基于Arduino的烟叶仓库自动避障智能小车的研究

杨 氟， 张天顺*， 鲁绍坤， 李正风， 罗丽琼， 田 程，纪 霖

(1.云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201；2.云南农业大学基础与信息工程学院，云南昆明 650201；3.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明 650231)



基于Arduino的烟叶仓库自动避障智能小车的研究

杨 氟1， 张天顺1*， 鲁绍坤2， 李正风3， 罗丽琼1， 田 程2，纪 霖1

(1.云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201；2.云南农业大学基础与信息工程学院，云南昆明 650201；3.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明 650231)

摘要使用Arduino及其扩展版，结合超声波传感器实现了小车在烟仓里自动避障，从而为下一步的烟叶霉变智能检测打下基础。通过对烟仓环境的实地考察分析，设计并制作出相应的硬件和软件。实际测试了智能小车的各个功能，结果表明智能小车能够利用超声波传感器来获得障碍物信息，经过自处理，调用程序自动控制云台旋转，采用差速方式控制电机转速及方向，从而成功实现智能小车自主避障功能。

关键词Arduino；智能小车；烟仓；避障系统；舵机；超声波传感器

Research of the Automatic Obstacle Avoidance Intelligent Car Used for Tobacco Warehouse Based on the Arduino

YANG Fu1, ZHANG Tian-shun1*, LU Shao-kun2et al(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201; 2.College of Basic Science and Information Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Abstract The paper uses the Arduino and extended edition, combined with ultrasonic sensor to achieve the car in the tobacco barn automatic obstacle avoidance to prepare for the next step of intelligent detection.Through the analysis of the on-the-spot investigation to the tobacco warehouse environment, then to design and make the corresponding hardware and software.Actual testing the various functions of intelligent car, and the experimental results show that the intelligent car can use ultrasonic sensors for obstacle information, through the processing, automatic control yun-tai rotation, and then use differential method to control the motor speed and direction, thus to achieve intelligent car autonomous obstacle avoidance function.

Key words Arduino;Ssmart car; Tobacco warehouse; Obstacle avoidance system; Steering gear; Ultrasonic sensor

中国贮烟和卷烟制品每年因霉变造成的损失相当惊人，达到烟草商品总额的1%~3%，每年因烟叶霉变造成的损失达70亿元左右[1-4]。在卷烟加工生产之前由于工艺的需求，烟叶需要进行周期长达1～2年的贮存醇化过程。在长期的贮存过程中，富含蛋白质的烟叶极易发生霉变，使烟叶品质降低或完全失去使用价值。2002 年我国加入WTO后，贮烟逐渐由片烟替代把烟，贮烟霉变问题更加突出，开始引起人们的重视，相关研究报道逐渐增多[5]。为了避免烟叶醇化过程中的霉变问题，需要对烟仓烟包进行检测。面对烟仓大量烟包，现今若用人工去检测，成本会很高，所以将会给烟仓引入智能机器人来代替人工去完成检测烟叶是否发生霉变的繁重任务。烟仓里的智能化程度也是烟草行业步入现代化的一个重要标志。该文运用基于Arduino及其扩展板研究设计一个用来代替劳动力在烟库里完成烟叶霉变检测任务的避障智能小车的避障系统。

1系统设计

自主避障小车采用高强度铝合金材料底盘[6-7]。4个轮子是由4个直流电机控制的橡胶轮胎。橡胶轮胎不但具有高弹性，高硬度和高强度，且耐磨性能卓越，还具有较高的机械强度和优异的耐屈挠、耐低温性能，可以保证小车行走的稳定性及良好的速度[8]。小车上搭载有Arduino控制板，系统主要包括：电源模块，电动机驱动模块，WiFi模块，舵机模块，避障模块。

1.1电源模块电源模块为系统工作提供可靠电压。选用两节锂电池串联的方式，可提供电压(7.2~9 V)，可以直接给电机、电压表供电。锂电池电压稳定，可以循环使用，安全性强，体积小，容量大，减少污染，有利于可持续发展[9]。电压表主要为了查看电池当前电压。锂电池电压通过Arduino电压转换得到5 V电压。供给WiFi模块、舵机模块、避障模块和摄像头。系统各模块供电如图1所示。

1.2电机驱动模块由于烟叶仓库实际地面高低不平，小车采用4个步进电机驱动。此处应用的步进电机直径为28 mm，电压为5 V，步进角度为5.625×1/64，减速比为1/64，单个重为0.04 kg。接5线4相可以用普通ULN 2003芯片驱动，也可以接成2相使用，步进电机的控制除了Arduino单片机外，通常都还会加上一个驱动芯片，其主要目的是避免放大电流将单片机损坏[10]。步进电机精准度比较高，最高精度可达1.8°，在此之外步进电机还有瞬间启动和急速停止的特性。ULN2003是一种高耐压、大电流的达林顿陈列, 内部提供了7个达林顿晶体管，在5 V的工作电压下与TTL和CMOS电路直接相连可以保证负载电流的供给，同时也减少其他驱动芯片容易被烧毁的事故。电机具体驱动如图2所示。

1.3舵机模块舵机是小车改变方向的执行机构，此处舵机选用日本Futaba公司出产的S3001型号舵机，工作电压是4.8 V，最大扭力是2.4 kgf·cm，转动速度为0.28 s/60°。舵机与Arduino的接线方法是：舵机PWM信号线接Arduino引脚S，舵机5 V电源线接Arduino引脚V，舵机接地线GND接Arduino引脚G。其工作原理是依据PWM信号的变化来控制的，如图3所示。PWM信号的周期是50 Hz也就是20 ms，让其通电后的原点为90°、约为1.5 ms，最小角度为0°、约为0.9 ms，最大角度为180°、约为2.1 ms。为了控制其角度的变化只需调整一个周期中的高低电位比例即可。

转动角度与时间的关系可用函数 W(t)=0.9ms+[(±)0.6 ms/90°]表示， “+”表示向右转，“-”表示向左转。

1.4避障模块超声波是一种频率比较高的声音，指向性强。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离[11-17]。此处应用HC-SR04超声波测距模块，将其安装在小车车头，此超声波可提供2~400 cm的非接触式距离感测功能，测量距离的精度可高达3 mm；此模块包括超声波发射器、接收器与控制电器。超声波避障模块与Arduino扩展板接线方法：VCC为地线，TRIG接触发控制信号输入，ECHO接回响信号。超声波测距模块如图4所示。

2系统实现

2.1避障的工作原理超声波测距模块工作原理：采用IO口TRIG触发测距，给至少10 μs的高电平信号，其模块自动发送8个40 khz的方波，自动检测是否有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离可用如下公式测得。

测试距离=(高电平时间×声速)/2 其中声速是室温20 ℃超声波的速度值340 m/s，感应角度不大于15°。

避障系统选用HC-SR04型号超声波传感器。其工作方式：通过发送器发射出去的超声波，被物体反射后传到接收器来判断小车与障碍物的距离，从而决定，是否继续前进[18-21]。根据超声波测距模块的工作原理，将超声波所测距离和之前设定好的距离值进行比较。若大于设定值，则小车继续前进；若小于设定值，则小车停止前进，同时调用舵机云台右转90°子程序，舵机云台右转90°后，若无障碍物则小车右转90°继续前进，若有障碍物则停止前进。控制程序主要有控制板初始化、传感器信息判断及电机驱动组成，程序流程如图5所示。

2.2试验结果通过试验，小车成功实现了智能避障。在试验过程中，小车能够自主较好的在设定的轨道上进行测量，判断是否前进，是否停止，是否转弯，可轻松的避开障碍，顺利通过，达到预定目标。小车实物试验场景示意图如图6所示。

3总结与展望

把Arduino的自动避障技术应用于烟仓烟叶霉变检查，充分发挥了Arduino控制扩展板的优势。成功实现了小车自动避障功能，在智能机器人领域具有一定的实用价值。该避障系统简单，成本较低，控制过程也比较简单，易于操作，精度较高，可在工业智能作业等多领域应用。但是，该超声波避障小车还存在一些不足，比如面对较多的复杂弯路，在这种环境下，这样简单的避障系统和设计结构很可能达不到预定目标。

下一步可根据多弯路环境需求设计一款循迹智能小车，实现对较复杂的烟库进行避障、检测，同时研究多性能的智能小车对不同烟库的可用性，综合全面的各种因素为烟库提供更实用的自动化、智能化小车。

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收稿日期2015-10-28

作者简介杨氟(1988- )，男，陕西户县人，在读硕士研究生，研究方向：智能机器人。*通讯作者,副教授，硕士生导师，从事农业工程研究。

基金项目云南中烟工业责任有限公司“原料系统重大专项”[滇烟工科(2013)494]。

中图分类号S 22

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)33-370-03