高志强 代云凯 赵海茹 杨超 党增杰 王翠芬 左楠楠

摘要：智能探路小车是集环境条件收集、环境因素判断、远程控制，可实现实物采样、环境分析、智能避障、科学勘探、恶劣环境工作等功能。在系统设计方面，以arduino为控制核心，以超声波传感器检测前方障碍物，从而自动避障，我们研究的智能探路小车在原有的探路小车基础进行改造，设计远程操控、环境分析、采集集一体的智能探路小车模型，以达到对局部地形更深入的了解。随着电子工业的发展，智能技术广泛应用于各个领域，也越来越受到人们的喜爱。

关键词：arduino;智能探路小车;实物采样;自动避障

1  概述

21世纪以来，电机一体化在现代工业技术发展中越来越重要。智能化也成为了社会发展潮流，也可以说是以后的发展方向，各种智能设备参差不齐，表现出了智能化、集成化、小型化、追求的是高精度、高效率、低成本。如今，计算机、信息、数据库、图形可视化等技术的发展，我们已经拥有海量的地质地形的知识，但这只能对该地形大概的理解，局部勘测仍然存在很大的隐患。局部勘测包括智能和人工探测，而人工勘测不仅进度缓慢，而且存在极大的危险。我们研究的智能探路小车在原有的探路小车基础进行改造，设计远程操控、环境分析、采集等功能集一体的智能探路小车模型，以达到对局部地形更深入的了解。

1.1 课题背景

自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、字航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想。

智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽午电子、电气、计算机、机械等多个学科。它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPU。

现智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障、检测贴片，寻光入库、避崖等基本功能，有向声控系统发展的趋势。

1.2 主要内容

智能探路小车的结构如图1所示。该系统以arduino为核心，以红外线传感器、距离传感器和摄像头作为输入。红外线传感用于小车寻迹，距离传感器收集周围环境的距离信息使小车保持一定距离用于避撞和防撞，摄像头用于收集周围的环境信息并传输实时情况;电机驱动1用于驱动小车前进后退转弯提供足够的动力。另外，远程控制端能够通过arduino协调各输入输出工作。

1.3 研究意义

智能小车是现代工业技术发展的产物，作用范围较广，可根据不同的环境，不同要求搭载不同处理模块，实现代替人工操作，应对危机时刻，并且随着军事技术逐渐走向信息化，智能化的发展，智能小车在军事领域逐渐显现出了重要的应用价值，在物流方面，智能小车代替了人工劳动力，提高了工作效率。智能设备之间的实时通信，任务执行，可以降低劳动强度，提高工人劳动生产率，节能降耗。同时该项目研究的智能探路小车能在未知且危险系数高的环境下工作，如地形复杂、容易坍塌，高温高湿、空气质量差等极限环境，能代替人工做环境和地质分析、样品采集等工作并能有效的探测危险，提前对危险做好防范，减少施工时的危险系数。

2  智能小车的主体模块

2.1 舵机结构及工作原理

2.1.1 舵机结构

舵机的外观结构和内部结构如图2所示，其内部结构主要是由直流电动机、减速此轮组、传感器和控制电路组。

2.1.2 工作原理

当控制信号通过信号线传给控制电路板，控制板驱动直流电机转动，接着直流电动机带动与电机相连的此轮组，最后减速传动给外面的舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。

舵机的控制信号是PWM信号，是依据占空比的变化的大小来控制舵机转动角度的大小，从而确定停止的位置或者方向。

对于转动角度为180度的舵机来说，舵机输出转角与输出脉冲关系如表1所示。其表现出的是一种线性变化。每个厂家生产的舵机外观各式各样的，但其舵机的基本结构和原理都是相似的，外接有三根线，这三根线分别表示地线（GND）、正极线（VS）和信号线（S），其对应的颜色分别是黑色、红色和橙黄色。其使用的电压源也不一样，对于舵机的转矩和输出的力矩同样也是各不相同的对使用的电压值不一样，使得输出的力矩也就不一样，当然具体看应用条件。舵机线头如图3所示。

2.2 GT-38通讯模块性能分析

2.2.1 GT-38通讯模块概述及特点

①概述。

GT-38无线串口通信模块是新一代的多通道嵌入式无线数传模块。无线工作频段为433-458.5MHz，可設置多个频道，步进是100kHz，总共设有255个频道。模块最大发射功率为 100mW（20dBm），5000bps 空中波特率下接收灵敏度-116dBm，开阔地可达到1200 米的通信距离。

②特点。

远距离无线传输;工作频率范围在433-458.5MHz，多达255个通信频道;体积较小，价格便宜;内置 MCU，可以通过串口和外部设备进行通信;一次发送的字节个数长达256字节;模块支持多种方式连接透传。

③基本参数。

GT-38基本参数如表2所示。

2.2.2 GT-38引脚说明

GT-38的引脚说明及实物图如表3所示。

2.3 GT-U7 GPS模块性能分析

2.3.1 GT-U7 GPS模块引脚说明

GT-38的引脚说明如表4所示。

连接图和实物图图4所示。

模块 PPS脚接了红色 LED灯。

常亮：正常工作，但未定位;闪烁：定位成功。

2.3.2 GT-U7 GPS模块GPS数据解析

样例数据：$GPRMC，161229.48，A，3723.24757，N，12158.34167，W，0.13，309.62，120598，，*10

样例数据分析如表5所示。

2.4 BT-06蓝牙模块性能分析

2.4.1 BT-06蓝牙模块的特点

本模块支持UART接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。

2.4.2 BT-06蓝牙模块引脚及分压电路设计

BT-06蓝牙模块引脚及分压电路设计如表6、图5所示。

如图5所示VCC接电源（3.3V-6V），GND接地端，TX接Arduino nano的RX，两者之间可以互相通讯和传输数据，并且无丢失（也叫透明传输）。

3  智能小车的创新模块

3.1 智能避障

智能避障模块主要利用arduino的定时、计数器。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s=340×t/2，在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时arduino系统先给发射电路提供脉冲信号，arduino计数器处于等待状态，不计数;当信号发射一段时间后，由arduino发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。小车检测前方是否有障碍物，如果没有继续前进，有障碍物看是否达到避障条件。需要转弯避障时，先让小车停下检测左右两边的距离，哪边距离小就转向哪边。

3.2 中长距离控制

以GPRS网络连接小车与控制端，发送小车所处状态情况的传感器数据，借助手机、计算机进行人工指令终端控制。小车感应模块的数据通过网络传到人工控制中心，通过实时记录进行数据保存，在发现障碍物无法清除、小车无法工作时发出警报，由人工处理。

4  智能小车的大脑

Arduino平台特点：

①在应用方面，该通过与不同传感器连接和通信，可以让传感器在环境中进行相关数据的采集和相关数据的监测，人们可以更好的进行数据的分析，做出相应的对策;同时，它还可以连接许多无线传输模块（如蓝牙，摄像头，WiFi等）。

②该平台中的原始码、电路图、程序开发界面，都可以供人们免费的使用的下载，也可以根据自己的要求修改;当然，如果觉得官方的电路图太复杂或者是在自己的设计中有些功能是不需要的话，自己可以将其进行简化和更改，设计出自己需要的微处理器。（图6）

③对于初学者来说也是很容易的，使用各种各样的电子元件进行简单的连接就可以完成相应的设计。另外，程序的編写没有C语言复杂;支持不同类型的互动程序，该控制板相对其他的控制板要便宜，自身的结构简单不复杂，功能强大;可提供9VDC电源输入以及多样化的Arduino扩展模块。

参考文献：

[1]王川伟.煤矿救援探路小车虚拟样机设计[D].西安：西安科技大学，2012.

[2]李永华，高英，陈青云.Arduino软硬件协同设计实战指南[M].北京：清华大学出版社，2015.

[3]李永华，王思野，高英.Arduino实战指南[M].北京：清华大学出版社，2016年10月.