采用Arduino為核心控制的智能小車(chē)避障系統

發(fā)布時(shí)間:2015-6-10 11:54    發(fā)布者:designapp
人工智能技術(shù)是與多門(mén)基礎學(xué)科聯(lián)系緊密、相互促進(jìn)相互發(fā)展的前沿技術(shù),是集計算機、物理學(xué)、生理學(xué)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等于一體的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。人工智能技術(shù)的應用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛,除了傳統的工業(yè)領(lǐng)域,人工智能技術(shù)的應用也涉及到軍事、娛樂(lè )、服務(wù)、醫療等領(lǐng)域”。

隨著(zhù)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對機器人的要求也越來(lái)越高,機器人的智能化已成為當今的熱點(diǎn)。智能小車(chē)作為一種四輪驅動(dòng)的智能機器人,它行動(dòng)靈活、操作方便,車(chē)上可集成各種精密傳感器數據處理模塊,其避障功能保證了智能小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中行進(jìn)方向的自行調節,避免發(fā)生碰撞、碰擦,是智能小車(chē)的重要組成部分。目前,智能小車(chē)大多采用單個(gè)傳感器實(shí)現單面避障,但單面避障存在著(zhù)固有的缺陷,如:障礙物探測緩慢、避障成功率較低等。由此,設計了一種能全方位避障的智能小車(chē)系統,采用紅外單點(diǎn)避障與超聲波雙路避障相結合的模式,可實(shí)現多面自動(dòng)探測,并實(shí)現全方位避障,有效提高了避障的成功率和效率。

1 系統設計

設計的避障系統采用紅外單點(diǎn)避障與超聲波雙路避障相結合的模式,以實(shí)現對障礙物的全方位有效避障。為此,在小車(chē)前端中央設置一個(gè)紅外避障傳感器,用于探測小車(chē)前方障礙物,再在小車(chē)前端兩側設置左右兩個(gè)超聲波避障傳感器,他們分別探測小車(chē)前方左右兩側障礙物,有效的擴大了探測范圍,從而實(shí)現了小車(chē)的全方位避障。

本系統利用多模塊協(xié)調配合,使其具有較高自適應能力。硬件以需求為基礎,選擇了合適的模塊,總體模塊中包含:電源模塊,紅外傳感模塊,超聲波傳感模塊,電機驅動(dòng)模塊,Arduino模塊等。系統整體框圖如圖1所示。


圖1 系統硬件結構圖

1.1 Arduino模塊

設計中采用Arduino duemilanove作為核心控制模塊,Arduino是一款便捷靈活且十分方便上手的開(kāi)源電子原型平臺,能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境,通過(guò)燈光、電機和其他的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。

Arduino duemilanove包括以下幾個(gè)部分:一個(gè)9 V DC輸入,一個(gè)USB接口,14個(gè)數字IO口,6個(gè)模擬IO口,1個(gè)5 V DC輸出和一個(gè)3.3 V DC輸出。它的核心是一片Atmega 328單片機。

1.2 電機模塊

小車(chē)采用雙直流電機驅動(dòng)方式,通過(guò)控制左右兩個(gè)直流電機來(lái)控制小車(chē)轉動(dòng)轉向,電機模塊如圖2所示,直流電機采用直流電機驅動(dòng)芯片L298N。

L298N內部包含4通道邏輯驅動(dòng)電路,是一種二相和四相電機的專(zhuān)用驅動(dòng)器,即內含二個(gè)H橋的高電壓電流雙全橋式驅動(dòng)器,接收標準TTL邏輯電平信號,可驅動(dòng)46 V、2 A以下的電機,正好可以滿(mǎn)足小車(chē)的左右直流電機的驅動(dòng)要求。并且L289N具有過(guò)溫保護功能和較高的噪聲抑制比,故十分適用于智能小車(chē)中。


圖2 電機模塊

由于芯片L298N并沒(méi)有對電機轉速的控制方式,因此,通過(guò)Arduino程序控制調節驅動(dòng)電機的PWM信號,改變電機輸出功率,從而控制左右電機的轉速。  
        
1.3 超聲波傳感器模塊

超聲波模塊由發(fā)射電路和接收電路組成,如圖3所示。其中發(fā)射電路由Em78p153單片機、MAX232及超聲波發(fā)射頭T40等組成,接收電路由TL074運算放大器及超聲波接收器R40等組成。


圖3 超聲波傳感器

探測時(shí),超聲波發(fā)射器發(fā)射出長(cháng)約6 mm,頻率為40 kHz的超聲波信號。此信號被物體反射回來(lái)由超聲波接收器接收,接收器實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生mV級的微弱電壓信號,電壓信號再在核心控制模塊中轉換為數字信號。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t,超聲波在空氣中的傳播速度為c,則從傳感器到目標物體的距離D可用D=ct/2求出。

1.4 紅外傳感器模塊

紅外測距模塊采用夏普GP2YOA21紅外測距傳感器,夏普GP2YOA21型紅外測距傳感器是基于位置敏感傳感器PSD(Position Sensitive Device)的微距傳感器,捕捉的是光信號并且有著(zhù)基于Lucovusky方程的電路設計,其有效的測量距離為80 cm。

紅外測距其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)盲區、測量精度高、反應速度快,但其缺點(diǎn)受環(huán)境影響較大、探測距離較近。因此本文設計了基于多傳感器信息融合的智能小車(chē)避障系統,采用紅外傳感器與超聲波傳感器互補,使機器人具有精確的感測范圍。
        
2 算法分析

針對單傳感器避障系統中存在的缺點(diǎn),本文提出了多傳感器協(xié)調合作方案,通過(guò)超聲波傳感器和紅外傳感器的配合,擴大了探測范圍以及靈敏性,從而避免了誤撞和緊貼障礙物的危險,提高了避障機率,實(shí)現了全方位避障。

2.1 流程設計

全方位避障小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中,各傳感器不斷檢測小車(chē)周?chē)欠裼姓系K物。當有傳感器檢測到障礙物時(shí),通過(guò)判斷檢測到障礙物的傳感器的數量,來(lái)實(shí)現小車(chē)全方位自動(dòng)避障:?jiǎn)蝹鞲衅鳈z測到障礙物時(shí),小車(chē)遠離檢測到障礙物方向;兩個(gè)傳感器檢測到障礙物時(shí),小車(chē)向未檢測到障礙物方向轉向;所有傳感器都檢測到障礙物時(shí),小車(chē)急速左轉避開(kāi)障礙物。當小車(chē)避開(kāi)障礙物后,小車(chē)繼續行進(jìn)。流程圖如圖4所示。


圖4 程序流程圖

2.2 避障代碼

根據以上避障原理,編寫(xiě)相應的程序,以實(shí)現小車(chē)的全面避障,程序主要分電機、超聲波和紅外測距三部分。電機部分由analogWrite()、digitalWrite()分別控制車(chē)速和小車(chē)前進(jìn)、后退或轉向;超聲波測距部分由Trig.Pin控制超聲波輸入,由EchoPin控制超聲波輸出,控制模塊通過(guò)對接收到的脈沖波時(shí)間進(jìn)行處理,轉化為距離參數,從而獲得距離Middle_distance;紅外測距部分由控制模塊通過(guò)紅外傳感器獲得一個(gè)模擬量analo.gRead(),通過(guò)輸出的模擬量可以推算出電壓值volts,而輸出電壓和探測距離關(guān)系為distance:65*pow(volts,-1.10),從而可獲得小車(chē)與障礙物的距離。

3 實(shí)驗研究

智能車(chē)在進(jìn)行了器件選型和確定控制算法后,為了驗證系統的性能,進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

實(shí)驗中選用一塊放著(zhù)多種障礙物的平地,障礙物分兩大種:一種是規則的障礙物,如正方體、圓柱等。另一種為不規則障礙物。實(shí)驗時(shí),智能避障小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中不斷探測前方周?chē)欠裼姓系K物,當存在障礙物時(shí)候,判斷出相應障礙物位置,并進(jìn)行相應動(dòng)作。

為了有效驗證智能小車(chē)避障成功率,通過(guò)改變障礙物形狀來(lái)對小車(chē)進(jìn)行性能測試,結果如圖5所示。其中測試小車(chē)100次,并統計出單面避障和全方位避障成功通過(guò)不同障礙環(huán)境的次數,障礙環(huán)境由總數為100的規則障礙物和不規則障礙物組成。由圖5可見(jiàn),普通的單面避障方法有著(zhù)較低的成功通過(guò)率,而本文所提出的全方位避障方法則受此影響不大,有著(zhù)較高的通過(guò)率。


圖5 單面避障與全方位避障成功率對比

4 結論

設計的基于A(yíng)rduino的智能小車(chē)避障系統,采用了單紅外和雙超聲波避障方式,使小車(chē)在行車(chē)過(guò)程中對障礙物的探測更加精確。實(shí)驗結果表明,設計的全方位避障系統較大地提高了避障的效率和成功率,可有效地實(shí)現全方位避障。
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