薛 梁，方海峰，黃 迪

（江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

如今，智能科技正深刻改變著我們的生產(chǎn)方式、生活方式、學(xué)習(xí)方式。智能車作為智能科技的代表，因其靈活性、智能化在倉庫、車間、危險區(qū)域都扮演著重要的角色。本文設(shè)計的智能小車基于arduino 開發(fā)板，小車底盤采用麥克納姆輪，能夠?qū)崿F(xiàn)智能車各個方向的運動以及避障和跟隨功能。該小車具有兩種模式：一種是在狹小的環(huán)境利用超聲波傳感器進(jìn)行測距實現(xiàn)避障功能；另一種是利用超聲波和紅外傳感器對移動目標(biāo)進(jìn)行跟隨。該智能車在物流運輸、科學(xué)勘測、跟蹤識別、抗震救災(zāi)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 智能車的整體方案設(shè)計

智能車包括機械、電路硬件、軟件三個主要部分，它們之間相互影響。搭載麥克納姆輪的小車能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運動，配合適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，?dāng)執(zhí)行避障模式時，可以準(zhǔn)確檢測到前方障礙物，主動避開障礙物；當(dāng)執(zhí)行跟隨模式時，超聲波模塊檢測與前方目標(biāo)距離，紅外傳感器檢測左右兩側(cè)目標(biāo)所在方向，實現(xiàn)目標(biāo)的精準(zhǔn)跟隨。

1.1 智能車底盤機械結(jié)構(gòu)

該智能車底盤主體采用鋁合金板，4 個車輪為麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，采用兩左旋、兩右旋的組對安裝形式，形成X形如圖1 所示。麥克納姆輪通過聯(lián)軸器與固定在底板上的電機相連接，且每個麥克納姆輪由電機獨立驅(qū)動[2]。

圖1 麥克納姆輪安裝位置

通過對4 個電機旋轉(zhuǎn)方向的控制可以使車實現(xiàn)不同的操作[3]。當(dāng)輪1、2、3 和4 同時向前或向后旋轉(zhuǎn)時，小車可以實現(xiàn)相應(yīng)的向前或向后平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向前運動，輪2 和輪4 不動時，小車實現(xiàn)向右前方45°平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向后運動，輪2 和輪4 不動時，小車實現(xiàn)向左后方45°平移；

當(dāng)輪2 和輪4 向前運動，輪1 和輪3 不動時，小車實現(xiàn)向左前方45°平移；

當(dāng)輪2 和輪4 向后運動，輪1 和輪3 不動時，小車實現(xiàn)向右后方45°平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向前運動，輪2 和輪4 向后運動時，小車向右平移；

當(dāng)輪1 和輪3 向后運動，輪2 和輪4 向前運動時，小車向左平移；

當(dāng)輪1 和輪4 向前運動，輪2 和輪3 向后運動時，小車原地順時針旋轉(zhuǎn)；

當(dāng)輪1 和輪4 向后運動，輪2 和輪3 向前運動時，小車原地逆時針旋轉(zhuǎn)。

1.2 智能車電機驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用Arduino AFMotor 電機擴展板來驅(qū)動4 個直流電機，板載2 塊L293D 芯片負(fù)責(zé)電機驅(qū)動的核心工作，并配合Arduino Uno R3 開發(fā)板共同運行。AFMotor 電機擴展板上配有外接電源接口，該接口所連接的直流電源可以為電機和Arduino 開發(fā)板供電。AFMotor 擴展板中的L293D 芯片所允許的直流電源電壓范圍是4.5 ～25 V。本文使用兩節(jié)18650 鋰電池串聯(lián)供電，電壓為7.4 V。

1.3 超聲波測距模塊

本設(shè)計使用HC-SR04 超聲波測距模塊，性能穩(wěn)定，距離測量精確。超聲波測距工作原理：通過IO 口Trig 觸發(fā)測距，發(fā)出高電平信號，接收器收到返回信號停止計時，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，計算距離。

Arduino 連接方法：

（1）HC-SR04 引腳VCC 連接到Arduino 引腳+5VDC；

（2）HC-SR04 引腳Trig 連接到Arduino 引腳A1；

（3）HC-SR04 引腳Echo 連接到Arduino 引腳A0；

（4）HC-SR04 引腳GND 連接到Arduino 引腳GND。

1.4 舵機模塊

舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)[4]。舵機包含一個小型電動機，內(nèi)部電機內(nèi)置電路可將電機輸出軸的位置進(jìn)行反饋，因此它的輸出軸可以被Arduino 等控制在某一個固定角度。本設(shè)計采用MG90S型號舵機，它能夠在0～180°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，用于帶動超聲波測距模塊的轉(zhuǎn)向，以實現(xiàn)智能車前、左、右方向的測距。

1.5 紅外傳感器模塊

紅外傳感器模塊采用安裝在智能車側(cè)面的兩對紅外傳感器來探測周圍目標(biāo)情況，完成智能車跟隨功能的實現(xiàn)。紅外傳感器具有一對發(fā)射和接收管，當(dāng)檢測到目標(biāo)物時輸出指示燈亮起?？梢酝ㄟ^電位器調(diào)節(jié)檢測距離，檢測范圍為2 ～30 cm，角度為35°，工作電壓為3.3 ～5 V，紅外傳感器通過發(fā)射紅外線反射并探測是否存在物體[5]。

1.6 麥克納姆輪智能車實物制作

在鋁合金底板上安裝有4 個獨立驅(qū)動的電機分別驅(qū)動四個麥克納姆輪，底盤上還安裝了電源、Arduino UNO R3 開發(fā)板、AFMotor 擴展板，舵機用支架安裝在智能車的正前方，舵機的輸出軸上還安裝了另一個支架。該支架中間安裝超聲波測距模塊，兩側(cè)分別安裝紅外傳感器，使得智能車前方的舵機能夠同時帶動超聲波測距模塊和紅外傳感器左右偏轉(zhuǎn)，制作的麥克納姆輪智能車實物如圖2 所示。

圖2 麥克納姆輪智能車實物

2 智能車程序設(shè)計

2.1 全方位移動控制程序

結(jié)合麥克納姆輪的運動原理，通過串口通訊控制4 個獨立的直流電機驅(qū)動車輪，實現(xiàn)全方位運動。串口控制具體操作：輸入“5”執(zhí)行停止；“2”執(zhí)行后退“8”執(zhí)行前進(jìn)；“4”執(zhí)行左轉(zhuǎn)；“6”執(zhí)行右轉(zhuǎn)；“7”執(zhí)行向前逆時針旋轉(zhuǎn)；“9”執(zhí)行向前順時針旋轉(zhuǎn)；“3”執(zhí)行向后逆時針旋轉(zhuǎn)；“1”執(zhí)行向后順時針旋轉(zhuǎn)；“a”執(zhí)行左移；“d”執(zhí)行右移；“q”執(zhí)行左前移；“e”執(zhí)行右前移；“z”執(zhí)行左后移；“c”執(zhí)行右后移。

2.2 避障功能程序

避障功能中會使用到舵機、超聲波和電機驅(qū)動模塊，因此首先確定程序中需要的庫文件：Servo 和AFMotor；對智能車所運行的狀態(tài)進(jìn)行宏定義，對電機變量、脈沖引腳、舵機變量名、超聲波信號引腳、串口波特率等進(jìn)行定義并在set up（）函數(shù)中進(jìn)行相關(guān)變量的初始化；定義電機驅(qū)動函數(shù)，設(shè)置4 個電機的運動方式驅(qū)動小車實現(xiàn)相應(yīng)運動；定義測距程序，使超聲波模塊發(fā)出高低電平，讀出脈沖時間，并將時間轉(zhuǎn)換成距離并輸出。在主函數(shù)中運行舵機和測距的程序：默認(rèn)小車向前方運動，超聲波模塊對準(zhǔn)正前方；當(dāng)前方有障礙物，且距離小于30 cm 時，停止前進(jìn)；舵機帶動超聲波模塊向左轉(zhuǎn)，測量與左側(cè)物體的距離；隨后舵機右轉(zhuǎn)，測量右測與物體的距離，然后比較左右兩側(cè)距離，如果右側(cè)距離比左側(cè)小，則左轉(zhuǎn)，否則右轉(zhuǎn)，實現(xiàn)避障功能。

2.3 跟隨功能程序

跟隨功能中使用紅外傳感器、超聲波、舵機、電機模塊，使用庫文件有：NewPing、Servo 和AFMotor；同樣對電機、舵機、超聲波、紅外傳感器進(jìn)行定義和初始化；在主程序中調(diào)用測距函數(shù)，并讀取紅外傳感器I/O口狀態(tài)：如果左右兩邊紅外傳感器沒有檢測到信號，且超聲波檢測到物體距離在10 ～30 cm 之間，說明物體在智能車正前方，則向前跟隨目標(biāo)運動；當(dāng)超聲波檢測到的距離超出30 cm，右側(cè)紅外傳感器檢測到信號，左側(cè)沒有，則右轉(zhuǎn)，左側(cè)紅外傳感器檢測到信號，右側(cè)沒有則左轉(zhuǎn)；如果左右兩側(cè)同時檢測到物體則停止運動；當(dāng)超聲波檢測到與目標(biāo)距離小于10 cm時，智能車停止運動。

2.4 模式切換程序

根據(jù)設(shè)計要求，實現(xiàn)智能車的避障和跟隨功能并通過電路的設(shè)計使兩個模式可以互相切換。其運行流程如下：

模式1：當(dāng)檢測到D2 口的狀態(tài)為1 時執(zhí)行跟隨模式。執(zhí)行超聲波測距，檢測前方的距離執(zhí)行前進(jìn)或停止；通過兩側(cè)的紅外傳感器檢測左右的距離，調(diào)整智能車方向，以此來實現(xiàn)智能車的跟隨。

模式2：當(dāng)檢測到D2 口的狀態(tài)為0 時執(zhí)行避障模式。通過超聲波測距，檢測前方是否有障礙物來決定小車是前進(jìn)或停止。當(dāng)前方有障礙物時停止，舵機帶動超聲波模塊左右轉(zhuǎn)向檢測智能車左右兩側(cè)的空間距離，當(dāng)左側(cè)距離大于右側(cè)，小車左轉(zhuǎn)，否則右轉(zhuǎn)，以此來實現(xiàn)智能車的避障。

3 實驗驗證

3.1 避障功能實驗

為了驗證麥克納姆輪智能車設(shè)計是否符合要求，進(jìn)行避障實驗。先讓智能車前方?jīng)]有障礙物，把智能車調(diào)到避障模式，打開電源，智能車前進(jìn)。隨后人站在智能車前方模擬障礙物，當(dāng)智能車距離前方障礙物小于30 cm 時，智能車停止前進(jìn)，將一本書立在智能車的右側(cè)，舵機帶動超聲波測距模塊左右旋轉(zhuǎn)，智能車左側(cè)與環(huán)境物體距離大于右側(cè)，智能車向左旋轉(zhuǎn)后再次測量正前方與障礙物的距離是否滿足大于30 cm，滿足條件后繼續(xù)前進(jìn)；用同樣的方法，將書立在智能車的左側(cè)，智能車左側(cè)與環(huán)境物體距離小于右側(cè)，智能車向右旋轉(zhuǎn)朝向距離大的那側(cè)，滿足與前方物體距離大于30 cm 時繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)前方又遇到障礙物時再次停下，測量智能車左右兩側(cè)物體與智能車之間的距離，控制智能車向更空曠的方向前進(jìn)，如此循環(huán)往復(fù)，實驗表明該麥克納姆輪智能車能夠?qū)崿F(xiàn)避障功能。

3.2 跟隨功能實驗

把智能車調(diào)到跟隨模式，打開電源，此時智能車靜止，把手掌放在智能車正前方30 cm 處，作為跟隨目標(biāo)，智能車前進(jìn)靠近手掌，當(dāng)手掌與智能車之間距離小于10 cm 時智能車停止；把手掌靠近智能車左側(cè)，智能車向左轉(zhuǎn)向，手掌靠近智能車右側(cè)，智能車向右轉(zhuǎn)向；將手掌保持與智能車20 cm 左右并且移動，智能車會靠近手掌運動，手掌向左前方移動時，智能車跟隨手掌往左前方運動，手掌向右前方移動時，智能車跟隨手掌往右前方運動，手掌停下，智能車靠近手掌并且距離在10 cm 左右時也停止。實驗表明，該麥克納姆輪智能車能夠?qū)崿F(xiàn)跟隨功能。

4 結(jié)語

本文設(shè)計一輛基于arduino 的麥克納姆輪智能車，采用安裝在車頭的舵機帶動超聲波模塊檢測智能車與左、前和右側(cè)障礙物之間距離，通過改變4 個麥克納姆輪轉(zhuǎn)向，使智能車避讓障礙物，實現(xiàn)避障功能；采用超聲波模塊測量與目標(biāo)物體之間的距離是否在設(shè)定的區(qū)間，以及左右兩側(cè)的紅外傳感器判斷目標(biāo)的左右位置，控制智能車準(zhǔn)確實現(xiàn)目標(biāo)的跟隨，并且完成了麥克納姆輪智能車的制作。實驗結(jié)果表明，該智能車運動靈活，穩(wěn)定可靠，能夠滿足功能要求，這將在智能倉儲搬運小車或智能跟隨行李箱等智能化產(chǎn)品領(lǐng)域有很大的發(fā)展應(yīng)用前景。