基于Arduino的多功能循迹小车设计

摘 要：【目的】针对传统循迹小车存在反应速度慢、判断不准确、定位精度低、扩展性差、灵活性不足等问题，设计了一款基于Arduino的多功能循迹小车。【方法】借助光电传感器实现移动检测，结合摄像头、物联网、触摸屏等模块，设计出基于Arduino的物联网模块多功能循迹小车，并对其相关性能进行实物测试。【结果】测试结果表明，该小车不仅能够与终端建立通信，完成对周围环境的实时监控和数据采集，而且能够通过传感器控制行驶方向，实现在预设路径上自动行驶；还能够通过摄像头对图像进行采集与处理，并检测后上传至物联网终端。【结论】成功设计了一款兼容性更强的多功能循迹小车，适用于仓库物流、环境检测、巡检维护等多个领域，具有广阔的市场应用前景。

关键词：Arduino；多功能；循迹小车；无线控制

中图分类号：TP211.6 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0014-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.003

Design Study of Arduino-Based Multifunctional Trajectory Trolley

WANG Changle1 WEI Xiongfei2 WANG Jing1 GAO Yu1 CHEN Hongliang1 CHANG Manli1

（1.Chaohu University， Hefei 238024， China; 2.Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the problems of slow reaction speed， inaccurate judgment， low positioning accuracy， poor expandability， and insufficient flexibility of traditional trajectory trolley， the design study of Arduino-based multifunctional trajectory trolley is proposed. [Methods] With the help of photoelectric sensors to realize motion detection and combining modules such as camera， IoT， touch screen， etc.， an Arduino-based multifunctional trajectory trolley with IoT modules is designed and its related performance is tested physically. [Findings] The test results show that the trajectory trolley can not only establish communication with the terminal， but also complete real-time monitoring and data acquisition of the surrounding environment; moreover， the driving direction can be controlled by the sensor to realize automatic driving on the preset path ; it can also collect and process images through the camera， and upload them to the IoT terminal after detection. [Conclusions] In this study， a multifunctional trajectory trolley with stronger compatibility is designed， which is applicable to many fields such as warehouse logistics， environmental inspection， inspection and maintenance， and has a broad market prospect.

Keywords： Arduino; multifunction; tracking trolley; wireless control

0 引言

在现代工厂环境下，智能化生产是生产制造的研究重点。传统循迹小车（Traditional Trailing Trolley）的灵活度低、自由度小、扩展性差，已不能满足用户的使用需求。而具有麦克纳姆轮、摄像头模块、物联网模块的多功能循迹小车可以有效地解决上述问题。薛梁等［1］设计出一种基于Arduino的麦克纳姆轮智能车以实现全向移动；朱丹等［2］针对循迹小车在移动过程中跑偏的问题，借助光电传感器，改进了小车的循迹系统；齐曼等［3］为增加循迹小车在路程中的功能，利用摄像头设计出相应功能的算法；曾文琦［4］将循迹小车与物联网模块相结合，发挥出了循迹小车的数据传输和远程操控的作用；罗文杰等［5］遵循黑色循迹路线，使小车具备避障和语音播报功能；李金彦［6］利用多种传感器实现小车的自动寻迹、避障和控制前进、后退、左转、右转等功能。

相对于其他类似的研究，本研究主要通过搭载不同传感器模块，以实现多功能的集成化智能循迹小车的设计，从而应用于多个工程领域，如仓库物流、环境检测、巡检维护等。

1 整体设计

本研究设计的集成多功能循迹小车的系统采用Arduino Mega 2560作为主控板，实现对驱动模块、循迹模块、通信模块、图像模块及外围电路的控制。小车的路线以1cm宽的黑色胶带作为轨迹曲线，小车通过光电传感器将光强度的变换转换成电信号的变换，经控制器处理后，实现麦克纳姆轮沿预设的黑线前进，以执行后续的功能；小车进入物联网模块的唤醒模式时，会向物联网终端发送握手协议，使物联网终端从睡眠模式唤醒，与小车进行通信，通信完成后，启动物联网终端；小车摄像头通过检测路面上的物体，并将收集到的信息反馈给主控芯片，主控芯片对收集到的信息进行处理后，将处理结果发送给驱动模块，从而控制小车的运动状态。小车的系统整体设计如图1所示。主控制器主要用于对4个伺服电机的驱动和各种传感器信息处理，寻迹模块应用光电传感器完成，摄像头模块应用于小车图像识别，物联网模块主要用于智能小车的通信。

2 硬件设计

小车的整体结构尺寸为L×B×H=225 mm×200 mm×135 mm。根据小车的整体设计，需要为小车选择合适的硬件设备，主要包括车体框架、控制器、循迹模块、摄像头传感器、驱动模块、电机模块、电源模块、物联网模块、车轮的选择。小车的实物如图2所示。

2.1 控制器的选择

该小车的控制器模块选用Arduino mega 2560控制器，其实物如图3所示。Arduino mega 2560控制器拥有更多的数字引脚和模拟引脚，适合处理需要大量传感器、执行器或其他外部设备的项目，支持多种拓展板（称为Shields），可以通过这些扩展板添加各种功能，如无线通信、显示屏、传感器等。由于拥有更高的性能，Arduino mega 2560 适用于开发大型、复杂的项目，如自动化系统、机器人、数据采集系统等，非常满足集成多功能循迹小车功能实现的需要。

2.2 循迹模块的选择

该小车的循迹模块选用7路光电传感器，其工作原理是将光强度的变换转换成电信号的变换，从而实现小车的移动。当光源发出光线时，光线经过光学元件在物体上反射或透射，部分光线被光接收器检测到，光接收器根据接收到的光线信号，通过电子元件将其转换成电信号，从而使小车在正确的轨道上运行。光电传感器如图4所示。

2.3 摄像头传感器的选择

该小车的摄像头采用HuskyLens人工智能摄像头，该摄像头处理器为Kendryte K210， 内置7种功能：人脸识别、物体追踪、物体识别、巡循线追踪、颜色识别、标签识别、物体分类。板载UART / I2C接口，可以连接Arduino、LattePanda、micro：bit等主流控制器，实现硬件无缝对接，十分符合集成多功能循迹小车的拓展要求。摄像头传感器如图5所示。

2.4 物联网模块的选择

该小车的通信系统硬件选用Gravity：UART OBLOQ—loT物联网模块。物联网是将嵌入式系统技术、移动技术、网页技术全都融合在一起的，其发展的灵魂是以用户体验为核心，可以与硬件、网络、平台、服务等完全不同产业领域的相关者直接合作或者融合。目前，国内外已有多个成熟的物联网平台，但绝大部分物联网平台都是面向专业的开发人员，操作复杂、上手困难。而本研究使用的OBLOQ物联网模块，搭配DFRobot自有的物联网平台，大大降低了物联网的使用门槛，并且OBLOQ还能够连接 Microsoft Azure IoT和其他标准的MQTT协议的IoT，无须复杂的基础知识，就能迅速搭建出一套物联网应用。物联网模块如图6所示。

2.5 电机的选择

传统循迹小车的电机主要为步进电机或直流电机。但是直流电机换向比较困难、结构比较复杂、使用维护不方便；步进电机转速较小，却价格昂贵。考虑各种因素，该小车的电机模块选用伺服电机，以实现高精度的位置、速度和力矩的控制，具有较低的误差和较高的控制精度。伺服电机能够在较宽的速度范围内工作，从低速到高速都能保持较好的控制性能。电机模块如图7所示。

3 软件设计

该小车的软件设计与硬件设计相互对应，主要分为循迹程序、通信程序、图像识别程序等，以实现小车的正常功能。本研究主要使用C语言来编写程序及调试。

3.1 循迹程序

循迹程序用于实现小车的循迹功能。小车初始化后，光电传感器就开始检测路面上的黑线。小车光电传感器有7个光电，从左到右依次可以分为1、2、3、4、5、6、7。当4号光电检测到黑线时，小车直行；当1、2、3号光电检测到黑线时，小车往左转；当4、5、6号光电检测到黑线时，小车往右转；当小车没有检测到光电时，小车停止。麦克纳姆轮在转动的同时自动进行矫正。循迹程序框架如图8所示。

3.2 通信程序

物联网模块与主控板连接后，打开模块上的电源开关供电。使用配置指令将物联网模块连接到所需的Wi-Fi网络。一旦成功连接到Wi-Fi网络，该模块将自动尝试连接到云平台。用户可以通过主控板发送连接指令，指定云平台的地址和认证信息。连接成功后，物联网模块即可开始采集传感器数据或其他设备数据，通过主控板发送数据传输指令，并将数据传输到云平台。通信程序框架如图9所示。

3.3 图像识别程序

通过图像处理技术，可以对摄像头拍摄到的图像进行分析。首先，使用特征提取算法提取图像中的特征向量或关键点；其次，进行特征匹配和图像纠正，以确保准确性；再次，对感兴趣的区域进行提取和过滤，以去除冗余数据和噪声；最后，利用分类器对提取的特征进行识别，判断物体的类别，实现物体检测、人脸识别、颜色识别、物体分类等功能。图像识别框架如图10所示。

4 结语

传统循迹小车功能较为单一，不仅对随机或未知的环境适应性较差，当需要在无法提前设计路径的场景中使用时，小车的性能就会受到很大限制；而且受光线、地面材料、颜色等环境因素的影响，在无法保证这些条件下，小车的运行功能会受到影响。因此，本研究从硬件和软件两方面入手，优化小车整体工作能力。以Arduino mage 2560为控制核心，将循迹模块、通信模块、摄像头传感器、触摸屏模块、电源模块等硬件设备组装在一起，实现小车的自动循迹、通信和图像识别功能。当小车在预设路线上行驶时，通过循迹模块小车可以自动检测路线，若小车偏离路线，自动进行调整，继续按照指定路线前进。另外，小车可以与电脑端进行通信，相互传输数据或进行远程控制，以完成环境检测、巡检维护等工作，具有较强的扩展性和可兼容性。

参考文献：

［1］薛梁，方海峰，黄迪.基于arduino的麦克纳姆轮智能车设计［J］.装备制造技术，2023（5）：43-45.

［2］朱丹，陶晓庆，罗琛.基于光电传感器的智能小车系统的设计与实现［J］.电子测试，2020（22）：11-13.

［3］齐曼，胡乃瑞，安天洋，等.基于STM32和OpenMV的全自动无接触送药小车系统［J］.电子制作，2022，30（21）：21-23.

［4］曾文琦.智能小车跟随行驶系统的设计［J］.工业技术与职业教育，2023，21（4）：30-34.

［5］罗文杰，郭梦婷，谢雨杉，等.基于MSP430单片机的智能导盲小车设计［J］.电脑知识与技术，2022，18（9）：60-62.

［6］李金彦.自寻迹智能小车控制系统的设计与实现［J］.集成电路应用，2022，39（12）：10-13.

收稿日期：2024-03-18

基金项目：巢湖学院2023年度省级大学生创新创业训练计划资助项目（S202310380060X、X202310380013）；高等学校省级质量工程项目（2022sx097）；巢湖学院一流课程：自动控制原理（ch19ylkc028）。

作者简介：王长乐（2003—），男，本科生，研究方向：电气工程及其自动化。

通信作者：王静（1983—），女，硕士，副教授，研究方向：智能控制理论及应用。