基于Arduino的智能小車

陶冶　李馳新

摘要：系統以Arduino單片機為控制核心，超聲波傳感器測距，L298N驅動4個直流電機帶動小車運行，利用Arduino語言編程控制小車運動軌跡。當檢測到小車前方有障礙物時，單片機發指令讓小車左轉一定角度，無障礙物則直行并繼續探測，小車還具有紅外尋跡功能，按照預先設置的軌道運行并完成特定任務。

關鍵詞：Arduino單片機;超聲波傳感器;避障

中圖分類號：TP31 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）15-0222-02

隨著現代計算機技術的不斷發展和普及，機器人進入各行各業并使人們的生活方式更加便捷。 機器人要實現避障和引導功能就要有感知功能，紅外傳感器給機器人一個視覺感知功能[1]。以Arduino單片機為控制核心的智能避障機器人，主要研究小車在一個特定的環境里自動運作的避障功能[2]。利用超聲波傳感器檢測軌跡上的障礙物，通過單片機程序控制小車直行或偏轉一定角度繼續運行，不斷探測和實施控制。

1 設計原理與方法

本系統中直流電機的正傳、反轉、加速、減速的智能控制，由PWM控制系統的控制實現[3]。 調制脈沖信號由Arduino Uno單片機產生并控制直流電機工作[4]。該PWM 控制系統由設計控制模塊和驅動模塊組成。避障機器人采用四輪驅動，后輪是支撐和轉向的萬向輪，前輪用兩個電機。

2 硬件設計

避障機器人的硬件組成：Arduino單片機、電機驅動模塊、超聲波傳感器、紅外傳感器、電源、直流電機模塊。電源給整個小車供電，避障機器人以Arduino單片機為核心，通過電機驅動模塊控制直流電機的運行，實現機器人按預期規則運動[5]。車身的最前端安裝有超聲波傳感器，通過收發超聲波探測障礙物。當檢測到障礙物，單片機程序做出向左旋轉的操作，沒有檢測到就繼續直行，然后繼續循環檢測，從而實現機器人的循跡避障功能。硬件框架圖如圖1所示。

2.1 單片機模塊

本設計采用Atmel Atmega328微處理。其模塊為：5V穩壓電路，程序下載電路，電源接口，6路AD采樣，USB供電，ISP下載接口，IO備用接口等。Arduino Uno實物圖如圖2所示。

2.2 電機、電機驅動模塊

本設計采用L298N的H橋電路。通過單片機控制占空比調整電機轉速，H橋電路效率非常高，實現轉速和方向的簡單控制，穩定性高、速度快、驅動能力強。L298N有過壓保護、過電流保護、反壓保護功能，當出現異常時保護電機和電路[6]。這種調速方式有調速范圍廣、調速特性優良、過載能力大、調整平滑、無級快速反轉、制動和啟動等優點。L298N電路原理圖如圖3所示。

2.3 避障模塊

超聲波測距模塊HC-SR04，提供非接觸式2CM-400CM距離的感測功能，測量精確度達到3mm;模塊組成：超聲波接收器，發射器和控制電路。避障模塊實物圖如圖4所示。

基本工作原理：

（1）采用10us的高電平信號觸發TRIG測距;

（2）自動檢測時發送8個40khz的方波，模塊檢測是否有自動信號返回;

（3）ECHO輸出一個高電平代表有信號返回，超聲波從發射到返回的時間就是高電平持續時間。距離=（聲速（340M/S）*高電平時間）/2;

3 軟件設計

3.1 Arduino語言

Arduino可以讓我快速使用與Macromedia Flash， Processing， Max/MSP， Pure Data等軟件。Arduino可以使用各種傳感器、控制器、電子元件、步進電機、LED等裝置[7]。Arduino基于源碼開放的IDE界面，可以與上面軟件交互，也可以獨立運行。

3.2 Arduino IDE

Arduino IDE運行界面如圖5所示。Arduino語言是一種類c的語言。在這個界面里有我編程時最常用的東西，當我把鼠標放在上面就會在右側出現按鍵的功能。

下載程序到機器人控制器Arduino中的操作如圖6所示，在此標示了位置上傳功能。最右邊的圖標是我需要熟知的串口監視器，快捷鍵是：Ctrl+Shift+M。點這個圖標的前提是插上了串口設備，當然Arduino插在USB上也可以，Arduino Uno主板上內置了USB轉串口芯片[8]。

4 系統調試

避障機器人的系統調試分兩大模塊：超聲波測距模塊和L298N驅動模塊。先把兩大模塊分別獨立調試，正常后把所有硬件模塊組合起來進行綜合調試。

4.1 電機調試

在電機驅動板上。有EA，I1，I2，EB，I3，I4六個端子用于控制電機。EA，EB為兩路電機的控制使能，PWM調制實現電機轉速控制。程序編譯下載后出現小問題，通過右側車輪的電機線修改解決了小車不停旋轉的現象。

4.2 調試超聲波模塊

超聲波傳感器的引腳：發射引腳、接收引腳、電源VCC，地GND， Arduino Uno的對應引腳分別連接這四根插線，完成測試程序的下載和燒制[9]，測試超聲波模塊結果如圖7所示。

5 結束語

智能機器人可以精確操作，提高效率解決難題，基于Arduino智能小車系統實現了調節偏離和自動避障的功能，通過遠程監測和自動報警實現了人機實時交互，實現小車根據外部環境和遠程指令，做出前進、后退和轉向等動作，這樣的避障小車還用于環境探測等多種用途，減少了人們的工作危險系數，解決了惡劣環境下勘探的需求，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1] 于洋.基于Arduino的自動避障及通信控制智能小車系統的研究與設計[J].吉林大學，2017.

[2] 劉洪濤，熊家. 嵌入式應用程序設計綜合教程：微課版[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[3] 孫建朋. 基于Arduino的智能小車避障系統設計[J].黑龍江科技信息，2016（15）.

[4]王紅紅. 基于雙橋矩陣變換器的異步電動機控制系統[J].山東工業技術，2018（7）.

[5] 彭芳.基于PLC的步進電動機控制系統設計[J].電子世界，2019（4）.

[6]徐根耀.電子元器件與電子制作[M].北京：機械工業出版社，2017.

[7] 趙建偉.機器人系統設計及其應用技術[M].北京：清華大學出版社，2017.

[8] 王飛，楊娟娟.基于Visual Basic的串口通訊和Arduino的智能小車控制系統設計[J].科技與創新，2016（1）.

[9] 李飛.“智能化”電子產品中單片機技術的應用[J].電子技術與軟件工程，2019（6）.

【通聯編輯：梁書】