任玲玲，李浪，閆庚龍，莫仁浪

（茅臺學(xué)院，貴州遵義， 563000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是指將互聯(lián)的概念擴展到人與物以及物物之間信息的交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、現(xiàn)代交通、軍事科技、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[1]，智能小車作為機器人的分支，可以在預(yù)設(shè)的路線上行駛，也可以自動躲避障礙物前進(jìn)，實現(xiàn)循跡與避障功能。智能小車也是物聯(lián)網(wǎng)的一部分。智能小車可以利用傳感器監(jiān)測周圍的環(huán)境信息，利用藍(lán)牙、WiFi、紅外等進(jìn)行無線通信，實現(xiàn)對智能小車的無線控制功能[2]。它不需要人工管理，只要將編寫的程序提前上傳至單片機，就可以完成相應(yīng)任務(wù)，可以節(jié)省人力物力。與遙控小車有所不同，遙控小車需要通過人工遙控來控制小車方向，本文設(shè)計的智能循跡避障小車是通過計算機程序來控制小車的運行狀態(tài)和方向，而且可以通過藍(lán)牙實現(xiàn)手機端對智能小車的控制以及實現(xiàn)循跡與避障模式的切換?？梢詮V泛應(yīng)用于無人駕駛汽車、自動運輸機器人、自動清潔機器人等方面[3]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文設(shè)計一款可以對周圍環(huán)境作出智能判斷及反應(yīng)的智能小車。智能小車可以實現(xiàn)以下三個功能：第一，通過循跡模塊檢測路面黑線，并跟隨預(yù)設(shè)的黑線前進(jìn)，實現(xiàn)自動導(dǎo)航功能；第二，通過避障模塊檢測障礙物，并繞開障礙物行駛，實現(xiàn)自動避障功能；第三，手機遙控，通過藍(lán)牙模塊接收手機端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制小車進(jìn)入循跡模式或避障模式。

根據(jù)智能小車的功能需求，對小車的各個模塊進(jìn)行設(shè)計，硬件部分主要包括Arduino單片機、循跡模塊、避障模塊、藍(lán)牙、電源、驅(qū)動模塊等，總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

各個模塊的主要功能：Arduino模塊：作為智能小車的核心部分，對驅(qū)動模塊、循跡模塊、避障模塊起著控制作用，傳感器檢測路面上的黑線和障礙物，并將收集到的信息反饋給主控芯片，主控芯片對信息進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送給驅(qū)動模塊，從而控制小車的運動狀態(tài)。循跡模塊：檢測路面上的黑線，使小車能夠跟隨路面預(yù)設(shè)的黑線前進(jìn)，實現(xiàn)循跡功能。避障模塊：檢測周圍障礙物，使小車能夠路面地避開障礙物前進(jìn)，實現(xiàn)避障功能。電源模塊：電源要為單片機、傳感器、驅(qū)動部分提供電能，使智能小車能夠正常運行。驅(qū)動及電機模塊：執(zhí)行Arduino對信息的處理結(jié)果，控制電機的運動狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)智能小車的轉(zhuǎn)向。藍(lán)牙模塊：接收手機端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制小車不同的運動狀態(tài)和進(jìn)入不同的模式，智能小車根據(jù)接收的信息進(jìn)入循跡或避障模式。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

■2.1 智能小車原理圖

根據(jù)智能小車的總體設(shè)計，需要為智能小車設(shè)計和選擇合適的硬件設(shè)備。智能小車的硬件設(shè)計主要包括小車的車體的設(shè)計、主控器的選擇、循跡模塊的選擇、避障的模塊的選擇、驅(qū)動模塊的選擇、電機的選擇、電源模塊的選擇、通信模塊的選擇。循跡模塊和避障模塊檢測小車周圍的環(huán)境信息，并將信息反饋給主控芯片，主控芯片對信息進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送給驅(qū)動模塊，進(jìn)而實現(xiàn)對電機的控制。通過藍(lán)牙模塊接收手機端發(fā)送過來的信息，并對信息進(jìn)行處理和判斷，然后控制小車進(jìn)入不同的模式，實現(xiàn)手機遙控功能。其智能小車的整體接線圖如圖2所示。

圖2 智能小車連線圖

■2.2 主控器的選擇

Arduino有許多版本，每個版本有不同發(fā)特點。本項目選擇Arduino UNO R3版本，其實物圖如圖3所示。這個版本UNO的處理器核心是ATmega328，這是目前使用最多的版本，具有十分穩(wěn)定和滿足智能小車功能實現(xiàn)的需要[4]。

圖3 Arduino UNO R3開發(fā)板

■2.3 循跡模塊的選擇

智能小車使用兩路紅外循跡傳感器，其實物圖如圖4所示。工作原理：不同顏色的路面對紅外光線的反射能力不同，黑線會吸收傳感器發(fā)射出的紅外光，而其他顏色的路面有反射光線返回，傳感器會接收到不同強度的信號，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為高低電平，然后通過端口控制驅(qū)動模塊改變兩個電機的運動狀態(tài)，從而達(dá)到循跡的目的。

圖4 兩路紅外循跡傳感器

■2.4 避障模塊的選擇

常見的避障方式有紅外避障和超聲波避障。

紅外避障模塊，其工作原理為：傳感器發(fā)射紅外線，遇到障礙物后會反射紅光線，傳感器根據(jù)是否收到信號來判斷是否有障礙物，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為高低電平，然后通過控制驅(qū)動模塊改變電機運動狀態(tài)，從而達(dá)到避障的目的。其價格便宜且抗干擾能力強。

超聲波避障模塊，其工作原理為：發(fā)射超聲波，遇到障礙物后返回，從而測出兩者的距離，當(dāng)距離小于一定值后，判斷前方有障礙物，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為高低電平，然后通過控制驅(qū)動模塊改變電機運動狀態(tài)，從而達(dá)到避障的目的。這種方式易出現(xiàn)檢測盲區(qū)，從而檢測不到障礙物。

考慮各種因素，避免實驗單一性同時選擇使用紅外避障傳感器和超聲波避障。紅外避障模塊如圖5所示。

圖5 紅外避障傳感器

紅外避障模塊有VCC、GND、OUT三個引腳，其中VCC為電源正極接入口，接電源正極；GND為電源負(fù)極接入口，接電源負(fù)極；OUT接Arduino主板的一個I/O口，由于本項目只需要使用一個避障模塊，選擇5引腳。超聲波避障模塊與舵機搭載配合，超聲波模塊有VCC、GND、Echo、Trig四個引腳，其中Echo、Trig為回聲（輸出）和觸發(fā)（輸入）。實物如圖6所示。

圖6 HC-SR04傳感器

舵機SG90有紅、棕、橙三根接線，分別為VCC、GND、信號線。其工作原理是通過控制脈沖信號來控制它角度的轉(zhuǎn)動，一般一個基脈沖里高電平為0.5～2.5ms，其角度對應(yīng)為0～180°，實物如7所示。

圖7 SG90 舵機

■2.5 驅(qū)動模塊的選擇

智能小車采用L239D電機驅(qū)動芯片，其實物圖如8所示。L239D采用雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，可以實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，適用于智能小車的設(shè)計。

圖8 L293D 驅(qū)動芯片

該驅(qū)動模塊可以驅(qū)動兩路直流電機，當(dāng)使能端為高電平時，該模塊可以正常工作。驅(qū)動模塊可以通過設(shè)置INI，IN2確定電機的轉(zhuǎn)動方式，進(jìn)而控制電機的狀態(tài)。智能小車采用三輪模型，前面兩個輪子各使用一個電機驅(qū)動，并通過控制電機的轉(zhuǎn)動方式改變小車的運動狀態(tài)，小車的主要運動狀態(tài)有直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、停止。后輪使用一個萬向輪，萬向輪不需要通過電機控制就可以在水平方向旋轉(zhuǎn)，有利于控制小車的平衡，對小車起支撐作用。

■2.6 電機的選擇

智能小車使用的電機主要有直流減速電機、步進(jìn)電機。直流減速電機價格比較便宜，使用方便，電機轉(zhuǎn)速較慢，可以實現(xiàn)減速功能。步進(jìn)電機通過脈沖信號調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，但電機轉(zhuǎn)速較小，價格昂貴，不適合智能小車?？紤]各種因素，選擇使用直流減速電機。主要通過兩個引腳進(jìn)行接線，分別接驅(qū)動模塊的兩個輸出引腳，從而控制電機的轉(zhuǎn)動。

■2.7 電源模塊的選擇

智能小車采用7.4V鋰電池給單片機和驅(qū)動部分供電，這種供電方案簡單，鋰電池價格也比較便宜。7.4V鋰電池是通過Arduino轉(zhuǎn)接板的電源接口給主板和驅(qū)動部分供電。

■2.8 通信模塊的選擇

要實現(xiàn)小程序與小車之間的通信，需要選擇合適的無線通信模塊，目前主要的通信方式有藍(lán)牙通信、WiFi通信、紅外通信。由于藍(lán)牙模塊的通信范圍較大，速度較快，價格也比較便宜，廣泛應(yīng)用于智能手機、筆記本電腦、無線耳機、汽車等設(shè)備，并通過手機藍(lán)牙調(diào)試器實現(xiàn)與小車的通信，藍(lán)牙調(diào)試器給藍(lán)牙模塊提供了一系列需要的API，如打開藍(lán)牙適配器、搜索藍(lán)牙、連接藍(lán)牙等。所以選擇HC-05藍(lán)牙串口通信模塊作為通信模塊，藍(lán)牙模塊通過VCC、GND、TXD、RXD四個引腳進(jìn)行接線，其中VCC接電源正極；GND接電源負(fù)極；TXD接主板的RXD口；RXD接主板的TXD口，其實物圖如圖9所示。

圖9 HC-05藍(lán)牙

3 軟件設(shè)計

智能小車主要實現(xiàn)自動循跡、自動避障、藍(lán)牙模塊接收數(shù)據(jù)三個功能，通過編寫主程序、循跡子程序、避障子程序、接收數(shù)據(jù)等程序，實現(xiàn)智能小車正常運行。

智能小車要正常平穩(wěn)工作，編寫高效無誤的程序是必不可少的。首先需要建立一個項目并編寫程序，要定義IO引腳并對其初始化，定義智能小車的一系列動作，包括直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止和后退，然后通過藍(lán)牙模塊接收手機端發(fā)送過來的信息，主控芯片對信息進(jìn)行處理，然后控制智能小車進(jìn)入循跡模式或避障模式，主程序框圖如圖10所示。

圖10 主程序框圖

對硬件模塊定義引腳、對引腳設(shè)置輸入輸出模式、設(shè)置波特率等。其中兩個循跡傳感器分別選擇3和4引腳，并設(shè)置為輸入模式；紅外避障傳感器選擇5引腳，并設(shè)置為輸入模式；超聲波傳感器選擇A0和A1引腳，并設(shè)置輸入和輸出模式；兩個電機分別選擇8和9、10和11引腳，并設(shè)置為輸出模式；用于串口通信的波特率設(shè)為9600。其中循跡模式和避障模式中小車的運動狀態(tài)有直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止和后退，不同的運動狀態(tài)，電機引腳參數(shù)不同。

■3.1 循跡子程序

循跡子程序用于實現(xiàn)智能小車的自動循跡功能。小車進(jìn)入循跡模式，兩路紅外循跡模塊開始檢測路面上的黑線，根據(jù)是否檢測到黑線，讀出引腳的電平，控制小車進(jìn)入不同狀態(tài)，根據(jù)傳感器檢測黑線的不同情況，智能小車可以進(jìn)入直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止四種狀態(tài)。循跡子程序框圖如圖11所示。

圖11 循跡子程序框圖

■3.2 避障子程序

避障子程序用于實現(xiàn)智能小車的自動避障功能。小車進(jìn)入避障模式，左右紅外避障模塊開始檢測小車周圍是否有障礙物，根據(jù)是否檢測到障礙物，讀出引腳的電平，控制小車進(jìn)入不同狀態(tài)，根據(jù)周圍障礙物類型的不同，智能小車可以進(jìn)入直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退四種狀態(tài)，避障子程序框圖如圖12所示。

圖12 避障子程序框圖

■3.3 藍(lán)牙工作流程

手機藍(lán)牙傳送數(shù)據(jù)過程與平時使用兩部手機互傳數(shù)據(jù)一樣，不同的是在本設(shè)計中，手機為主機，藍(lán)牙模塊為從機。其工作流程如圖13所示。

圖13 藍(lán)牙工作流程圖

4 調(diào)試與結(jié)果

打開手機藍(lán)牙調(diào)試器，點擊搜索藍(lán)牙設(shè)備，點擊所要連接的藍(lán)牙名稱進(jìn)行連接，然后發(fā)送數(shù)據(jù)指令。連接成功后，通過控制界面發(fā)送控制指令，從而控制小車的運行狀態(tài)?？刂平缑嫒鐖D14所示。

圖14 控制界面

經(jīng)過實驗調(diào)試，小車能夠達(dá)到設(shè)計的預(yù)期效果，小車的基本運行和循跡功能、避障功能都得以實現(xiàn)。運行結(jié)果如圖15所示。

圖15 小車運行實物圖

5 總結(jié)

本文設(shè)計的循跡避障智能小車以Arduino為控制核心，將循跡模塊、避障模塊、藍(lán)牙模塊、驅(qū)動模塊等硬件設(shè)備組裝在一起，實現(xiàn)智能小車的自動循跡避障功能。小車在預(yù)設(shè)路線上行駛時，通過循跡模塊小車可以自動檢測路線，若小車偏離路線，可以自動左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，然后按照指定路線前進(jìn)；通過避障模塊小車可以檢測障礙物，并自動躲避障礙物前進(jìn)。另外本設(shè)計也實現(xiàn)了手機端與藍(lán)牙模塊之間的通信，手機端可以向藍(lán)牙發(fā)送指令，實現(xiàn)對小車的無線控制。循跡避障小車等智能機器人可以代替人類去完成一些危險的任務(wù)或者很難完成的事情，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、軍事、探測等領(lǐng)域。因此，智能小車等智能設(shè)備具有巨大的研究價值。