基于Arduino平臺(tái)的多功能智能小車的設(shè)計(jì)

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐開軍 劉飛龍

基于Arduino平臺(tái)的多功能智能小車的設(shè)計(jì)

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐開軍 劉飛龍

在眾多智能化機(jī)器人項(xiàng)目中，智能小車可以稱得上是一項(xiàng)最早走出實(shí)驗(yàn)室的實(shí)用發(fā)明。本文設(shè)計(jì)的多功能智能小車，以Arduino這款便捷靈活、容易上手的開源平臺(tái)作為主控單元，小車驅(qū)動(dòng)由L293D驅(qū)動(dòng)電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制。其中，以手機(jī)藍(lán)牙作為客戶端，以Arduino HC-06藍(lán)牙模塊作為接受端，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的操作；以HC-SR04超聲波傳感器通過(guò)發(fā)送檢測(cè)與障礙物的距離，結(jié)合對(duì)SG90舵機(jī)的控制進(jìn)行轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的功能。

Arduino；智能小車；藍(lán)牙遙控；超聲波避障

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。為了提高社會(huì)的生產(chǎn)水平和人們生活質(zhì)量，常常讓智能機(jī)器人替人們做一些人類做不了或做不好的工作。在當(dāng)今的生產(chǎn)制造、物流倉(cāng)儲(chǔ)、軌道交通、工程機(jī)械、醫(yī)療手術(shù)等諸多行業(yè)，智能機(jī)器人已經(jīng)無(wú)所不在。從生產(chǎn)制造業(yè)的無(wú)人搬運(yùn)車，到特種行業(yè)的災(zāi)難救援、拆彈機(jī)器人，再到軍事領(lǐng)域的防御和偵察機(jī)器人以及航天領(lǐng)域的星球表面探測(cè)器，處處可以見到智能小車的身影。通過(guò)各類傳感器件來(lái)采集相關(guān)的信息，送入主控單元 Arduino 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī);藍(lán)牙遙控采用手機(jī)藍(lán)牙用戶界面和HC-06藍(lán)牙模塊完成，測(cè)距與避障采用HC-SR04超聲波模塊和舵機(jī)模塊完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過(guò)編程，并有序合理的將各模塊信號(hào)整合在一起并完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡(jiǎn)易機(jī)器人。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 平臺(tái)選擇

同其他系統(tǒng)相比，Arduino在很多方面更具優(yōu)越性，成本低，跨平臺(tái)，簡(jiǎn)易的編程環(huán)境，軟硬件開源并且可以擴(kuò)展，尤其適合教學(xué)和業(yè)余愛好者們使用。因?yàn)锳rduino UNO R3是Arduino USB接口系列的最新版本，是Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板，也是目前使用最多的版本。它不僅十分穩(wěn)定而且還能滿足本設(shè)計(jì)中智能小車功能的完美實(shí)現(xiàn)，因此選擇Arduino UNO R3作為智能小車的控制單元。要完成本設(shè)計(jì)所要求的智能機(jī)器小車，還要滿足藍(lán)牙遙控和超聲波避障的功能，起碼要有兩件必備之物——微控制器和傳感器，這樣智能小車才有自己的大腦和感官。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要是制作一款能夠進(jìn)行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的智能小車，小車具有手機(jī)藍(lán)牙遙控、自動(dòng)避障的功能。本設(shè)計(jì)以兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各類傳感器件來(lái)采集相關(guān)信息，并送入主控制單元Arduino單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)的動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)；藍(lán)牙遙控采用藍(lán)牙傳感器完成；測(cè)距、避障用超聲波傳感器完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過(guò)編程，有序合理的將模塊信號(hào)整合在一起并完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)智能控制，相當(dāng)于簡(jiǎn)易機(jī)器人。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

2.3 電源的選擇

對(duì)于一輛智能機(jī)器小車來(lái)說(shuō)，電池就是它的動(dòng)力源。如果使用太陽(yáng)能電池，無(wú)法使智能小車在室內(nèi)運(yùn)行，而且現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池板的能效不高，要達(dá)到理想的狀態(tài)必須有很大的面積。最后考慮到方便和可持續(xù)性，本設(shè)計(jì)采用可充電的鉛酸電池。

2.4 電機(jī)的選擇

電機(jī)是智能小車的驅(qū)動(dòng)裝置，選擇一個(gè)適合的電機(jī)會(huì)使制作更順利，機(jī)器性能更好。能用于智能機(jī)器小車的電機(jī)種類很多，而制作智能小車會(huì)選用直流電機(jī)、減速電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)，考慮到價(jià)格、功率、尺寸、轉(zhuǎn)速等因素，本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)。

3 藍(lán)牙遙控設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是以Arduino單片機(jī)為核心，通過(guò)‘Arduino Car Control’手機(jī)控制界面，進(jìn)行簡(jiǎn)單的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能操作，控制小車進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)。Arduino模塊通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使小車做出相應(yīng)的動(dòng)作。通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙與藍(lán)牙接收模塊HC-06進(jìn)行配對(duì)之后，先通過(guò)一個(gè)測(cè)試程序測(cè)試‘Arduino Car Control’各個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的數(shù)字代碼，（經(jīng)過(guò)測(cè)試程序測(cè)試出各按鍵代碼為：前進(jìn)102，停止115，左轉(zhuǎn)108，右轉(zhuǎn)114，后退98）以便編寫主程序。編寫并下載程序以后，便可以接收到從手機(jī)端傳輸過(guò)來(lái)的動(dòng)作指令。接收到指令之后，藍(lán)牙模塊會(huì)傳遞給Arduino單片機(jī)，再通過(guò)微處理器分析辨別傳輸過(guò)來(lái)的指令，使程序跳轉(zhuǎn)到不同的子程序，產(chǎn)生不同的響應(yīng)，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能。

3.2 程序流程圖

圖2 藍(lán)牙遙控模塊程序流程圖

圖3 超聲波避障模塊程序流程圖

4 超聲波避障設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

超聲波避障由接收機(jī)或者單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給舵機(jī)模塊，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進(jìn)行比較，獲得電壓差輸出。經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回信號(hào)，判斷是否已經(jīng)定位。

避障小車在行進(jìn)過(guò)程中，超聲波傳感器不斷檢測(cè)小車行進(jìn)方向是否有障礙物，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到有障礙物時(shí)，小車先后退減速至停止。然后測(cè)距并判斷左右距離是否符合程序里所設(shè)定的值，哪邊比較寬闊，就轉(zhuǎn)向那邊。如果左右都有障礙物，則后退掉頭。

4.2 程序流程圖（見圖3）

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino平臺(tái)的智能小車，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)藍(lán)牙遙控和超聲波避障的功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，以藍(lán)牙手機(jī)作為客戶端，智能小車上的藍(lán)牙模塊作為服務(wù)端，通過(guò)串口仿真協(xié)議進(jìn)行通信。它具有編程靈活、自由、易于控制、穩(wěn)定性能好、擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了小車的前行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等功能，將手機(jī)變身為遙控器，為人們的生活帶來(lái)無(wú)限方便。以超聲波傳感器作為測(cè)距避障模塊更可靠，能夠精確的測(cè)距，結(jié)合舵機(jī)后能夠全自動(dòng)行駛，達(dá)到了理想中的效果。

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項(xiàng)目資助：南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院青藍(lán)工程骨干教師項(xiàng)目、江蘇省政府留學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金資助項(xiàng)目。