尋跡和避障機器車結構及控制設計

邵宇航 林堅 曹乃元 李雪梅

(桂林電子科技大學機電工程學院,廣西桂林 541004)

0 引言

隨著智能時代的快速發展,越來越多的智能產品開始進入人們的生活當中。例如近幾年汽車行業的無人駕駛技術成為國內外學者的研究熱點問題。在工業中,車輛運輸一直都是采用人工手動操作駕駛來完成,這樣的操作方式不僅浪費了大量的人力資源來管理,同時不能保證效率與安全問題。在軍事上,通過無人駕駛技術能夠保障偵察運輸等功能的安全。在探險救災中,通過無人駕駛自動探測技術能夠解決救援安全的問題。因此文中設計一種能夠實現自動尋路避障等功能的智能小車,該智能小車能夠采集環境數據,完成一系列無人操作的基本要素。

智能小車在當今也已經有了突飛猛進的發展[1]。小車的主要特點是體積小重量輕,能夠應對復雜的情況,并且操作簡單活動也比較靈活。智能小車在自動尋跡的過程中能夠自動探測周圍的障礙并且反饋數據給操作者[2],因此自動尋路避障功能成為了智能小車的核心關鍵部分。

1 智能小車底盤的設計

智能小車主要設計的重點是尋跡避障。而尋跡避障過程中的重點是信號的輸出與輸入過程和數據的收集與處理外加反饋[3]。文中把大部分的基礎原件都安裝在地盤的下方,這樣可以起到維持車體重心的作用,同時也可以避免由于震蕩所帶來的小車部件掉落的問題。智能小車的底盤結構如圖1所示。

圖1 智能小車底盤結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of the chassis structure of the smart car

2 模組與芯片部分

2.1 主控制器

文中采用的主板控制器為Arduino UNO,如圖2所示。Arduino實際上是一種集軟硬件為一體的開源型電子原型的平臺,軟件部分為Arduino IDE,在Arduino中可以直接進行程序讀寫。在Arduino專用的硬件上直接進行程序傳輸,十分的方便。UNO主板有兩種供電方式。第一種是通過鏈接USB插口進行供電;另外一種是通過外界6-12V的電源進行供電。

圖2 主控制器Fig.2 Main controller

2.2 G90舵機

舵機是小車進行轉動的主要部件,它是由電機進行驅動。而舵機的電機主要分為直流電機和步進電機兩種?？紤]到成本問題,文中采用直流電機進行驅動。舵機除了直流電機之外主要的部件還有傳感器,齒輪組,和一套控制電路。舵機與普通直流電機相比,直流電機的轉動一般不能夠控制轉動的角度,能夠進行連續不斷的旋轉。相應的,普通直流電機無法進行轉動角度信息的反饋。普通的直流電機的控制也同樣需要電壓模擬。因此D/A轉換器成為了一個關鍵手段。通過D/A轉換器模塊進行控制,增加直流電機的功率,通過控制電路進行簡化,所以需要在主板上傳輸PWM信號。如圖3所示為舵機模塊。

圖3 舵機模塊Fig.3 Servo module

2.3 紅外避障模塊

文中設計的智能小車上面擁有4 處紅外接受發送模塊。上面給VCC供電,下面是一個接地。整個紅外發送管在通電之后就會一直不停的發送紅外信號,與I/O口沒有任何關系。跟它對應的對管是一個紅外接收管,會根據紅外信號判斷周圍是否有障礙物而不停的改變。圖4為底板上的紅外檢測模塊。

圖4 底板上的紅外檢測模塊Fig.4 Infrared detection module on the bottom plate

2.4 提示檢測模塊

LM324為一個專門的電壓比較器,其內部為一個四路的運算放大器。文中將運算放大器當做一個電壓比較器。其中IN3為紅外檢測模塊的IN3的電壓,把這個電壓作為一路進行輸入,T3為一個參考電壓。這個參考電壓是根據一個滑動變阻器進行調節的。當兩路電壓相同時,會在OUT1口輸出一個低電平。之后P3.4接受到低電平之后小燈就會亮起。通過圖5最右側的排針輸入到UNO中。

圖5 檢測提示模塊Fig.5 Detection prompt module

2.5 WiFi模塊與藍牙模塊

文中采用的WiFi模塊和藍牙模塊均為獨立元件,安裝在智能小車后方的面包板上,分別具有R X D、TX D、GND、VCC引腳。

3 實驗

3.1 主板實驗

為了驗證智能小車主板性能,在Arduino軟件中編寫程序進行測試,圖6所示為在Arduino軟件中運行結果。

圖6 Arduino 運行結果Fig.6 Arduino running results

3.2 智能小車行駛實驗

為了驗證智能小車自動尋跡和避障的能力,對智能小車進行實際道路測試。圖7為智能小車的示意圖。

圖7 智能小車尋跡和避障示意圖Fig.7 Schematic diagram of smart car tracking and obstacle avoidance

小車的黑線循跡主要是依靠紅外傳感器,小車上面擁有4處紅外接收發送模塊。整個紅外發送管在通電之后就會一直不停的發送紅外信號,跟他對應的對管是一個紅外接收管,會根據紅外信號判斷周圍是否有障礙物而不停的改變,接收到的紅外信號改變以后,反饋到電路中時電阻就會改變,就引起了IN3的電壓的改變。反饋到主板中進行分析并調整兩個電機進行正轉或反轉的控制。實驗結果達到預期目標。

4 結語

文中提出的智能小車設計、設計電路模塊以及編寫路徑控制程序的方法,處理簡單,執行效率高,經過實驗驗證,該智能小車可以完成自主尋跡和避障的能力。