一種基于Arduino平臺的智能循跡避障小車的硬件設(shè)計

山西省運(yùn)城市康杰中學(xué) 王森龍 王 哲

1 引言

智能循跡小車是一種按照預(yù)設(shè)引導(dǎo)路徑行駛的智能小車，在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，如倉儲的智能搬運(yùn)、無人搬運(yùn)等[1,2]。它是一種自動化與智能化的設(shè)備，可以根據(jù)具體需求或者流程而靈活配置的，具有體積小、操控靈活簡單等優(yōu)點(diǎn)[3,4]。但是，在智能循跡小車行進(jìn)過程中難免會遇到障礙物，設(shè)計一定的避障模塊，從而使其具備障礙物檢測能力，避免與障礙物發(fā)生碰撞造成貨物或小車的損壞，已然成為了智能循跡小車必須具備的能力[5]。

為此，本文設(shè)計了一種基于Arduino平臺的智能循跡避障小車的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用紅外線不同的反射能力的設(shè)計紅外循跡識別模塊，基于超聲波測距避障的原理設(shè)計避障模塊，從而使得智能循跡小車具備全方位避障能力，有效提升智能循跡小車的自主避障能力。

圖1 硬件整體方案

2 整體方案設(shè)計

本文所設(shè)計研究的智能循跡避障小車的硬件系統(tǒng)主要由Arduino主控單元、電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外循跡模塊、超聲波避障模塊、以及Android手機(jī)端界面等構(gòu)成。智能避障循跡小車硬件系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

2.1 紅外循跡模塊

本設(shè)計通過高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的紅外循跡模塊識別行進(jìn)路徑上的預(yù)先設(shè)置的黑線，利用黑線對紅外線不同的反射能力，接收反射回的不同光強(qiáng)信號，把不同光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流信號，最后通過電阻，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的高低電平。將實(shí)時路徑信息發(fā)送到Arduino主控單元，主控制器經(jīng)過判斷之后，通過I/O口控制電機(jī)控制模塊驅(qū)動兩個直流電機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)小車的循跡功能。光電傳感器實(shí)現(xiàn)循跡的電路原理圖如圖2（a）所示。選用TCRT5000型光對管如圖2（b）所示。

圖2 紅外循跡模塊設(shè)計

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路圖

圖4 避障模塊設(shè)計

2.2 電機(jī)控制模塊

智能循跡小車采用直流電機(jī)作為執(zhí)行器件，采用直流電機(jī)驅(qū)動芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片，通過通過Arduino主控單元發(fā)出的PWM調(diào)制信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，通過控制兩個直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。所設(shè)計的智能小車電機(jī)驅(qū)動模塊如圖3所示。

電機(jī)控制邏輯如表1所示。以電機(jī)A為例，當(dāng)使能端EN A為高電平時，如果輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機(jī)A反轉(zhuǎn)；如果輸入引腳IN1為高電平而輸入引腳IN2為低電平，電機(jī)A正轉(zhuǎn)。

表1 小車運(yùn)動邏輯

2.3 避障模塊

為了實(shí)現(xiàn)智能循跡小車的自動避障功能，本文選用HC-SR04超聲波避障模塊，在小車前端左右兩側(cè)各安裝一個，擴(kuò)大其避障的范圍，以實(shí)現(xiàn)智能循跡小車對障礙物的全方位有效避障。HC-SR04超聲波避障模塊，具有傳輸距離范圍寬、測距精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于智能機(jī)器人的測距避障中。該模塊包含超聲控制電路、發(fā)射器以及接收器。HC-SR04超聲波測距模塊原理圖和實(shí)物分別如圖4（a）和（b）所示。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計完成了一種基于Arduino平臺的智能循跡避障小車硬件系統(tǒng)，采用紅外循跡模塊實(shí)現(xiàn)其循跡功能，為了避免循跡小車在行進(jìn)過程中由于無法躲避障礙物造成的損失，采用超聲波傳感器測距使得循跡小車具備避障能力。測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計的硬件系統(tǒng)能夠滿足小車循跡和避障的需求，且電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，可靠性高。

[1]開思聰,陶重犇,孫云飛.基于STM32控制的倉儲搬運(yùn)機(jī)器人[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2016,25(7)：49-54.

[2]張軍,趙玉剛,楊強(qiáng),等.微型自動循跡搬運(yùn)車控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2017(7)：133-136.

[3]張梅美,孫鳳英.自動循跡搬運(yùn)車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2013(1)：111-114.

[4]繆璐婷.基于stm32的循跡避障智能車設(shè)計[J].電子世界,2017(7)：140-140.

[5]郭燕.智能循跡小車在搬運(yùn)過程中出現(xiàn)的若干問題及解決辦法[J].工業(yè)控制計算機(jī),2015(9)：38-39.