基于Arduino的智能避障自动导引车设计

工作，这也极大地方便于人们的工业生产以及生活运输管理。避障是AGV小车中一项很关键的技术，因为它的正常运行才能避免小车与其他东西碰撞与摩擦以至于防止小车的损坏。目前，AGV小车大多采用单个传感器实现单面避障，但单面避障存在着固有的缺陷，如：障碍物探测缓慢、避障成功率较低等。因此，本文提出了一种基于Arduino的智能避障自动导引车设计方案。

2 硬件结构设计

2.1 传感器模块

目前用于避障的传感器大多使用红外传感器以及超声波传感器两类。但由于红外传感器受光照环境影响较大，检测距离长短也会因光源变化而受到限制，而超声波模块受环境影响相对较小，适应性更强，因此在本方案中采用超声波传感器来实现测距避障的功能。

超声波是指频率高于20KHz的机械波，通常依靠空气这种广泛存在的介质进行传播，通过测算发出超声波到接收回波的时间以及接收超声波的强弱，可以对障碍物距离以及其物理形态进行判断。

在本实验中，小车上安装了US-100超声波模块。该模块可以实现0-4.5m的非接触测距，可以满足测距避障这个功能。

2.2 控制系统

小车的控制核心是由Arduino Mega2560及其相關电路组成。Ardumo价格便宜，它的一些电子电路及底层驱动库已经被写进了一个个模块当中，因此人们不需要懂得太复杂的编程，只要懂得一些简单的逻辑关系便可以很好地使用它。在Mega2560单片机板上分配有多路数字信号输入输出口和模拟信号输入口，可以实现对各种信号进行采集与分析并做出反应，亦可接入外设完成一系列复杂的功能。Arduino类单片机操作方便，程序编写简洁，采用Arduino IDE软件可以在电脑上实现快速编译、下载、调试、维护等步骤。

2.3 动力模块

小车采用了四轮架构，保证了运载物体时的平稳，其中车子前面两个轮子均为万向球，后面两个轮子均为动力轮。为了小车具备有一定的载重能力与驱动能力，两个后轮的驱动电机采用了直流电压12V的大功率直流减速电机。这种电机具有较大的力矩，可以带动比较沉重的货物，通过控制这两个动力轮具备不同的速度，产生一定的速度差，便可以利用差速改变小车的方向，从而实现小车检测到障碍物后换向的功能，如图1所示。差速转向的方法简化了小车的机械结构，使小车可以稳定转弯，保证了货物在小车改变方向时不会轻易倾斜或掉落。同时小车使用了7500mAh容量，输出为12V的可充电锂离子电池作为动力来源，保证了小车工作的耐久性和可持续性。

2.4 电机驱动模块

小车的电机驱动控制模块在本设计中用了一个直流电机调速模块来代替。该模块电路上面有继电器与电位器，它不仅可以用芯片的弱电信号来控制继电器的开或关进而控制电机的启停与正反转，也可以通过改变电位器阻值的大小来控制小车电机转速，从而实现了对电机驱动和速度的控制。

3 系统程序设计

当电源开关开启后，小车的超声波模块便开始检测前方有无障碍物，然后引导控制小车的启停。当检测到前方有障碍物时，小车根据障碍物在不同方向上的距离作出不同的避障运动方式。

3.1 检测方式

小车避障的检测方式采用超声波探察障碍物的方式。US-100超声波模块具有两种触发模式，在本设计中选择了电平触发模式。在一段大于1Ous的高电平输入后，超声波模块的发射探头循环发出了8个40KHZ的超声波脉冲，然后接收探头开始检测回波信号，在检测到回波信号后，该模块对温度值也进行了一次测量，并通过测量到的温度值对测距结果进行校正。接着，根据声音在空气中的传播速度以及超声波接收到高电平的持续时间，便可以计算超声波模块与障碍物间的距离。最后控制系统通过分析这个距离，检测了小车是否需要避障。

3.2 避障方式

小车的避障方式与超声波在一定距离探察到的障碍物位置方向有关系。在本设计中，小车上搭载了三个超声波传感器，它们分别安装在小车的前端左侧，小车前端中央以及小车的前端右侧下，如图2所示。这种设计实现了对前方障碍物的全面探测，扩大了探测范围，确保小车在多种情况下都能够探察到障碍物并实现避障的功能。

小车的程序框图设计与避障方式如图3所示。当开启小车电源开关后，小车前端的超声波传感器轮流检测一遍前方障碍物的距离，然后通过控制系统分析得到的数据。若前方障碍物离超声波模块的距离小于一定数值时，在程序上判定在该传感器前方检测到存在障碍物。每个超声波传感器的探测均会有探查到障碍物和未探查到障碍物两种情况，因此实际上小车遇到障碍物不同的情况会有八种。在其中，有些情况处理的避障方式是一样的。比如，只有左侧探测到障碍物与只有左侧和中央探测到障碍物可以归为一类，小车遇到这类情况会右转;只有右侧探测到障碍物与只有右侧和中央探测到障碍物可以归为一类，小车遇到这类情况会左转;只有左侧和右侧探测到障碍物与左中右三向同时探测到障碍物又可以归为一类，小车遇到这类情况会后退。若只有中央的传感器检测到障碍物时，控制系统会将前端左右两侧超声波传感器探测到障碍物的距离进行大小比较，然后根据结果执行相应的避障方式一一左转、右转或停止。

通过实验，本文提出的小车设计能够在承载约50kg的情况下顺利地避开障碍物前行，在狭隘过不去的窄道后退，在无路可走时停止，那么也就证实了这个智能避障小车设计能够完成安全稳定避障的功能，可以用于代替传统的货物搬运，减少人力财力的耗费，方便人们的工作与生活。

3 结束语

自动导引车是集机械制造、电子传感器、单片机控制等多种先进工艺技术于一体的自动化、智能化产品。最近几年，随着工业4.0概念的深入人心，在自动化方向，各种智能产品如雨后春笋般崛起。在瞬息万变的研究中，自动导引车的发展将逐步迈向成熟，一种更加高效、更加自动化的AGV将会因避障技术的成熟，行驶安全得到保障而逐步在人类的生产与生活中发挥出巨大的作用。

参考文献

[1]戈惠梅，徐晓慧，顾志华等.基于Arduino的智能小车避障系统的设计[J].现代电子技术，2014，v. 37; No. 418 （11）： 118-12 0.

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