基于Ardinuo的智能小車自動避障系統設計

王森龍　王哲

摘 要：為了提高智能小車的避障能力，設計了一種智能小車的自動避障系統。該系統以Ardinuo為主控芯片，通過紅外避障傳感器與超聲波避障傳感器探測小車前方與側面的障礙物信息，實現小車全方位的避障能力。測試結果表明，所設計的自動避障系統能夠有效地躲避障礙物，提升智能小車的避障能力。

關鍵詞：Ardinuo 智能小車 自動避障 傳感器

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）09-0-02

引言

智能小車作為一種輪式智能機器人已經應用到實際生活中各個方面[1]。它屬于具有體積小、操控靈活簡單等優點[2，3]。但是，在智能小車行進過程中難免會遇到障礙物，設計合理的避障系統，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機器人損壞，已然成為了智能小車必須具備的能力[4]。

目前，智能小車大多通常采用一個傳感器實現行進前方的避障，但這種避障方式存在著障礙物探測能力有限、無法實現側方及全方位的避障等問題。為此，本文設計了一種由前方避障和側方避障構成的全方位自動避障系統。該系統采用紅外單點避障方式實現前方避障，采用超聲波避障方式實現雙路側方避障，從而使得智能小車具備全方位避障能力，有效提升智能小車的自主避障能力。

一、避障系統方案設計

本文所設計研究的智能小車避障系統主要由 Arduino UNO R3 主控單元、電機驅動模塊、紅外單點避障傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、藍牙串口通信模塊以及 Android 界面模塊構成。智能小車避障系統的整體設計方案如圖1所示。

1.Arduino主控單元

Arduino主控單元由基于單片機的開源硬件平臺及為其提供編程接口、編程語言等的開源軟件組成，開發環境和編程語言簡明清晰，易于掌握。它有4個PWM輸出，滿足系統電機驅動的需求，同時可擴展藍牙串口模塊，可以與Android設備的連接，實現藍牙遙控[5]。

2.電機驅動模塊

智能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2所示。

3.自動避障功能模塊

通常應用于智能小車測距避障的傳感器主要有紅外避障傳感器和超聲波避障傳感器等。為了實現智能小車的全方位自動避障功能，本文基于兩種傳感器各自的性能，將這兩種測距傳感器的結合使用，在小車前端中央設置一個紅外避障傳感器，用于探測小車前方的障礙物；在小車前端左右兩側各安裝一個超聲波避障傳感器，擴大其避障的范圍，以實現智能小車對障礙物的全方位有效避障。

紅外避障傳感器具有無盲區、測距精度高、反應速度快等優點，該避障模塊采用夏普GP2Y0A21紅外測距傳感器，夏普GP2Y0A21型紅外測距傳感器是基于位置敏感傳感器PSD（Position Sensitive Device）的微距傳感器，捕捉的是光信號并且有著基于Lucovusky 方程的電路設計，其有效的測量距離為80cm。為了彌補紅外避障傳感器的受環境影響較大、探測距離較近等缺陷，基于多傳感器信息融合的思想，將紅外避障傳感器與超聲波避障傳感器互補，使智能小車具有速度快且精度準確的感測范圍。

超聲波避障模塊選用HC-SR04，其傳輸距離范圍較寬，并且測距精度較高，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如圖3所示。

4.Android設備界面

本設計需開發Android設備的控制界面，可以實現發送通信協議中字符的功能。考慮到Android設備大部分為觸屏操作，且從用戶體驗的角度出發在APP中加入重力感應操作，可以像玩重力感應游戲一樣實現對智能小車運動方向的控制。所設計的Android設備界面設計，如圖4所示。

5.系統避障軟件設計

智能小車在行進過程中，紅外避障與超聲波避障傳感器不斷地檢測小車周邊是否存在障礙物。在無障礙物的情況下，小車繼續行進。當有障礙物被檢測到，則通過判斷檢測到障礙物的傳感器的數量，來實現智能小測的全方位自動避障。具體過程為：當紅外避障傳感器或者是超聲波傳感器檢測到障礙物時，小車向遠離障礙物的方向行進；當紅外避障傳感器和超聲波傳感器均檢測到障礙物時，小車向未檢測到障礙物方向轉向；當小車避開障礙物后，小車繼續行進。流程圖如圖5所示。

二、結論

本文設計完成了基于Arduino平臺的智能小車避障系統，基于多傳感器信息融合的思想，采用紅外避障傳感器和超聲波傳感器相結合的避障方式，旨在提高智能小車的避障能力。此外設計完成了Android設備的控制軟件用于對智能小車的控制。測試結果表明，本文所設計的避障系統能夠有效地躲避障礙物，提升智能小車的避障能力。

參考文獻

[1]楊華. 智能機器人教學設備的開發[J]. 電子制作， 2017（7）：79-79.

[2]陳江. 智能小車研究綜述[J]. 鎮江高專學報， 2017， 30（4）：58-60.

[3]符強， 任風華. 基于手機藍牙的遙控小車的設計[J].現代計算機（專業版），201l，（31）：77-79.

[4]林長青， 成海量. 基于Android系統和藍牙通信的手機遙控車設計[J]. 山西電子技術， 2012，（03）：56-58.

[5]聶茹， 嚴明. 基于Arduino開發板的智能小車設計[J]. 微處理機， 2015（4）：89-91.

作者簡介：王森龍（2001-），男，漢族，山西運城人，山西運城康杰中學學生。

指導教師：王哲（1992-），男，漢族，山西運城人，山西運城康杰中學科技競賽指導教師。