李志強(qiáng)，康欽清，肖玉亮，李本高，黃 明，王東滔

(湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410205)

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，眾多人工智能控制產(chǎn)品應(yīng)用到了各行各業(yè)中[1]。無人駕駛汽車綜合了計算機(jī)、模式識別、智能控制、智能傳感器等多種技術(shù)，旨在減少人為因素引起的交通意外，或代替人類進(jìn)入危險場景完成工作[2-4]，從而提升人們的生活質(zhì)量。智能小車是無人駕駛汽車的研究基礎(chǔ)，自動避障技術(shù)一直是智能小車研究的核心方向之一。避障系統(tǒng)中的傳感器負(fù)責(zé)采集障礙物信息，通過智能小車的避障系統(tǒng)識別并判斷出障礙物的位置、形狀、大小等信息，小車做出對應(yīng)的避讓動作。付曉云等[5]設(shè)計了一款基于紅外傳感器與超聲波傳感器結(jié)合的智能避障小車,曾穎琳等[6]將超聲波傳感器與舵機(jī)結(jié)合，不斷檢測左、前、右3個方向的障礙物。本項目組為進(jìn)一步提升智能小車的避障性能，設(shè)計了一種基于Arduino平臺的智能避障小車。小車的避障系統(tǒng)由超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器組成。多種傳感器協(xié)同工作，提升小車的避障性能。

1 智能避障小車的總設(shè)計

本系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)的整體模塊包括：Arduino開發(fā)板、電源模塊、電機(jī)模塊以及由紅外傳感器、激光傳感器和超聲波傳感器組成的測距避障模塊等。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本設(shè)計以Arduino平臺為核心，組成紅外雙點(diǎn)避障、激光單點(diǎn)避障和超聲波180°掃描避障相結(jié)合的多傳感器自動避障系統(tǒng)，采集并識別障礙物信息后，通過I/O口輸出信號控制電機(jī)驅(qū)動模塊，完成小車的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等運(yùn)行動作，從而實(shí)現(xiàn)多方位、廣角障礙物的躲避[7]。

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 Arduino開發(fā)板

Arduino開發(fā)平臺是一款使用簡單、功能多樣的開源電子平臺。本設(shè)計選取Arduino Uno R3作為主控模塊。Arduino Uno R3是一款基于ATmega328的微控制器板，編程靈活，支持C語言編程。它有14個數(shù)字I/O口(其中6個可用作PWM輸出)，6個模擬輸入，16 MHz晶振時鐘，USB接口，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。所有傳感器與主板連接，借助USB接口實(shí)現(xiàn)序下載和數(shù)據(jù)通信。

2.2 電機(jī)模塊

電機(jī)模塊包括直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動控制模塊。智能小車由電機(jī)提供動力，完成行走和避障兩項任務(wù)。本設(shè)計使用4個直流電機(jī)，分左、右兩側(cè)串聯(lián)連接。Arduino Uno無法驅(qū)動4個直流電機(jī)，需借助電機(jī)驅(qū)動模塊完成電機(jī)驅(qū)動。

本設(shè)計采用L298N模塊作為電機(jī)控制模塊。L298N是一種高壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片，其工作電壓最大可達(dá)到46 V，電流峰值可達(dá)3 A，內(nèi)部的全橋式驅(qū)動器可用來驅(qū)動直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和繼電器線圈，最高可同時驅(qū)動兩個直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速功能，L298N內(nèi)置過熱保護(hù)電路，非常適合在電池供電的智能小車、機(jī)器人上使用。小車方向控制與邏輯輸入引腳高低點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系表如表1所示。

如表1所示，EN為使能端，高電平有效；A，B為電機(jī)驅(qū)動模塊的輸入端，X表示任意電平；Y表示小車電機(jī)的輸出狀態(tài)。

表1 驅(qū)動控制電機(jī)真值

本設(shè)計中，L298N的輸入端與Arduino開發(fā)板的I/O口相連，驅(qū)動兩組電機(jī)，通過Arduino開發(fā)板I/O口電平的變化，控制左右兩側(cè)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及停止，實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等方向控制功能。兩組電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)與小車運(yùn)動狀態(tài)對應(yīng)如表2所示。

表2 兩組電機(jī)狀態(tài)與小車運(yùn)動狀態(tài)對應(yīng)

2.3 測距避障模塊

2.3.1 常用避障傳感器

常見的避障傳感器有紅外避障傳感器、激光傳感器、超聲波傳感器等。

紅外避障傳感器是根據(jù)反射紅外光探測前方障礙物，確定有無障礙物的存在，同時使用不同顏色指示燈指示狀態(tài)。在信號輸出沒有檢測到障礙物時，輸出高電平，LED指示燈變綠色；檢測到障礙物時，輸出低電平，LED指示燈變紅色。紅外避障傳感器可根據(jù)電位器調(diào)節(jié)探測距離約為3～30 cm。

激光傳感器是目前較為流行的傳感器，相較于紅外傳感器、激光傳感器，其測距結(jié)果可精確到毫米級，且測量結(jié)果不受前方障礙物的顏色和反射光影響。激光傳感器通過I2C通信總線與單片機(jī)相連接，具有高精度、高準(zhǔn)確度、高性能等特點(diǎn)，激光傳感器感器探測距離約為30～200 cm。

超聲波傳感器是利用超聲波特性研制而成的傳感器，采用IO觸發(fā)測距，借助超聲波傳播的時間來判斷自身與障礙物的距離。超聲波傳感器發(fā)送端發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波碰到障礙物時，聲波會產(chǎn)生反射。當(dāng)超聲波傳感器的接收端收到返回的超聲波信號，就會自動計算超聲波的往返時間。探測距離約為2～450 cm。

D=T×V/2

(1)

公式(1)中，D為障礙物與小車之間的距離；T為高電平的持續(xù)時間，單位為s；V為超聲波傳播速度，在常溫15℃空氣中傳播的超聲波速度為340 m/s。

2.3.2 多傳感器自動避障系統(tǒng)

3種傳感器的探測距離與探測原理各有不同，如：超聲波具有扇形發(fā)散特性，而激光傳感器所發(fā)送的激光則是一束很細(xì)的激光束，可適用于不同類型的障礙物測距。由此，本設(shè)計采用紅外線、超聲波和激光3種器件相結(jié)合的多傳感器自動避障系統(tǒng)。

如表3所示給出了不同傳感器各自的特點(diǎn)。結(jié)合小車的功能需求，小車車架設(shè)計為兩層。車架的第一層(底層)左、右各安裝了一個紅外測距避障傳感器，用于檢測小車前方近距離的障礙物；在車架第二層的下方前端中部安裝激光測距避障傳感器，用于探測小車前方較遠(yuǎn)距離的障礙物；第二層頂部采用舵機(jī)加超聲波傳感器形式。在小車行駛過程中，超聲波傳感器在舵機(jī)的協(xié)助下，左右旋轉(zhuǎn)180°，完成小車在左、前、右3個方向上障礙物的距離測量?？刂浦行膶⑺占降臄?shù)據(jù)進(jìn)行掐頭去尾取平均值處理，從而得到障礙物距離測試位置的距離。借助多傳感器自動避障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)近、遠(yuǎn)距離障礙物探測的全部覆蓋。

表3 不同傳感器的特點(diǎn)及安裝方案

2.3.3 WiFi控制模塊

WiFi模塊通過指定信道號的方式來進(jìn)行快速聯(lián)網(wǎng)。在無線聯(lián)網(wǎng)過程中，本模塊首先會對當(dāng)前的所有信道自動進(jìn)行一次掃描，搜索準(zhǔn)備連接的目的AP創(chuàng)建的(或Adhoc)網(wǎng)絡(luò)。串口WiFi模塊提供了設(shè)置工作信道的參數(shù)，在已知目的網(wǎng)絡(luò)所在信道的條件下，可以直接指定模塊的工作信道，從而達(dá)到加快聯(lián)網(wǎng)速度的目的。

WiFi模塊的型號是UNO R3 ESP8266。該模塊功能強(qiáng)大，支持手機(jī)端控制，可以更輕松的構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)項目。本設(shè)計中利用智能手機(jī)的WiFi模塊與Arduino小車連接，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)和智能小車的通信。手機(jī)終端發(fā)出3種不同的控制信號，通過WiFi模塊將控制信號傳遞給攝像頭模塊。攝像頭模塊對控制信號所要求的目標(biāo)顏色進(jìn)行追蹤并將相應(yīng)的坐標(biāo)值發(fā)送給Arduino開發(fā)板。借助WiFi模塊，智能小車控制更加便捷。

2.3.4 電源模塊

可調(diào)穩(wěn)壓電源模塊的型號是LM2596S。LM2596S是電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(150 kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23 V)，具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。LM2596S只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。輸入電壓范圍為2.5～35 V，調(diào)節(jié)電位器可輸出1.25～35 V的電壓，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92%。采用LM2596S穩(wěn)壓并提供穩(wěn)定的5 V電壓給Arduino Uno R3供電。

3 軟件模塊設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總流程設(shè)計

智能小車運(yùn)行的總流程如圖2所示。Arduino智能避障小車在行駛的過程中，需要不斷判斷是否有障礙物的存在。規(guī)定Arduino依據(jù)傳感器優(yōu)先級紅外避障傳感器>激光傳感器>超聲波傳感器進(jìn)行障礙物判定。起步時，借助紅外探測傳感器，確定小車周圍是否有障礙物。若有障礙物，小車后退；若無障礙物，小車前進(jìn)。小車行駛過程中，借助激光傳感器進(jìn)行較遠(yuǎn)距離障礙物的判定。若激光傳感器檢測到有障礙物，則小車進(jìn)入超聲波檢測區(qū)。位于頂部的超聲波測距避障模塊需要不間斷收集左、前、右3個方位的障礙物信息，計算出與障礙物間的距離，并上傳至Arduino開發(fā)板。小車的執(zhí)行單元結(jié)合所收集到的障礙物信息，進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)避動作。若激光傳感器未檢測到障礙物，則小車?yán)^續(xù)直行。

圖2 智能小車運(yùn)行的總流程

3.2 多傳感器自動避障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼

小車第一層設(shè)置位于小車兩端的紅外傳感器，優(yōu)先級最高，首先判定前方是否有障礙物；無障礙，小車直行；存在障礙物，小車后退；正常行駛時，利用激光傳感器判定是否存在障礙物，走的過程中利用超聲波測量，確定當(dāng)前距離，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的避障功能。

void loop()

{

intSensor_L=A0;

intSensor_R=A1;

if (digitalRead(Sensor_L) ∣∣ digitalRead(Sensor_R))

{

if(sensor.readRangeSingleMillimeters()/10>40)

{

Go();

Serial.println(sensor.readRangeSingleMillimeters()/10);

}

else

{

stadiometry ();

Stop();

delay(50);

Jud();

L_R();

}

}

else

{

Qui_back();

delay(50);

Stop();

}

}

4 測試

4.1 測試流程

連接好智能小車各模塊，檢查是否有疏漏；通電源、啟動小車。

4.2 避障功能測試

小車啟動后，分別在前方、左側(cè)、右側(cè)以及左右側(cè)同時放置障礙物擋板，設(shè)計不同障礙物模式。智能小車遇各種障礙后避障情況，如表4所示。小車啟動，前方有障礙物且左右離障礙物的距離均小于10 cm時，小車會向后倒退，遠(yuǎn)離障礙物；若與障礙物的距離左側(cè)小于30 cm，右側(cè)比左側(cè)大，此時小車完成掉頭右轉(zhuǎn)；左側(cè)距離大于30 cm，右側(cè)距離比左側(cè)更大，此時小車完成90°右轉(zhuǎn)。同理，小車左轉(zhuǎn)。其他情況，小車直行。

表4 小車遇障行駛情況

5 結(jié)語

本文對智能小車的自動檢測避障和控制進(jìn)行了研究和設(shè)計，主要設(shè)計了一種紅外雙點(diǎn)避障、激光單點(diǎn)避障和超聲波180°掃描避障相結(jié)合的測距避障智能小車，研究了智能小車的測距避障等功能。通過測試驗證，所設(shè)計的智能小車能實(shí)現(xiàn)近、遠(yuǎn)距離障礙物探測的全部覆蓋，完全符合設(shè)計要求。經(jīng)實(shí)驗證明，本智能小車能夠完成復(fù)雜障礙的自動避障。