基于Arduino的智能小车

陶冶　李驰新

摘要：系统以Arduino单片机为控制核心，超声波传感器测距，L298N驱动4个直流电机带动小车运行，利用Arduino语言编程控制小车运动轨迹。当检测到小车前方有障碍物时，单片机发指令让小车左转一定角度，无障碍物则直行并继续探测，小车还具有红外寻迹功能，按照预先设置的轨道运行并完成特定任务。

关键词：Arduino单片机;超声波传感器;避障

中图分类号：TP31      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）15-0222-02

随着现代计算机技术的不断发展和普及，机器人进入各行各业并使人们的生活方式更加便捷。 机器人要实现避障和引导功能就要有感知功能，红外传感器给机器人一个视觉感知功能[1]。以Arduino单片机为控制核心的智能避障机器人，主要研究小车在一个特定的环境里自动运作的避障功能[2]。利用超声波传感器检测轨迹上的障碍物，通过单片机程序控制小车直行或偏转一定角度继续运行，不断探测和实施控制。

1 设计原理与方法

本系统中直流电机的正传、反转、加速、减速的智能控制，由PWM控制系统的控制实现[3]。 调制脉冲信号由Arduino Uno单片机产生并控制直流电机工作[4]。该PWM 控制系统由设计控制模块和驱动模块组成。避障机器人采用四轮驱动，后轮是支撑和转向的万向轮，前轮用两个电机。

2 硬件设计

避障机器人的硬件组成：Arduino单片机、电机驱动模块、超声波传感器、红外传感器、电源、直流电机模块。电源给整个小车供电，避障机器人以Arduino单片机为核心，通过电机驱动模块控制直流电机的运行，实现机器人按预期规则运动[5]。车身的最前端安装有超声波传感器，通过收发超声波探测障碍物。当检测到障碍物，单片机程序做出向左旋转的操作，没有检测到就继续直行，然后继续循环检测，从而实现机器人的循迹避障功能。硬件框架图如图1所示。

2.1 单片机模块

本设计采用Atmel Atmega328微处理。其模块为：5V稳压电路，程序下载电路，电源接口，6路AD采样，USB供电，ISP下载接口，IO备用接口等。Arduino Uno实物图如图2所示。

2.2 电机、电机驱动模块

本设计采用L298N的H桥电路。通过单片机控制占空比调整电机转速，H桥电路效率非常高，实现转速和方向的简单控制，稳定性高、速度快、驱动能力强。L298N有过压保护、过电流保护、反压保护功能，当出现异常时保护电机和电路[6]。这种调速方式有调速范围广、调速特性优良、过载能力大、调整平滑、无级快速反转、制动和启动等优点。L298N电路原理图如图3所示。

2.3 避障模块

超声波测距模块HC-SR04，提供非接触式2CM-400CM距离的感测功能，测量精确度达到3mm;模块组成：超声波接收器，发射器和控制电路。避障模块实物图如图4所示。

基本工作原理：

（1）采用10us的高电平信号触发TRIG测距;

（2）自动检测时发送8个40khz的方波，模块检测是否有自动信号返回;

（3）ECHO输出一个高电平代表有信号返回，超声波从发射到返回的时间就是高电平持续时间。距离=（声速（340M/S）*高电平时间）/2;

3 软件设计

3.1 Arduino语言

Arduino可以让我快速使用与Macromedia Flash， Processing， Max/MSP， Pure Data等软件。Arduino可以使用各种传感器、控制器、电子元件、步进电机、LED等装置[7]。Arduino基于源码开放的IDE界面，可以与上面软件交互，也可以独立运行。

3.2 Arduino IDE

Arduino IDE运行界面如图5所示。Arduino语言是一种类c的语言。在这个界面里有我编程时最常用的东西，当我把鼠标放在上面就会在右侧出现按键的功能。

下载程序到机器人控制器Arduino中的操作如图6所示，在此标示了位置上传功能。最右边的图标是我需要熟知的串口监视器，快捷键是：Ctrl+Shift+M。点这个图标的前提是插上了串口设备，当然Arduino插在USB上也可以，Arduino Uno主板上内置了USB转串口芯片[8]。

4 系统调试

避障机器人的系统调试分两大模块：超声波测距模块和L298N驱动模块。先把两大模塊分别独立调试，正常后把所有硬件模块组合起来进行综合调试。

4.1 电机调试

在电机驱动板上。有EA，I1，I2，EB，I3，I4六个端子用于控制电机。EA，EB为两路电机的控制使能，PWM调制实现电机转速控制。程序编译下载后出现小问题，通过右侧车轮的电机线修改解决了小车不停旋转的现象。

4.2 调试超声波模块

超声波传感器的引脚：发射引脚、接收引脚、电源VCC，地GND， Arduino Uno的对应引脚分别连接这四根插线，完成测试程序的下载和烧制[9]，测试超声波模块结果如图7所示。

5 结束语

智能机器人可以精确操作，提高效率解决难题，基于Arduino智能小车系统实现了调节偏离和自动避障的功能，通过远程监测和自动报警实现了人机实时交互，实现小车根据外部环境和远程指令，做出前进、后退和转向等动作，这样的避障小车还用于环境探测等多种用途，减少了人们的工作危险系数，解决了恶劣环境下勘探的需求，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1] 于洋.基于Arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设计[J].吉林大学，2017.

[2] 刘洪涛，熊家. 嵌入式应用程序设计综合教程：微课版[M].北京：人民邮电出版社，2017.

[3] 孙建朋. 基于Arduino的智能小车避障系统设计[J].黑龙江科技信息，2016（15）.

[4]王红红. 基于双桥矩阵变换器的异步电动机控制系统[J].山东工业技术，2018（7）.

[5] 彭芳.基于PLC的步进电动机控制系统设计[J].电子世界，2019（4）.

[6]徐根耀.电子元器件与电子制作[M].北京：机械工业出版社，2017.

[7] 赵建伟.机器人系统设计及其应用技术[M].北京：清华大学出版社，2017.

[8] 王飞，杨娟娟.基于Visual Basic的串口通讯和Arduino的智能小车控制系统设计[J].科技与创新，2016（1）.

[9] 李飞.“智能化”电子产品中单片机技术的应用[J].电子技术与软件工程，2019（6）.

【通联编辑：梁书】