張秉森，馬吉忠，楊一飛，張 敏，毛漢奎，吳麗麗

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來(lái)，智能化的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)并進(jìn)入人們的生活。就目前來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化、智能化就是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的方向。歷史上的三次工業(yè)革命極大促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展。 第一次、第二次工業(yè)革命推動(dòng)了機(jī)械的發(fā)展，解放了社會(huì)生產(chǎn)力；第三次工業(yè)革命是信息技術(shù)的革命，對(duì)人們的生活方式和思維方式產(chǎn)生了巨大的影響[1]；而第四次工業(yè)革命已經(jīng)來(lái)到，毫無(wú)疑問(wèn)，這次的工業(yè)革命將會(huì)對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的影響。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)自動(dòng)避障小車(chē)具有用途廣泛、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以根據(jù)需求來(lái)添加所需要的功能，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

1 總體結(jié)構(gòu)

圖1 自動(dòng)避障小車(chē)總體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的自動(dòng)避障小車(chē)主要由以下五個(gè)模塊組成：超聲波避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊、藍(lán)牙模塊、手機(jī)APP。 五大模塊在主控芯片樹(shù)莓派3B+的控制協(xié)調(diào)之下，完成小車(chē)的自動(dòng)避障功能。 小車(chē)啟動(dòng)運(yùn)行后自動(dòng)前行，通過(guò)自動(dòng)避障模塊計(jì)算判斷前方障礙物，然后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)向避讓。 后期可以再根據(jù)自己的需求添加對(duì)應(yīng)的功能，可擴(kuò)展性極強(qiáng)。 小車(chē)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

主控芯片可以說(shuō)是自動(dòng)避障小車(chē)的核心和大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制小車(chē)的所有功能的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行。 所以選用了樹(shù)莓派3B+作為小車(chē)的控制芯片。 樹(shù)莓派3B+是一款基于ARM 的微型電腦主板，具備所有PC 的基本功能，其采用了 4 核 Cortex A53 64 位 V8 結(jié)構(gòu)，自帶 1GB 的內(nèi)存和 4個(gè)USB 接口，帶有視頻輸入、影像輸出、音源輸出等一系列輸入輸出接口，性能優(yōu)秀，且成本較低，使用安裝方便。實(shí)物如圖2 所示。

圖2 主控芯片樹(shù)莓派3B+

2.2 超聲波避障模塊

超聲波測(cè)距的原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，然后通過(guò)計(jì)算源聲波發(fā)送時(shí)刻和回波信號(hào)接收時(shí)刻的時(shí)間間隔來(lái)獲取障礙物的距離信息。

選用了HC-SR04 芯片作為小車(chē)的超聲波避障模塊的主控。 其工作原理是從控制口發(fā)射出電平信號(hào)，然后在接收口等待電平信號(hào)輸入。 當(dāng)接收口接收到電平信號(hào)之后打開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)，電平信號(hào)消失后時(shí)讀取定時(shí)器的值，即為此次測(cè)距的時(shí)間，再通過(guò)時(shí)間即可算出距離。

HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊提供了2cm～400cm 的非接觸式距離，其工作時(shí)序圖如圖3 所示[2]。 HC-SR04 需要提供一個(gè)10us 以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)來(lái)激活模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)后，模塊內(nèi)部發(fā)出8 個(gè)40kHz 周期電平并檢測(cè)回波的到來(lái)，當(dāng)檢測(cè)到有回波信號(hào)時(shí)輸出回響信號(hào)[3]。回響信號(hào)脈沖寬度與所測(cè)距離成線性相關(guān)[4]。為了防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的干擾，觸發(fā)信號(hào)周期為60ms以上[2]。

圖3 HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊工作時(shí)序圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

選用了L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為小車(chē)的驅(qū)動(dòng)的主控。L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是SGS 公司的產(chǎn)品，其中比較常見(jiàn)的一款是L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 一片L298N 芯片可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)直流電機(jī)做各種不同的動(dòng)作，且具有過(guò)熱保護(hù)和檢測(cè)反饋功能，可以與樹(shù)莓派3B+直接相連，操作使用簡(jiǎn)單方便，穩(wěn)定性好。 其電路圖如圖4 所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

2.4 攝像頭模塊

選用了與樹(shù)莓派配套的DSI 排線攝像頭作為攝像頭模塊的攝像頭，其與樹(shù)莓派3B+直接相連，圖像回傳效果較好。

2.5 藍(lán)牙模塊

小車(chē)的藍(lán)牙模塊是樹(shù)莓派3B+自帶的藍(lán)牙，以此實(shí)現(xiàn)電腦、手機(jī)與小車(chē)之間的通信聯(lián)系。

3 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)APP 基于Android Studio 開(kāi)發(fā)，主要用于控制小車(chē)啟停、查看實(shí)時(shí)傳回圖像等。 其主界面如圖5 所示。

圖5 手機(jī)APP 主界面

4 總結(jié)

自動(dòng)避障小車(chē)基于樹(shù)莓派芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)超聲波測(cè)距、攝像頭等實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的自動(dòng)避障功能，達(dá)到了預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)效果。 后續(xù)可以根據(jù)需要的功能再去添加，應(yīng)用推廣價(jià)值極高。