基于Arduino-傳感器的嬰兒預警裝置

夏瑞婷 劉凱文 張嘉程 王歡

【摘 要】預警避障功能是嬰兒車安全使用的基礎，本文基于Arduino嵌入式系統技術，設計開發了一款安裝在嬰兒車上的危險探測裝置，通過超聲測距傳感的方式，盡早地探測出行駛過程中遇到的危險，通過開發算法，實現了智能小車的預警避障功能。

【關鍵詞】Arduino;智能小車;超聲波傳感器;避障功能

一、Arduino

本設計選用Arduino作為主控芯片。它是一種應用廣泛的電子芯片，其開發語言為C語言，使用方便。Arduino的主要特點是參數的功能設置，其大大降低了開發門檻，這樣用戶就不必從底層理解其結構，此外，它可以很容易地連接到各種傳感器和電子元件，適合功能的開發和擴展。

基于Arduino可以實現對一些物體的操控，其中的控制板可以用來，檢測溫度，濕度等一系列狀況，這樣一來就大大方便了，人類的日常生活。而我們小組所選擇的小車試驗，可以通過一定的改良而實現很多目前無法實現的事情，從而更好的改善生活。

二、智能小車

第一臺智能小車是由Nils?Ni-ssen和Charlenrosen等人在1972年研制而成的，并取名為Shakey.從20世紀70年代開始，美國等發達國家開始進行無人駕駛汽車的研究，主要方向是軍事、高速公路和城市環境。在80年代初，美國國防部對自主陸地車輛的研究投入了大量資金，并在該領域取得了極大進步。歐洲在進行前車距控制、視覺增強、道路環境的感知、駕駛員監測及傳感器融合等方面的研究也取得了較大進步。例如，用智能速度適應提升汽車整體安全性，輔以道路標識、衛星定位、車載地圖等綜合信息的方式完成車輛導航和自動控制車輛時速的功能。日本三菱和日產汽車公司近期發布了-款防撞裝置.?基本實現了前方防撞和車道偏離功能。在先進安全性車輛計劃中，本田、日產和豐田公司也大力發展基于行車安全的相關系統，如自動控制系統、前車距離控制系統、障礙物報警系統、車道定位系統及夜間行人報警系統等智能控制系統[1]。

在本設計中在本設計中，智能小車搭載超聲波傳感器、舵機作為避障模塊的核心器件。在Arduino的控制下收集汽車路況的相關信息，并將識別出的信息引導到加工用Arduino處理Arduino通過調用程序可以控制小車執行相應的動作，實現避障功能[2]。

三、系統設計

（一）控制模塊.

Arduino單片機是一種感應和控制真實物理世界的工具，包括基于單片機的硬件平臺，開源軟件的開發環境和Arduino單片機程序編寫軟件。通過處理來自藍牙模塊或Wi?Fi模塊的指令來控制車輛的各個模塊，從而根據需要進行各種運動，并控制小車自動避障等操作。

（二）電機驅動模塊

L298P由與Arduino兼容的大電流電機驅動，該電機驅動模塊有4個控制端口，從而減少了Arduino數字端口的使用，節省了控制器的端口。此外，電機驅動模塊的控制指令編寫也很簡單。該模塊的供電有Arduino-vin供電和外部電源2種方式，用戶可以自己選擇，并且電機驅動模塊可以直接控制2個直流電機，最大驅動電流為2?A，因此可以很容易地控制小車中使用的直流電機的速度和方向。

（三）舵機模塊

機接收來自Arduino的控制信號來驅動電機轉動，電機經過齒輪組的減速后將動力傳動至舵盤。同時舵機的位置還會被位置檢測器檢測并通過檢測器將此時的位置信號反饋給控制電路以此來判斷是否到達了指定位置，并計算出此時舵機所在的位置與速度。

（四）避障模塊

現在擁有越來越多的類型傳感器。超聲波作為一種機械波，其方向性強、頻率高、繞射現象小，是實現智能汽車自動避障的首選傳感器。適合測量距離.本設計采用的避障模塊為HC-SR04，它有四個接口：VCC、GND、接收機回波和控制器觸發器。它使用IO觸發器測量距離.利用從控制端到接收端的超聲波信號的高壓持續時間和聲波在空氣中傳播的原理，確定障礙物的距離計算完成避障功能，HC-SR04的正常工作電壓約為5V，測量角度小于或等于15，離物體越遠，檢測角度越大大。本設計中，HC-SR04與SG90執行機構結合，用于收集障礙。智能車輛遇到障礙，信號可反射到傳感器上超聲波。4月ES位置信息分析與處理信號從障礙物傳輸到Arduino芯片，Arduino芯片調用相應的程序來響應測量。超聲波反射，轉向器可轉動0°～180°，避免障礙物[3]。

避障的工作原理：

設計了一種基于IO的HC-SR04避障傳感器觸發測距功能，測距時觸發端輸出大于10μs的信號脈沖觸發信號，模塊將循環8個方波脈沖信號，每個信號脈沖信號頻率為40kHz，可通過自動回波檢測確定。斷開物體傳感器前面.si檢測到回聲，回聲端子輸出信號為高電平，其持續時間表示超聲波為已收，計算公式（1）如下：

T=（HR×VI）/2

式中（1）：T為試驗距離，HR為高位時間，VI為聲速（340m/s）。

HC-SR04的應用原理是先通過控制端口傳輸高電平持續時間大于10μs退出。一旦檢測到輸出信號，計時器開始計數并持續一段時間，如果接收端口中的信號從高電平變為低電平，則可以讀取定時計時器記錄的值即為量程時間根據聲速與距離的關系，可以計算出被測距離在駕駛過程中，智能車輛通過安裝在底盤前面的超聲波傳感器[4]。

四、結束語

本設計利用 Arduino 處理芯片，并結合電源、電機驅動、舵機、超聲波等模塊開發了自動避障小車，并驗證了小車的自動避障的可行性。通過設計小車沿規定避障路線行駛實驗，經測試后證明了小車的避障性能良好。雖然小車可以很好地完成行進過程中的避障作業，但是，智能小車還存在一些不足之處，例如，只采用一組超聲波和舵機結合，舵機的旋轉角度有限，小車不能全方位進行避障，如果搭配多組超聲波和舵機或采用性能更好的傳感器，它的自動避障效果可能會更好。

參考文獻：

[1]尹念東智能車輛的研究及前影[J].上海汽車，2002（4）：40-42

[2]蔡睿妍.Arduino 的原理及應用[J].電子設計工程，2012，20（16）：155-157.

[3]李念馳.智能車超聲波避障[J].科技展望，2015，25（3）：95-96.

[4]曾穎琳，董欣，倪鵬，郭斌.基于 Arduino 的智能避障小車設計[J].科技與創新，2021，（4）：32-34

作者簡介：

夏瑞婷，2002年5月6日，女，漢，江蘇省宿遷市，本科在讀，研究方向：物聯網;

劉凱文，1994年08月，男，漢，江蘇金壇，本科，助教，研究方向：大學生思想政治;

張嘉程，江蘇農林職業技術學院在讀;

王歡，江蘇農林職業技術學院在讀。

（作者單位：江蘇農林職業技術學院）