南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐開軍 劉飛龍

基于Arduino平臺的多功能智能小車的設(shè)計

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐開軍 劉飛龍

在眾多智能化機器人項目中，智能小車可以稱得上是一項最早走出實驗室的實用發(fā)明。本文設(shè)計的多功能智能小車，以Arduino這款便捷靈活、容易上手的開源平臺作為主控單元，小車驅(qū)動由L293D驅(qū)動電路完成，速度由單片機輸出的PWM波控制。其中，以手機藍牙作為客戶端，以Arduino HC-06藍牙模塊作為接受端，實現(xiàn)對小車前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的操作；以HC-SR04超聲波傳感器通過發(fā)送檢測與障礙物的距離，結(jié)合對SG90舵機的控制進行轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)自動避障的功能。

Arduino；智能小車；藍牙遙控；超聲波避障

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能機器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會的各個領(lǐng)域。為了提高社會的生產(chǎn)水平和人們生活質(zhì)量，常常讓智能機器人替人們做一些人類做不了或做不好的工作。在當(dāng)今的生產(chǎn)制造、物流倉儲、軌道交通、工程機械、醫(yī)療手術(shù)等諸多行業(yè)，智能機器人已經(jīng)無所不在。從生產(chǎn)制造業(yè)的無人搬運車，到特種行業(yè)的災(zāi)難救援、拆彈機器人，再到軍事領(lǐng)域的防御和偵察機器人以及航天領(lǐng)域的星球表面探測器，處處可以見到智能小車的身影。通過各類傳感器件來采集相關(guān)的信息，送入主控單元 Arduino 單片機處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動作，以達到自身控制。電機驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動模塊驅(qū)動2個直流電機;藍牙遙控采用手機藍牙用戶界面和HC-06藍牙模塊完成，測距與避障采用HC-SR04超聲波模塊和舵機模塊完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過編程，并有序合理的將各模塊信號整合在一起并完成相應(yīng)動作，實現(xiàn)了智能控制，相當(dāng)于簡易機器人。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 平臺選擇

同其他系統(tǒng)相比，Arduino在很多方面更具優(yōu)越性，成本低，跨平臺，簡易的編程環(huán)境，軟硬件開源并且可以擴展，尤其適合教學(xué)和業(yè)余愛好者們使用。因為Arduino UNO R3是Arduino USB接口系列的最新版本，是Arduino平臺的參考標準模板，也是目前使用最多的版本。它不僅十分穩(wěn)定而且還能滿足本設(shè)計中智能小車功能的完美實現(xiàn)，因此選擇Arduino UNO R3作為智能小車的控制單元。要完成本設(shè)計所要求的智能機器小車，還要滿足藍牙遙控和超聲波避障的功能，起碼要有兩件必備之物——微控制器和傳感器，這樣智能小車才有自己的大腦和感官。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

本設(shè)計主要是制作一款能夠進行智能判斷并能做出正確反應(yīng)的智能小車，小車具有手機藍牙遙控、自動避障的功能。本設(shè)計以兩個直流電動機為主驅(qū)動，通過各類傳感器件來采集相關(guān)信息，并送入主控制單元Arduino單片機處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)的動作，以達到自身控制。電機驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動模塊，驅(qū)動2個直流電機；藍牙遙控采用藍牙傳感器完成；測距、避障用超聲波傳感器完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過編程，有序合理的將模塊信號整合在一起并完成相應(yīng)動作，實現(xiàn)智能控制，相當(dāng)于簡易機器人。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

2.3 電源的選擇

對于一輛智能機器小車來說，電池就是它的動力源。如果使用太陽能電池，無法使智能小車在室內(nèi)運行，而且現(xiàn)在的太陽能電池板的能效不高，要達到理想的狀態(tài)必須有很大的面積。最后考慮到方便和可持續(xù)性，本設(shè)計采用可充電的鉛酸電池。

2.4 電機的選擇

電機是智能小車的驅(qū)動裝置，選擇一個適合的電機會使制作更順利，機器性能更好。能用于智能機器小車的電機種類很多，而制作智能小車會選用直流電機、減速電機以及步進電機，考慮到價格、功率、尺寸、轉(zhuǎn)速等因素，本設(shè)計采用直流電機。

3 藍牙遙控設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

本設(shè)計是以Arduino單片機為核心，通過‘Arduino Car Control’手機控制界面，進行簡單的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能操作，控制小車進行不同的運動。Arduino模塊通過控制電機驅(qū)動，從而控制電機的正反轉(zhuǎn)，使小車做出相應(yīng)的動作。通過手機藍牙與藍牙接收模塊HC-06進行配對之后，先通過一個測試程序測試‘Arduino Car Control’各個按鍵所對應(yīng)的數(shù)字代碼，（經(jīng)過測試程序測試出各按鍵代碼為：前進102，停止115，左轉(zhuǎn)108，右轉(zhuǎn)114，后退98）以便編寫主程序。編寫并下載程序以后，便可以接收到從手機端傳輸過來的動作指令。接收到指令之后，藍牙模塊會傳遞給Arduino單片機，再通過微處理器分析辨別傳輸過來的指令，使程序跳轉(zhuǎn)到不同的子程序，產(chǎn)生不同的響應(yīng)，從而控制電機驅(qū)動，實現(xiàn)小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能。

3.2 程序流程圖

圖2 藍牙遙控模塊程序流程圖

圖3 超聲波避障模塊程序流程圖

4 超聲波避障設(shè)計

4.1 設(shè)計方案

超聲波避障由接收機或者單片機發(fā)出控制信號給舵機模塊，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進行比較，獲得電壓差輸出。經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回信號，判斷是否已經(jīng)定位。

避障小車在行進過程中，超聲波傳感器不斷檢測小車行進方向是否有障礙物，當(dāng)超聲波傳感器檢測到有障礙物時，小車先后退減速至停止。然后測距并判斷左右距離是否符合程序里所設(shè)定的值，哪邊比較寬闊，就轉(zhuǎn)向那邊。如果左右都有障礙物，則后退掉頭。

4.2 程序流程圖（見圖3）

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于Arduino平臺的智能小車，實現(xiàn)了手機藍牙遙控和超聲波避障的功能。試驗結(jié)果表明，以藍牙手機作為客戶端，智能小車上的藍牙模塊作為服務(wù)端，通過串口仿真協(xié)議進行通信。它具有編程靈活、自由、易于控制、穩(wěn)定性能好、擴展容易等優(yōu)點。實現(xiàn)了小車的前行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等功能，將手機變身為遙控器，為人們的生活帶來無限方便。以超聲波傳感器作為測距避障模塊更可靠，能夠精確的測距，結(jié)合舵機后能夠全自動行駛，達到了理想中的效果。

[1]戴鳳智,海玉.Arduino輕松入門[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[2]黃文凱,伍馮潔.Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[3]戈惠梅,徐曉慧,顧志華,等.基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,11.

[4]聶茹,嚴明.基于Arduino開發(fā)板的智能小車設(shè)計[J].微處理機,2015,04.

[5]顧志華,戈惠梅,徐曉慧,等.基于多傳感器的智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版),2014,01.

[6]趙津,朱三超.基于Arduino單片機的智能避障小車設(shè)計[J].自動化與儀表,2013,05.

項目資助：南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院青藍工程骨干教師項目、江蘇省政府留學(xué)獎學(xué)金資助項目。