兵工自动化 ・７４・ ２０１５．Ｏ５ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ３４（５） 基于Ａｒｄｕｉｎｏ的智能小车的控制系统设计 赵建伟 ，班 钰 ，王 义 ，王 朝 ，王富勇 ，谢广明 （１．中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院矿山机器人中心实验室，北京１０００８３；２．北京大学工学院，北京１００８７１） 摘要：为进一步提高智能小车的性能，设计一种基于Ａｒｄｕｉｎｏ的智能小车的控制系统。该系统硬件部分由６个 模块组成，并对各模块的核心控制板和关键模块进行对比和选择；软件部分采用手机端的应用程序进行控制，实现 了人体感知、自主避障和人机交互等功能。分析结果表明：该系统开发成本低、易于推广、适用于教育、家庭等多 种场合。 关键词：Ａｒｄｕｉｎｏ；人体感知；自主避障；人机交互 中图分类号：ＴＰ２４２．６ 文献标志码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃａｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｒｄｕｉｎｏ Ｚｈａｏ Ｊｉａｎｗｅｉ ，Ｂａｎ Ｙｕ ，Ｗａｎｇ Ｙｉ ，Ｗａｎｇ Ｚｈａｏ ，Ｗａｎｇ Ｆｕｙｏｎｇ ，Ｘｉｅ Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ （Ｔｈｅ Ｒｏｂｏｔ Ｃｅｎｔｅｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆＭｉｏｎｅ，Ｓｃｈｏｏｌ ｆＭｅｃｈａｎｉｏｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＭｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ ｌ０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｆＥｎｇｉｏｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｒ，ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｒｄｕｉｎｏ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｓｉｘ ｍｏｄｕｌｅｓ，ｃｏｍｐａｒｅ ａｎｄ ｃｈｏｏｓｅ ｅａｃｈ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｏａｒｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｋｅｙ ｍｏｄｕｌｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐａｒｔ ｂｙ ｍｏｂｉｌｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｎｄ ｈｕｍａｎ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ａｎｄ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍａｎｙ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ｆａｍｉｌｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｒｄｕｉｎｏ；ｈｕｍａｎ ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ；ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ；ｈｕｍａｎ．ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｏ 引言 机器人技术的诞生和发展，使人类的双手从一 部分繁重的劳动中解脱出来，极大地促进了人类社 块：单片机控制模块、电源管理模块、电机驱动模 块、避障模块、人体红外感应模块及点阵模块、舵 机模块。系统工作时，上位机通过ＷｉＦｉ模块发送命 令至主控制板、主控制板分析指令进而选择进入自 会的发展。目前世界各国高校和研究所都在进行机 器人研究、开发和生产，已经形成了比较大的规模， 比如仿生类人形机器人、多机构自由度机器人、救 火机器人、医用机器人、工业生产机器人等。作为 科技人才培养基地的高校，也越来越重视机器人技 术人才的培养¨】。智能小车，即轮式机器人，是移 动机器人的一种。作为一门新兴的综合技术，智能 小车容涵盖机械、汽车、电子、自动控制、计算机 和传感技术等多个学科的知识领域，可广泛地应用 于工厂自动料车、固定场地搬运车等技术领域，也 可应用于复杂、恶劣的工作环境，具有良好的民用 和军用应用前景 Ｊ。笔者设计一种基于Ａｒｄｕｉｎｏ的 智能小车控制系统，可以实现自主运动、智能避障、 探测到该车前方有人时向其招手眨眼睛等功能。笔 主运动模式或者遥控模式。在自主模式中，单片机 主控制模块通过避障模块反馈的数据来判断前方是 否有障碍物，进而决定小车直行或者转弯，实现简 单环境下的避障自主运动。同时，当人体红外感应 模块感应都前方有人时，副控制板控制小车向人招 手、眨眼睛。系统架构框图如图１所示。 孺 ＿ｌ＿———］ 堡塾 垒皇堡 — 雨ｉ 电源模块针板 卜叫电机驱动板ｌｌ无线ＷｉＦｉ 直流电机¨上位机 图１ 系统架构框图 者对电机和舵机的一些控制参数进行调试，通过试 验进一步提高小车的性能，取得了良好的效果。 ２硬件系统 ２．１ 单片机控制模块 Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ２５６０使用２５６ＫＢ程序存储器的 ＡＴｍｅｇａ２５６０ 引，具有５４路数字输入输出，适合需 ｌ 系统总体架构设计 智能小车控制系统按功能来分主要包括６个模 收稿日期：２０１５－０３—１２；修回日期：２０１５－０４—２７ 基金项目：中国博士后科学基金（２０１２Ｍ５１０４２４）；高校基金科研业务费专项基金项目（８０００１５ＦＨ） 作者简介：赵建伟（１９７９一），男，内蒙古人，博士后，硕士生导师，从事机器人技术研究。 第５期 赵建伟等：基于Ａｒｄｕｉｎｏ的智能小车的控制系统设计 ・７５・ 要大量Ｉ／Ｏ接口的设计。同时具有５４路数字输入／ 输出口（其中ｌ６路可作为ＰＷＭ输出），１６路模拟 输入，４路ＵＡＲＴ接口，一个１６ ＭＨｚ晶体振荡器， 能满足智能小车对控制芯片的要求。笔者采用２块 Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０单片机，其中一片与ＷｉＦｉ模块、 电机驱动模块相连的构成主控制芯片，主要用于控 制机器人运动；另一片与舵机模块、点阵模块、红 外人体感应芯片相连构成副控制芯片，在红外人体 感应芯片感应到前方有人时，副控制芯片控制舵机 转动以达到摆手臂的效果，控制８ｘ８点阵模块以达 到眨眼睛的效果，增加了智能小车的趣味性和人机 交互体验。 ２．２ 电源管理模块 可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行 的基础。电源管理模块为系统其他各个模块提供可 靠的工作电压和能量。笔者采用锂电池组进行供电， 选用航模锂电Ａ Ｃ Ｅ格式电池４ Ｓ（１ ４．８ Ｖ ２ ６００ ｍＡｈ），其持续放电倍率有２５Ｃ，５Ｃ快速充电， 具有高倍率、安全、绿色环保等特点。因为机器人 各模块所需供电电压存在差异，需要用到直流降压 模块。ＬＭ２５９６ＤＣ模块是一种可调降压型的电源管 理单片集成电路，该模块内部集成频率补偿和固定 频率发生器，采用１５０ ｋＨｚ的内部振荡频率，属于 第二代开关电压调节器，功耗小、效率高，具有过 热保护和限流保护功能。电压输入范围为直流３～ ４０ ｖ，在输入电压比输出电压高出１．５ Ｖ以上时， 输出电压调节范围为１．５～３５ Ｖ，能够输出３ Ａ的驱 动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，故 笔者采用ＬＭ２５９６ＤＣ—ＤＣ模块。为保证各模块正常 工作，电源管理模块对舵机、８ｘ８点阵模块等实行 供电。 ２．３ 电机驱动模块 速度是智能小车的重要指标之一，小车靠直流 电机驱动向前行驶，因此智能小车性能的优劣关键 在于对电机转速的控制【４】。若智能小车想要获得较 好的控制效果，就需要对电机转速进行闭环控制， 采集小车的速度信息并反馈给控制器。笔者使用 Ｎｅｕｒｏｎｓ智能ＰＩＤ电机驱动模块，其自带的控制器 可以进行ＰＩＤ运算、梯形图控制，由板上的Ｌ２９８Ｎ 来进行直流电机驱动的智能模块，是一个驱动＋闭 环控制的模块。与其他电机驱动模块相比，本智能 模块包含了电机的驱动和智能控制。当要求小车往 前行进一定距离时，相比普通的开环驱动板，本模 块配合带有编码器的直流电机能通过ＰＩＤ更为准确 地控制电机行进的距离。当控制板给定前行速度时， 此驱动模块通过输出相应脉宽调制ＰＷＭ电平来控 制电动机的电枢电压，以此来实现调速功能。 直流电机采用的是德国冯哈勃Ｆａｕｌｈａｂｅｒ空心 杯减速电机２３４２Ｌ０１２，该电机自带光电式编码器， 采用减速比为６４：１的全金属精密行星减速箱，额定 电压１２ Ｖ，输出功率１７ Ｗ，输出扭矩达到１．７２ Ｎ・ｍ， 性能优越，能满足本小车对电机性能的要求。 ２．４避障模块 红外测距传感器是用红外线为介质的测量系 统，其具有一对红外信号发射与接收二极管，利用 的红外测距传感器ＬＤＭ３０１发射出一束红外光，在 照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器 后接收信号，然后利用ＣＣＤ图像处理接收发射与 接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出 物体的距离【５】。利用这个原理，笔者使用红外传感 器实现小车测距功能，选用ＧＰ２Ｄ１２夏普红外测距 传感器，其性价比高，功耗小，体积小，测距效果 好，可测量射程范围为１０～８０ ｃｍ。 传感器单元是一个自动控制系统不可或缺的部 分，只有传感器将外界信息采集并反馈给控制器， 控制器才能进行相应的决策和控制【６】。在本小车车 体的左前方、右前方、左方、右方、左后方、右后 方各装有此红外测距传感器，６个红外测距传感器 将采集到的前方道路信息反馈至控制器，控制器接 收到这些信息后对小车的行驶速度和方向进行控 制，可以很好地实现小车的测距避障功能。 ２．５ 人体红外感应模块及点阵模块 笔者采用的人体红外感应模块为ＨＣ－ＳＲ５０１。 ＨＣ—ＳＲ５０１人体感应模块是一种能检测人或动物发 射的红外线而输出电信号的传感器，传感器加上菲 涅尔透镜后，其检测距离会由２ ｍ增加至７ ｍ。其 灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模 式，广泛应用于各类自动感应电器设备。在本小车 车体的前方，左方和有方分别装有此人体感应模块， 当模块探测范围内有人移动使，模块向副控制板输 出高电平，副控制板检测到后，控制舵机转动以达 到摆手的效果、控制点阵模块使其产生眨眼睛的效 果，增加智能小车的趣味性。 ２．６舵机模块 舵机也叫伺服马达，适用于角度需要不断变化
