采用Arduino為核心控制的智能小車避障系統(tǒng)

 人工智能技術(shù)是與多門基礎(chǔ)學(xué)科聯(lián)系緊密、相互促進(jìn)相互發(fā)展的前沿技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)、物理學(xué)、生理學(xué)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等于一體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，除了傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，人工智能技術(shù)的應(yīng)用也涉及到軍事、娛樂、服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域”。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)器人的要求也越來越高，機(jī)器人的智能化已成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。智能小車作為一種四輪驅(qū)動(dòng)的智能機(jī)器人，它行動(dòng)靈活、操作方便，車上可集成各種精密傳感器數(shù)據(jù)處理模塊，其避障功能保證了智能小車在行進(jìn)過程中行進(jìn)方向的自行調(diào)節(jié)，避免發(fā)生碰撞、碰擦，是智能小車的重要組成部分。目前，智能小車大多采用單個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)單面避障，但單面避障存在著固有的缺陷，如：障礙物探測(cè)緩慢、避障成功率較低等。由此，設(shè)計(jì)了一種能全方位避障的智能小車系統(tǒng)，采用紅外單點(diǎn)避障與超聲波雙路避障相結(jié)合的模式，可實(shí)現(xiàn)多面自動(dòng)探測(cè)，并實(shí)現(xiàn)全方位避障，有效提高了避障的成功率和效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的避障系統(tǒng)采用紅外單點(diǎn)避障與超聲波雙路避障相結(jié)合的模式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的全方位有效避障。為此，在小車前端中央設(shè)置一個(gè)紅外避障傳感器，用于探測(cè)小車前方障礙物，再在小車前端兩側(cè)設(shè)置左右兩個(gè)超聲波避障傳感器，他們分別探測(cè)小車前方左右兩側(cè)障礙物，有效的擴(kuò)大了探測(cè)范圍，從而實(shí)現(xiàn)了小車的全方位避障。

本系統(tǒng)利用多模塊協(xié)調(diào)配合，使其具有較高自適應(yīng)能力。硬件以需求為基礎(chǔ)，選擇了合適的模塊，總體模塊中包含：電源模塊，紅外傳感模塊，超聲波傳感模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，Arduino模塊等。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 Arduino模塊

設(shè)計(jì)中采用Arduino duemilanove作為核心控制模塊，Arduino是一款便捷靈活且十分方便上手的開源電子原型平臺(tái)，能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過燈光、電機(jī)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。

Arduino duemilanove包括以下幾個(gè)部分：一個(gè)9 V DC輸入，一個(gè)USB接口，14個(gè)數(shù)字IO口，6個(gè)模擬IO口，1個(gè)5 V DC輸出和一個(gè)3.3 V DC輸出。它的核心是一片Atmega 328單片機(jī)。

1.2 電機(jī)模塊

小車采用雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，通過控制左右兩個(gè)直流電機(jī)來控制小車轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向，電機(jī)模塊如圖2所示，直流電機(jī)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。

L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下的電機(jī)，正好可以滿足小車的左右直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。并且L289N具有過溫保護(hù)功能和較高的噪聲抑制比，故十分適用于智能小車中。

圖2 電機(jī)模塊

由于芯片L298N并沒有對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式，因此，通過Arduino程序控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)，改變電機(jī)輸出功率，從而控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.3 超聲波傳感器模塊

超聲波模塊由發(fā)射電路和接收電路組成，如圖3所示。其中發(fā)射電路由Em78p153單片機(jī)、MAX232及超聲波發(fā)射頭T40等組成，接收電路由TL074運(yùn)算放大器及超聲波接收器R40等組成。

圖3 超聲波傳感器

探測(cè)時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)射出長約6 mm，頻率為40 kHz的超聲波信號(hào)。此信號(hào)被物體反射回來由超聲波接收器接收，接收器實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號(hào)后產(chǎn)生mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再在核心控制模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可用D=ct/2求出。

1.4 紅外傳感器模塊

紅外測(cè)距模塊采用夏普GP2YOA21紅外測(cè)距傳感器，夏普GP2YOA21型紅外測(cè)距傳感器是基于位置敏感傳感器PSD(Position Sensitive Device)的微距傳感器，捕捉的是光信號(hào)并且有著基于Lucovusky方程的電路設(shè)計(jì)，其有效的測(cè)量距離為80 cm。

紅外測(cè)距其優(yōu)點(diǎn)是無盲區(qū)、測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快，但其缺點(diǎn)受環(huán)境影響較大、探測(cè)距離較近。因此本文設(shè)計(jì)了基于多傳感器信息融合的智能小車避障系統(tǒng)，采用紅外傳感器與超聲波傳感器互補(bǔ)，使機(jī)器人具有精確的感測(cè)范圍。

2 算法分析

針對(duì)單傳感器避障系統(tǒng)中存在的缺點(diǎn)，本文提出了多傳感器協(xié)調(diào)合作方案，通過超聲波傳感器和紅外傳感器的配合，擴(kuò)大了探測(cè)范圍以及靈敏性，從而避免了誤撞和緊貼障礙物的危險(xiǎn)，提高了避障機(jī)率，實(shí)現(xiàn)了全方位避障。

2.1 流程設(shè)計(jì)

全方位避障小車在行進(jìn)過程中，各傳感器不斷檢測(cè)小車周圍是否有障礙物。當(dāng)有傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，通過判斷檢測(cè)到障礙物的傳感器的數(shù)量，來實(shí)現(xiàn)小車全方位自動(dòng)避障：?jiǎn)蝹鞲衅鳈z測(cè)到障礙物時(shí)，小車遠(yuǎn)離檢測(cè)到障礙物方向;兩個(gè)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，小車向未檢測(cè)到障礙物方向轉(zhuǎn)向;所有傳感器都檢測(cè)到障礙物時(shí)，小車急速左轉(zhuǎn)避開障礙物。當(dāng)小車避開障礙物后，小車?yán)^續(xù)行進(jìn)。流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

2.2 避障代碼

根據(jù)以上避障原理，編寫相應(yīng)的程序，以實(shí)現(xiàn)小車的全面避障，程序主要分電機(jī)、超聲波和紅外測(cè)距三部分。電機(jī)部分由analogWrite()、digitalWrite()分別控制車速和小車前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)向;超聲波測(cè)距部分由Trig.Pin控制超聲波輸入，由EchoPin控制超聲波輸出，控制模塊通過對(duì)接收到的脈沖波時(shí)間進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為距離參數(shù)，從而獲得距離Middle_distance;紅外測(cè)距部分由控制模塊通過紅外傳感器獲得一個(gè)模擬量analo.gRead()，通過輸出的模擬量可以推算出電壓值volts，而輸出電壓和探測(cè)距離關(guān)系為distance：65*pow(volts，-1.10)，從而可獲得小車與障礙物的距離。[!--empirenews.page--]

3 實(shí)驗(yàn)研究

智能車在進(jìn)行了器件選型和確定控制算法后，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中選用一塊放著多種障礙物的平地，障礙物分兩大種：一種是規(guī)則的障礙物，如正方體、圓柱等。另一種為不規(guī)則障礙物。實(shí)驗(yàn)時(shí)，智能避障小車在行進(jìn)過程中不斷探測(cè)前方周圍是否有障礙物，當(dāng)存在障礙物時(shí)候，判斷出相應(yīng)障礙物位置，并進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。

為了有效驗(yàn)證智能小車避障成功率，通過改變障礙物形狀來對(duì)小車進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。其中測(cè)試小車100次，并統(tǒng)計(jì)出單面避障和全方位避障成功通過不同障礙環(huán)境的次數(shù)，障礙環(huán)境由總數(shù)為100的規(guī)則障礙物和不規(guī)則障礙物組成。由圖5可見，普通的單面避障方法有著較低的成功通過率，而本文所提出的全方位避障方法則受此影響不大，有著較高的通過率。

圖5 單面避障與全方位避障成功率對(duì)比

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)，采用了單紅外和雙超聲波避障方式，使小車在行車過程中對(duì)障礙物的探測(cè)更加精確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的全方位避障系統(tǒng)較大地提高了避障的效率和成功率，可有效地實(shí)現(xiàn)全方位避障。