基于Mind+的超聲波紅外避障Arduino機器人設計

［蘇神保 劉丹］

1 關于Mind+軟件

Mind+是一款基于Scratch3.0開發的青少年編程軟件，支持arduino、micro:bit、掌控板等各種開源硬件，用戶只需要拖動圖形化程序塊即可完成編程，還可以使用python/c/c++等高級編程語言，讓大家輕松體驗創造的樂趣。對于使用Mind+的用戶來說，可以根據自己的想法，結合Arduino開發板以及擴展面包板或者智能小車機器人，借助不同的傳感器如電位器、聲音、光敏、熱敏、火焰、傾斜、有害氣體、紅外、人體熱釋電、超聲波、溫濕度等來創造不同的產品。Mind+還集成有各式各樣的傳感器、執行器、顯示器和通信模塊，用戶只需直接調用即可，無需重新調用或者編寫庫函數。Mind+工作于實時模式時，可以實現視頻偵測、文字朗讀、語音識別、AI圖像人臉識別等功能，在目前人工智能領域應用較為廣泛。

Mind+的工作模式分為實時執行模式和上傳模式兩種。實時執行模式下可以實現硬件與舞臺角色的交互，以及可以實時的控制硬件而不需要上傳程序，通過計算機鍵盤、鼠標、語音等實時來控制硬件的工作，工作過程中全程需要數據線連接。上傳模式與傳統單片機下載程序類似，可以將根據用戶硬件需求編寫的積木代碼通過串口（需安裝驅動程序）燒錄至Arduino開發板，硬件脫機工作。Arduino還預留有串口通信接口，可以通過串口藍牙或者串口WIFI模塊實現手機端藍牙控制或者WIFI控制。

2 PWM控制Arduino智能小車實驗

Arduino開發板提供14路數字輸入輸出接口，除了本身的高低電平輸入輸出功能外，某些IO口還具有其它特定用途，如0、1管腳用作串口通信，可以外接串口通信設備，3、5、6、9、10、11六個管腳可以輸出脈沖寬度調制PWM信號，提供6路8位即（0～255）輸出信號，該PWM信號通常用于調速、調光等實驗。Arduino開發板還提供6路模擬輸入信號（A0-A5），每一路具有10位（210=1024）的分辨率，通常用于連續變化模擬量的輸入，可以將該模擬輸入信號（0～1024）映射MAP至PWM端口（0～255）實現PWM控制。13管腳是Arduino專門用于測試LED的保留接口，輸出為高時點亮LED，輸出為低時LED熄滅。

Arduino開發板配合相關傳感器，可以完成很多實驗如閃爍LED燈、流水燈、按鍵控制LED燈、呼吸燈、電子鋼琴、調光燈、聲控燈、光控燈、熱敏報警器、火焰報警器、人體熱釋電感應報警器、繼電器控制、紅外遙控、藍牙遙控等，也是目前創客使用較多的單片機。Arduino開發板配合智能小車機器人底板可以實現智能小車的紅外遙控控制、紅外循跡、紅外避障、超聲波避障等相關實驗。

Arduino開發板控制智能小車前進與左轉程序如圖1所示，5腳控制左輪前進，6腳控制右輪前進，9腳控制左輪后退，10腳控制右輪后退，因5、6、9、10的輸出值范圍為0～255，通過改變每個PWM引腳的輸出值即可以實現智能小車機器人的前進、后退、左轉、右轉、停止以及速度的變化[1]，下圖只列出了前進和左轉程序，當需要智能小車機器人完成其它動作時，修改引腳PWM值即可。

圖1 智能小車機器人前進與左轉程序

在實際避障實驗中，可以將小車的前進、后退、左轉、右轉、停止五種狀態分別用子函數MOTORRUN、MOTORBACK、MOTORLEFT、MOTORRIGHT、MOTORSTOP來定義模塊，在主程序中調用即可。

3 超聲波避障實驗

Mind+的傳感器模塊中已經包含有HC-SR04超聲波傳感器，用戶只需直接調用即可。在進行避障實驗前，可以先用串口測試一下超聲波模塊的距離測量功能，將超聲波模塊的觸發腳Trig接至Arduino開發板第8腳（也可以根據程序來設定），回響腳Echo接至第12腳，其測距程序如圖2所示，前方障礙物的距離通過串口打印窗口顯示出來[2]。

圖2 串口輸出超聲波測距程序

超聲波測距模塊需要Arduino開發板在Trig管腳輸入一個10 μs以上的高電平，系統便可發出8個40 kHz的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后，通過Echo管腳輸出。由于聲音的傳播速度為340 m/s，根據Echo管腳輸出高電平的持續時間可以計算距離值[3]。其距離值為（公式1）：

HC-SR04超聲波測距模塊可提供大約2 cm～400 cm的非接觸式距離測量功能，測距精度可達高到3 mm。通過超聲波測量到前方障礙物距離后，需要智能小車機器人根據這個距離做出判斷。當距離小于或等于某一標準值（如20 cm）則后退左轉，而當距離大于這一標準值則前進。流程圖與程序設計如圖3所示。

4 紅外避障實驗

圖3 超聲波避障流程圖與Mind+程序設計

Arduino智能小車機器人和51單片機智能小車一樣，在小車底板上都設置有紅外循跡探頭與紅外避障探頭，紅外循跡探頭位于小車底板背面，用于檢測地面黑線。紅外避障探頭位于小車的左右兩邊，分別由一對紅外發射管與紅外接收管構成。紅外發射管發射出一定頻率的紅外線,當檢測前方遇到障礙物時,紅外線反射回來并被接收管接收,經過LM324比較器電路處理之后,輸出LED燈會亮起,信號輸出接口輸出一個低電平信號,同時將這一信號送至Arduino開發板的數字輸入輸出管腳，Arduino通過檢測這一關鍵信息后對小車的行駛路線做出改變即可以實現避障的目的：當左側紅外探頭檢測到障礙物控制小車右轉，右側紅外探頭檢測到障礙物控制小車左轉，前方無障礙物時小車前進，左右兩側均有障礙物時小車后退左轉。可以通過電位器旋鈕調節紅外檢測距離的靈敏度,有效距離范圍2～30 cm左右[4]。

程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 紅外避障程序設計流程圖

將左右兩側紅外感應信號P3.4，P3.5分別接至Arduino數字輸入輸出口的2、3引腳。主程序代碼如下：（全部程序因篇幅有限未列出，小車的運行狀態用子函數列出。）

5 小結

在人工智能時代領域，智能傳感的應用越來越廣泛，各種不同傳感器的使用也給人們的生活帶來了諸多方便。Mind+軟件在程序設計方面較傳統的單片機開發軟件如keil、Arduino等都具有更通俗、更直觀的優點，尤其適合高等職業教育單片機入門教學。

自主避障機器人主要依靠超聲波傳感器和紅外傳感器來實現，超聲波傳感器通過發射超聲波信號來測量機器人與障礙物之間的距離，當接近障礙物時，Arduino通過PWM改變智能小車機器人的行駛方向。紅外傳感器主要是通過發射與反射紅外線來判斷前方是否有障礙物，雖無測距功能，但其避障原理與超聲波類似。上述兩種傳感器結合Arduino雖然能實現簡單的避障功能，但檢測方式過于單一，超聲波方面可以考慮通過加裝舵機的方式來檢測180°范圍內障礙物的情況，同時可以加裝LCD1602液晶顯示模塊來實時顯示目前的距離。紅外感應方面則可以通過使用光電開關E18-D80NK來取代普通的紅外發射與接收二極管,從而提高其感應距離和靈敏度，提高避障的準確性。