基于樹莓派的避障機器人研究

吳金文 湯林浩 陳名杰

摘 要：本項目基于樹莓派控制技術，設計并實現了一種智能避障機器人方案。本設計使用樹莓派系統模塊、紅外控制模塊、超聲波控制模塊和電機驅動模塊等硬件模塊組成機器人。實現機器人前進、偵測前進道路上的障礙物、自動避開等操作，最終實現自動避障控制功能。

關鍵詞：樹莓派；避障；紅外傳感器；超聲波傳感器；模塊化

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0176-02

Research on Obstacle Avoidance Robot Based on Raspberry Pi

WU Jinwen，TANG LinHao，CHEN Mingjie

（Pujiang College of Nanjing Technology University，Nanjing 211112，China）

Abstract：Based on Raspberry Pi control technology，an intelligent obstacle avoidance robot is designed and implemented in this project. This design uses raspberry system module，infrared control module，ultrasonic control module and motor drive module to build robots. The robot can move forward and detect obstacles and automatic avoidance on the way ahead，and ultimately achieve automatic obstacle avoidance control function.

Keywords：Raspberry Pi；obstacle avoidance；infrared sensor；ultrasonic sensor；modularization

0 引 言

本課題選擇了Raspberry Pi開發平臺作為避障機器人的核心，并自主選擇了零配件進行了研究組裝，對小車自主行動避障的程序進行了編程。機器人避障，通俗地說就是讓機器人能夠自主避開障礙物的行為。

1 項目設計方案

系統結構框圖如圖1所示。主要由電池組、主控、電機、模塊傳感器等部分組成，各系統設計如下：

機器人通過兩節3.7V鋰電池提供7.4V的直流電壓，并通過穩壓電路為系統提供直流穩壓電源。經電機驅動板分別驅動4只1：48直條雙軸減速馬達，來驅動四只車輪，以達到穩定、快速運行的基本需求。電機驅動板上的IN1、2、3、4連接樹莓派GPIO1、4、5、6口。樹莓派主板不另供電，使用降壓模塊降低電壓，后通過樹莓派上Micro接口進行供電。另在硬件主板上設置多個供電的公頭，后期各功能模板可直接利用杜邦線進行連接。

1.1 黑線循跡功能的設計

紅外反射式傳感器由紅外發射管和接受管組成。紅外發射管發射出波長為940nm的紅外線，照射到白色物體后反射最強，照射到黑色物體時反射最弱，反射信號被光電二極管接收后引起接收端電流變化，然后由微控制器產生高低電平來控制電機驅動模塊工作。根據機器人出現的偏航情況，黑色航道會被左右探頭中的一個檢測到，然后可根據以下的情況進行修正航線：若左探頭檢測到黑色航道，意味著機器人已經偏移到航道右側，需左轉向，可回到原航線；若右探頭檢測到黑色航道，則意味著車已經偏移到航道左側，需再向右轉，方可回到原航線；黑色航線沒有被左右探頭檢測到，機器人繼續前行。

1.2 紅外避障功能設計

紅外光電傳感器由發射管和接收管組成并集成數字模擬轉化器。由發射管發射出波長為940nm的紅外線，當發射出的紅外線沒有被反射回來時，紅外接收管處于斷路狀態，通過比較電路處理后，將該輸出信號送到控制器，然后由控制器產生高低電平，進而控制電機驅動模塊工作。根據機器人運動軌跡，前方障礙物會被左右探頭的某一個檢測到，則可根據以下的情況進行修正航線：若左探頭檢測到障礙物，意味著機器人左側無法通行，需要后退一段距離后向右轉向，可繼續行駛；若右探頭檢測到障礙物，則意味著機器人右側無法通行，需后退后再向左轉，方可繼續行進；左右探頭沒有檢測到障礙物，機器人繼續直行。如圖2所示。

1.3 超聲波測距和超聲波避障設計

本系統采用往返時間檢測法，其原理是：檢測從超聲波發射器發出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間即往返時間。往返時間與氣體介質中的聲速相乘再除以2，就是測量的距離。即L=vt/2。

超聲波避障模塊根據機器人運動軌跡檢測到前方障礙物，可根據disMeasure函數返回距離值后進行修正航線。若探頭檢測到障礙物，意味著機器人前方無法通行，需要后退一段距離后向左轉向，可繼續行駛；探頭沒有檢測到障礙物，機器人繼續直行。

設計后轉向的避障算法，算法流程圖如圖3所示。程序開始后，超聲波模塊首先發出8個40khz的方波，若檢測到回傳信號，輸出高電平，通過自定義函數disMeasure計算出正前方障礙物距離，如果距離大于25cm，則繼續向前行駛，如果小于10cm，機器人先后退、后向左轉，以此達到避開障礙物的目的。

2 模塊化集成設計

模塊化是指將一個相對復雜的系統或過程按照一定的規則和聯系分解成半自律的子系統，這些子系統可以進行獨立的設計。基于模塊化思想，集成制造模式，建立集成框架體系，系統研究集成制造模式中的模塊化分解、模塊求解、模塊集成以及產品全生命周期的過程支撐技術。本課題集中介紹了避障機器人這一復雜產品轉化為簡單模塊化產品的組合，能夠更好滿足避障機器人循跡避障、前后行進、左右轉向的需求。樹莓派主控模塊、紅外避障模塊、超聲波模塊（HR04）、紅外循跡模塊、電機驅動模塊以及降電模塊的組合，解決了基于樹莓派的避障機器人的硬件問題。

3 結 論

使用Raspberry Pi開發平臺作為避障機器人的核心具有小型化、多功能化、高度集成化和可控制化的優點。本課題研究了在現有條件下如何應對多方面需求的避障。在Raspberry Pi開發平臺上編寫控制避障程序，使得機器人的避障實現自動化和可控化。通過樹莓派這種超低成本的計算機主機，可以實現以往做不到的事，具有很廣闊的發展前景。

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作者簡介：吳金文（1984-），男，漢族，江蘇南京人，教師，講師，碩士。研究方向：機電一體化；湯林浩（1997-），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀。研究方向：機電一體化；陳名杰（1997-），男，漢族，江蘇南京人，本科在讀。研究方向：機電一體化。