時可以實時執(zhí)行控制子程序。由于漫反射傳感器極靈敏，在行進過程中難免會有誤觸的現(xiàn)象發(fā)生，為了避免這一現(xiàn)象，筆者采用了在指定位置觸發(fā)執(zhí)行下一步行為的措施，避免在非控制位時做出其他動作。精準控制主要分為指定角度轉彎、高臺做指定動作、指定位置做無線區(qū)調整并開啟相應傳感器、指定位置停車或掉頭等動作。車身經過每個路口，其前方灰度傳感器全部檢測不到信號時，其進入慢速前進狀態(tài)，同時啟動左右兩側的色標傳感器，當收到色標傳感器返回的信號時，車身按指定角度轉彎，無信號時繼續(xù)前進，再次有信號時做出指定動作，直至車身駛出路口時，灰度傳感器再次接收返回信號，結束通過路口階段。

該車采用的是PWM控制電機的轉速，即按固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)實際需要改變固定周期內“接通”“斷開”時間的長短，PWM調速控制應用廣泛，尤其是在直流電機的調速上[9]。此外，用單片機的軟件編程來產生PWM信號，比用硬件來產生信號簡單得多[9]。只要改變通、斷電的時間，就能讓電機轉速得到控制。小車的單片機不停地掃描所有的引腳接口，一旦信號有變化，就執(zhí)行相應的判斷程序，此時通過循跡部分或者精準控制部分來進行車身調整，把相應的信號發(fā)送給電機從而調節(jié)車身的姿態(tài)。

5 結語

該文簡要地介紹了一種基于Arduino Mega 2560單片機而設計的一款智能循跡小車。該智能小車采用模塊化設計的方法進行設計，由軟件系統(tǒng)、結構與外觀、電子電路系統(tǒng)、傳感器、動力系統(tǒng)這5個部分組成，使小車的結構簡單緊湊，并由循跡部分和精準控制部分，兩者相互配合使小車的循跡更加精準。經過多次實驗與測試，該智能小車可以實現(xiàn)自主的循跡功能，并且隨著人工智能的發(fā)展，該智能小車及其系統(tǒng)可實現(xiàn)采摘、抓取、搬運等功能。