一種基于Arduino平臺的智能循跡避障小車的硬件設計

山西省運城市康杰中學 王森龍 王 哲

1 引言

智能循跡小車是一種按照預設引導路徑行駛的智能小車，在工業領域中得到了廣泛的應用，如倉儲的智能搬運、無人搬運等[1,2]。它是一種自動化與智能化的設備，可以根據具體需求或者流程而靈活配置的，具有體積小、操控靈活簡單等優點[3,4]。但是，在智能循跡小車行進過程中難免會遇到障礙物，設計一定的避障模塊，從而使其具備障礙物檢測能力，避免與障礙物發生碰撞造成貨物或小車的損壞，已然成為了智能循跡小車必須具備的能力[5]。

為此，本文設計了一種基于Arduino平臺的智能循跡避障小車的硬件系統。該系統利用紅外線不同的反射能力的設計紅外循跡識別模塊，基于超聲波測距避障的原理設計避障模塊，從而使得智能循跡小車具備全方位避障能力，有效提升智能循跡小車的自主避障能力。

圖1 硬件整體方案

2 整體方案設計

本文所設計研究的智能循跡避障小車的硬件系統主要由Arduino主控單元、電機驅動模塊、紅外循跡模塊、超聲波避障模塊、以及Android手機端界面等構成。智能避障循跡小車硬件系統整體設計方案如圖1所示。

2.1 紅外循跡模塊

本設計通過高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的紅外循跡模塊識別行進路徑上的預先設置的黑線，利用黑線對紅外線不同的反射能力，接收反射回的不同光強信號，把不同光強轉換為電流信號，最后通過電阻，轉換為單片機可識別的高低電平。將實時路徑信息發送到Arduino主控單元，主控制器經過判斷之后，通過I/O口控制電機控制模塊驅動兩個直流電機的工作狀態，從而實現小車的循跡功能。光電傳感器實現循跡的電路原理圖如圖2（a）所示。選用TCRT5000型光對管如圖2（b）所示。

圖2 紅外循跡模塊設計

圖3 電機驅動電路圖

圖4 避障模塊設計

2.2 電機控制模塊

智能循跡小車采用直流電機作為執行器件，采用直流電機驅動芯片L298N作為電機驅動芯片，通過通過Arduino主控單元發出的PWM調制信號實現電機轉速的控制，通過控制兩個直流電機的轉速來實現小車的轉向。所設計的智能小車電機驅動模塊如圖3所示。

電機控制邏輯如表1所示。以電機A為例，當使能端EN A為高電平時，如果輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機A反轉；如果輸入引腳IN1為高電平而輸入引腳IN2為低電平，電機A正轉。

表1 小車運動邏輯

2.3 避障模塊

為了實現智能循跡小車的自動避障功能，本文選用HC-SR04超聲波避障模塊，在小車前端左右兩側各安裝一個，擴大其避障的范圍，以實現智能循跡小車對障礙物的全方位有效避障。HC-SR04超聲波避障模塊，具有傳輸距離范圍寬、測距精度高等優點，廣泛用于智能機器人的測距避障中。該模塊包含超聲控制電路、發射器以及接收器。HC-SR04超聲波測距模塊原理圖和實物分別如圖4（a）和（b）所示。

3 結束語

本文設計完成了一種基于Arduino平臺的智能循跡避障小車硬件系統，采用紅外循跡模塊實現其循跡功能，為了避免循跡小車在行進過程中由于無法躲避障礙物造成的損失，采用超聲波傳感器測距使得循跡小車具備避障能力。測試結果表明，本文所設計的硬件系統能夠滿足小車循跡和避障的需求，且電路結構簡單，容易實現，可靠性高。

[1]開思聰,陶重犇,孫云飛.基于STM32控制的倉儲搬運機器人[J].計算機系統應用,2016,25(7)：49-54.

[2]張軍,趙玉剛,楊強,等.微型自動循跡搬運車控制系統的開發[J].組合機床與自動化加工技術,2017(7)：133-136.

[3]張梅美,孫鳳英.自動循跡搬運車控制系統設計[J].現代科學儀器,2013(1)：111-114.

[4]繆璐婷.基于stm32的循跡避障智能車設計[J].電子世界,2017(7)：140-140.

[5]郭燕.智能循跡小車在搬運過程中出現的若干問題及解決辦法[J].工業控制計算機,2015(9)：38-39.