超声波智能避障小车的设计与研究

2022-09-10

一、问题的提出

近年来, 智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力, 很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。美国电气和电子工程师协会 (IEEE) 预测, 本世纪中叶前, 无人驾驶汽车将占据全球汽车保有量的75%, 汽车交通系统概念将迎来变革, 交通规则、基础设施都将随着无人驾驶汽车的出现而发生剧变, 智能汽车可能颠覆当前的汽车交通运输产业运作模式。智能型小车是能感应周边环境, 做出反应, 从而自动前进的一体化系统, 智能避障小车是最基本的研究方向。

二、设计思路

课题所用材料是探索者系列的试验箱, 选择了一款基于Arduino的Basra主控板, 通过对方案的选取, 以及对硬件方面和软件方面的结合来实现小车的避障功能。设计是利用带超声波传感器, 以及一个舵机控制器, 再加上一个近红外传感器, 超声波检测到障碍物时停止下来, 舵机控制超声波进行左右旋转, 当左边比右边空旷时向左转, 当右边比左边空旷就进行右转。如果没有检测到障碍物就继续前进。加上一个近红外传感器放在小车的下面, 因为超声波传感器只能感应到高的障碍物, 所以用红外检测低的障碍物, 从而来实现智能控制, 达到所需要的目的。课题主要是设计一款能实现自动避障功能的小车。由一个单片机做为核心模块, 采用直流电机PWM做为驱动模块, 驱动小车前进以及左右转向[3]。前轮采用一个万向轮, 后轮采用两个直流电机来做为驱动, 测量距离、感应障碍物由超声波和近红外传感器来完成。另外再加了一个标准舵机来完成超声波的转向。最后通过由Basra控制单元来处理数据之后通过编程代码将它们各个模块都有秩序的连接在一起并完成各项工作。根据设计所要完成的任务, 系统以Basra单片机为核心控制器, 再由超声波传感器、近红外传感器、电源、直流电机以及驱动模块组成。

三、避障模块比较与选择

方案一:利用超声波传感器完成避障, 通过在车头装上一个舵机来控制超声波传感器左右进行转动。因为超声波低的障碍物检测不到, 所以在它下方加个近红外传感器能检测到低的障碍物。而且超声波感应距离比较远, 也不容易被周边的电磁波、光线来影响。主要的模块包含超声波发射器、近红外传感器与控制电路, 并且配上一个标准舵机进行180度旋转进行前方、左右方检测。它通过超声波在前方不断的发射脉冲或者下面近红外传感器接收反射光线, 通过对距离以及时间的分析计算, 从而来实现超声波红智能避障功能。方案二:采用两个近红外进行左右避障, 它是通过发射并接收反射的红外信号来进行判断, 它的有效距离在20CM以内。它是依据光具有反射的基本特性。所以当小车两侧的红外发射光线碰到东西, 它会成为一个光的反射, 从而接收到光线, 然后发送信号到主控制板, 主控板继续处理反馈控制两台电机完成小车避障任务。综合上述所说的方案考虑到只是运用在日常生活中, 并且超声波的感应距离比红外的要远, 而且超声波传感器不容易受到干扰, 最后采用了方案一。

四、整体框图

设计采用基于Arduino的Basra主板来进行智能控制, 采用后两轮进行驱动, 前面加上一个万向轮, 通过改变舵机的脉宽值来达到转向的目的, 将超声波传感器装在小车的前面舵机上面, 近红外传感器放在小车前方下面, 当超声波传感器检测到障碍物时小车就停止下来, 舵机左右旋转进行判定周围是否有障碍物, 将所得信息传送到主控芯片, 主控芯片进行分析处理并发出信号控制小车完成小车的转向, 如果超声波没有检测到周边有障碍物, 继续前进红外继续感应低的障碍物, 如果感应到前方有障碍物, 直接后退左转, 因而完成躲避障碍物。

五、软件设计

在编程中, 采用了C语言进行编程[6], 主要的思路是:小车接通电源, 电机转动, 超声波传感器和近红外传感器工作, 在前进的过程中感应到障碍物, 测量前方障碍物距离, 如果距离小于32cm, 此时超声波进行左右探测, 如果左右两边都有障碍物并且都小于35cm, 就旋转掉头, 否则如果左边比右边空旷, 那么小车进行左转;否则则进行右转。之后再继续前进。如果距离障碍物大于32cm, 此时近红外感应到障碍物, 有的话直接后退左转, 没有继续前进。在设计中, 使用了Arduino IDE来进行程序的编译, Arduino它是一种类C的语言, 界面也比较简洁。

六、测试与结论

设计是采取一块基于Arduino的开发板, 在硬件上选用了一个超声波传感器和一个近红外传感器, 以及一个标准舵机来实现超声波左右进行旋转, 来感应并测量小车前方障碍物以及左右两边的障碍物, 测量与感应迅速、准确。调试也比较方便, 并且采用了一块蓄电池来作为供电使系统的稳定性更加增强。之后还利用了PWM来进行调速, 这使得在刚开始没有加入这项技术之前小车速度总是不能很好的控制, 出现速度过快, 传感器还没反应来就直接撞上障碍物上, 加入之后通过调节小车两边电机的转速, 很好的解决了这个问题。在软件上, 系统灵活反应, 通过编写好的程序, 使得小车能完美实现前进, 躲避障碍物功能。之后经过不断的调试, 使得这个方案正确、可行。但是超声波在测量前方、左边和右边障碍物时, 可能因为障碍物不平整而一些误差, 以及一些旁边的光线, 亮度来影响近红外, 如果能加上触须传感器那么就能更稳定的感应障碍物。

摘要：超声波智能避障小车是基于Arduino开发板的设计, 为了实现避障功能, 分别设计了两个方案。方案一是利用了左、右两个近红外传感器来感应障碍物, 工作时将发射红外信号进行检测, 当检测到障碍物时将得到的障碍物信号传送给控制模块, 由控制模块发出指令, 实现相应转向;方案二是使用超声波传感器来检测前方障碍物, 再加上一个舵机来控制超声波传感器进行左右检测, 工作时由于超声波传感器检测不到低的障碍物, 所以再使用一个近红外传感器来检测低的障碍物, 把信息传递到单片机, 由单片机处理发出指令, 实现相应的转向;最后通过综合比较选择了方案二来完成设计。小车采取一个前轮万向轮, 后轮选用两个直流电机控制, 而且还使用PWM系统, 以调整速度。通过对系统软件硬件设计, 来实现避障功能。

关键词：智能避障,超声波,Arduino