Arduino智能小车实验报告解读.docx
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Arduino智能小车实验报告解读
“蓝牙手柄避障小车”设计
设计者：
严梓桓（34%），汤楷宸（33%），梁德棋（33%）
1.项目背景
本作品为基于Arduino控制的智能小车。
智能小车在技术上和移动机器人有着密切相关的联系，有着关于自动控制、传感器技术、电子电路上的重要实践意义。
通过对基本功能进行不同方向，多种多样的扩展，可以为我们的生活提供各种各样的便利。
这类设备可以应用于复杂多样的工作环境，在民用和军用上都可以有各种各样颇有意义的用途。
一般来说，红外避障实现方便、技术要求相对简单、易于做到实时控制。
并且，一般的红外避障装置在测量精度方面能达到实用的要求，因此成为常用的避障方法。
利用红外传感器来实现小车的智能避障时，通过测量小车与障碍物的距离，实现小车多角度检测障碍物，从而加以判断转向、后退和前进，使小车能成功的躲避障碍物，并按照控制者的意愿前进。
受到现有的产品和技术的启发，我们小组制作简易的智能小车。
这款简易的智能小车，可以通过操作人的遥控进行操控，进行各种运动，当遇到障碍物时，可以灵活地进行自动避障。
而小车的舵机转向，更加的贴合我们的现实汽车的模型，对实现智能无人汽车的出现有一定的借鉴优势。
我们还计划为它加装通过Wi-Fi连接的摄像头模块，将拍到的图像数据传输到电脑上。
除此之外，我们还希望将来可以通过手机App来对小车进行操控，让小车使用更为方便，功能更加强大。
2.创意描述
这款简易的智能小车，可以通过操作手柄进行遥控操控，进行各种前进、后退、转弯、变速等运动。
切换模式后，当遇到障碍物时，它可以通过红外避障模块，探测到障碍物，灵活地进行自动避障。
创新点：
使用手柄操作，操纵方便，具有很大的娱乐性。
3.功能及总体设计
该作品主要可以分为两个部分：
小车的运动、转向部分和红外避障部分。
对于运动和转向部分，经由ArduinoUNO板，再用PM-R3多功能扩展板连接电机和舵机，实现小车运动。
操作时，通过蓝牙和遥控手柄连接主板，达到操纵的目的；红外避障部分，分布在小车各侧的多个红外小板通过红外传感器模块感应到障碍物，进而控制舵机的转动，避开障碍物。
1）功能介绍
这款简易的智能小车，通过操作手柄进行遥控操控，进行各种前进、后退、转弯、变速等运动。
切换模式后，当遇到障碍物时，它可以通过红外避障模块，探测到障碍物，灵活地进行自动避障。
2）总体设计
该小车主要由运动和转向部分和红外避障部分两个部分组成。
（1）整体框架图
项目整体框架图如图1所示。
图1整体框架图
PM-R3多功能扩展板连接到ArduinoUNO板上，通过PM-R3多功能扩展板连接并驱动步进电机和转向舵机；另外，PM-R3多功能扩展板连接了红外避障模块，四个红外避障小板接收到的障碍物的信号通过它处理，控制电机的工作和舵机的转向。
（2）系统流程图
系统流程图（遥控模式略）如图2所示。
图2系统流程图
避障模式下，在小车运动过程中，如果遇到障碍物，被红外小板探测到后，让舵机转动，从而达到转向的目的；如果前方各个方向都有障碍物，小车则后退。
（3）总电路图
系统总电路图如图3所示
图三系统总电路图
ArduinoUNO板上连接了有PM-R3多功能扩展板。
驱动步进电机和转向舵机也通过PM-R3多功能扩展板连接；另外，PM-R3多功能扩展板连接到红外避障模块，四个红外避障小板接收到的障碍物的信号通过它传回扩展板，控制电机的工作和舵机的转向。
3）模块介绍
本项目主要包括以下几个模块：
运动与转向模块、红外避障模块，下面分别给出各部分的功能、元件、电路图和相关代码。
（1）运动与转向模块
功能介绍：
小车通过操作手柄进行遥控操控，进行各种前进、后退、转弯、变速等运动
元器件清单：
S3003舵机，17mm联轴器D-3mm，0.5模50齿齿轮，0.5模34齿齿轮，传动连杆，后轮连杆，电机固定支架，25mm金属减速电机，开关，PM-R3多功能扩展板，PS2手，11.1V-2400mAH锂电池组，杜邦线。
电路图：
电机模块接线图如图4所示；电机模块电路原理图如图5所示；PM-R3扩展电路板电路示意图如图6所示。
图4电机模块接线图
图5电机模块电路示意图
图6PM-R3扩展电路板电路示意图
相关代码：
#include//舵机库文件
#include//蓝牙PS2X手柄库文件
PS2Xps2x;//声明手柄ps2x
Servomyservo;//声明舵机myservo
//ps2引脚
#definePS2_DATA0//14
#definePS2_CMDA1//15
#definePS2_SELA2//16
#definePS2_CLKA3//17
//红外传感器引脚
#defineQ7//7
#defineQR8//8
#defineQL10//10
#defineH9//9
//电机驱动引脚定义
#definePWMB15
#definePWMB26
#defineSERVOPIN2//舵机驱动引脚定义
#defineSERVOMIN-20//舵机转动角度
#defineSERVOMID45//舵机转动角度
#defineSERVOMAX120//舵机转动角度
#defineTURNLEFTmyservo.write（SERVOMIN）//向左转
#defineTURNMIDmyservo.write（SERVOMID）//向中转
#defineTURNRIGHTmyservo.write（SERVOMAX）//向右转
#defineMOTORFOWARD1setMotorA（155）//遥控向前移动
#defineMOTORFOWARD2setMotorA（55）//避障向前移动
#defineMOTORBACK1setMotorA（-155）//遥控向后移动
#defineMOTORBACK2setMotorA（-55）//避障向后移动
#defineMOTORSTOPsetMotorA（0）//刹车
boolEnableRockerR=1;//右边摇杆操控控制变量
boolEnableRockerL=1;//左边摇杆操控控制变量
intRMid=0;//小车向中转控制变量
intLStop=0;//刹车控制变量
interror=0;//控制信号判断变量
bytetype=0;//信号种类判断
voidsetup（）
{
Serial.begin（57600）;//设置串口波57600
//电机驱动
pinMode（PWMB1,OUTPUT）;//配置引脚，PWM1为输出
pinMode（PWMB2,OUTPUT）;//配置引脚，PWM2为输出
//避障信号收集
pinMode（Q,INPUT）;//Q对应前面中间的红外传感器
pinMode（QR,INPUT）;//QR对应前面右边的红外传感器
pinMode（QL,INPUT）;//QL对应前面左边的红外传感器
pinMode（H,INPUT）;//H对应后边的红外传感器
//舵机库函数中的引脚链接函数
myservo.attach（SERVOPIN）;
//初始状态
MOTORSTOP;
SERVOMID;
delay（300）;
//判断ps手柄的控制信号是否接收
error=ps2x.config_gamepad（PS2_CLK,PS2_CMD,PS2_SEL,PS2_DAT）;
if（error==0）
{
Serial.print（"FoundController,configuredsuccessful"）;
Serial.println（"Tryoutallthebuttons,Xwillvibratethecontroller,fasterasyoupressharder;"）;
Serial.println（"holdingL1orR1willprintouttheanalogstickvalues."）;
Serial.println（"Note:
Gotowww.billporter.infoforupdatesandtoreportbugs."）;
}
elseif（error==1）
Serial.println（"Nocontrollerfound,checkwiring,seereadme.txttoenabledebug.visitwww.billporter.infofortroubleshootingtips"）;
elseif（error==2）
Serial.println（"Controllerfoundbutnotacceptingcommands.seereadme.txttoenabledebug.Visitwww.billporter.infofortroubleshootingtips"）;
elseif（error==3）
Serial.println（"ControllerrefusingtoenterPressuresmode,maynotsupportit."）;
type=ps2x.readType（）;
//判断ps2信号类，我们所用的是"DualShockController"信号
switch（type）
{
case0:
Serial.print（"UnknownControllertypefound"）;
break;
case1:
Serial.print（"DualShockControllerfound"）;
break;
case2:
Serial.print（"GuitarHeroControllerfound"）;
break;
case3:
Serial.print（"WirelessSonyDualShockControllerfound"）;
break;
}
}
void（*resetFunc）（void）=0;//重置
voidloop（）
{
inti=0;//避障与蓝牙遥控切换变量
//红外传感器数字信号读取
intQ0=digitalRead（Q）;
intQ1=digitalRead（QR）;
intQ2=digitalRead（QL）;
intH0=digitalRead（H）;
//信号判断
if（error==1）resetFunc（）;//没有控制信号则跳出循环
ps2x.read_gamepad（）;//读取控制信号
if（ps2x.Button（PSB_START））
Serial.println（"Startisbeingheld"）;
//按下start按钮时串口监视器显示"Startisbeingheld"
if（ps2x.NewButtonState（PSB_SELECT））//避障和蓝牙遥控切换
{
Serial.println（"Selectisbeingheld"）;
i=（i+1）%2;
}
//蓝牙遥控
if（i==0）
{
//按钮控制电机
if（ps2x.ButtonPressed（PSB_PAD_UP））//前进
{
Serial.println（"PAD_UPjustpressed"）;
MOTORFOWARD1;
EnableRockerL=0;
}
elseif（ps2x.ButtonReleased（PSB_PAD_UP））//刹车
{
Serial.println（"PAD_UPjustreleased"）;
MOTORSTOP;
EnableRockerL=1;
LStop=0;
}
if（ps2x.ButtonPressed（PSB_PAD_DOWN））//后退
{
Serial.println（"PAD_DOWNjustpressed"）;
MOTORBACK1;
EnableRockerL=0;
}
elseif（ps2x.ButtonReleased（PSB_PAD_DOWN））//刹车
{
Serial.println（"PAD_DOWNjustreleased"）;
MOTORSTOP;
EnableRockerL=1;
LStop=0;
}
//摇杆控制电机
if（EnableRockerL）
{
if（0<=ps2x.Analog（PSS_LY）&&ps2x.Analog（PSS_LY）<100）//前进
{
Serial.println（"f"）;
MOTORFOWARD1;
LStop=0;
}
elseif（255>=ps2x.Analog（PSS_LY）&&ps2x.Analog（PSS_LY）>170）
//后退
{
MOTORBACK1;
Serial.println（"b"）;
LStop=0;
}
else
{
if（LStop==0）//刹车
{
MOTORSTOP;
Serial.println（"s"）;
LStop++;
}
}
}
//按钮控制舵机
if（ps2x.ButtonPressed（PSB_CIRCLE））//右转
{
Serial.println（"Circlejustpressed"）;
TURNRIGHT;
EnableRockerR=0;
}
elseif（ps2x.ButtonReleased（PSB_CIRCLE））//转回中间
{
Serial.println（"Circlejustreleased"）;
TURNMID;
EnableRockerR=1;
RMid=0;
}
if（ps2x.ButtonPressed（PSB_SQUARE））//左转
{
Serial.println（"Squarejustpressed"）;
TURNLEFT;
EnableRockerR=0;
}
elseif（ps2x.ButtonReleased（PSB_SQUARE））//转回中间
{
Serial.println（"Squarejustreleased"）;
TURNMID;
EnableRockerR=1;
RMid=0;
}
//摇杆控制舵机
if（EnableRockerR）
{
if（0<=ps2x.Analog（PSS_RX）&ps2x.Analog（PSS_RX）<100）//左转
{
TURNLEFT;
Serial.println（"l"）;
RMid=0;
}
elseif（255>=ps2x.Analog（PSS_RX）&ps2x.Analog（PSS_RX）>160）
//右转
{
TURNRIGHT;
Serial.println（"r"）;
RMid=0;
}
else
{
if（RMid==0）//转回中间
{
TURNMID;
Serial.println（"mid"）;
RMid++;
}
}
}
}
（2）红外避障模块
功能介绍：
八路红外避障模块是智能小车红外线探测系统的工具。
它使用红外线发射和接收管等分立元器件组成探头，并使用LM339电压比较器获得输出信号。
电源从模块VCC，GND输入，VCC，SIG1，GND对应接到红外小板上，对应的通道LED显示灯灭（常态下无遮挡输出高电平），若通电后LED常亮，则对应调节电位器一顺时针旋转，使感应距离变小，逆时针旋转使感应距离变大。
此时用手或者白纸遮挡红外小板，则对应通道显示灯会亮，表示输出一个低电平信号。
单片机只要对OUT1-OUT4的电平信号进行判断。
常态下无遮挡为高电平,有遮挡时输出为低电平。
元器件清单：
8路红外主板，避障小板，杜邦线。
电路图：
红外避障模块电路原理图如图7所示。
图7红外避障模块电路原理图
相关代码：
红外避障部分，代码如下
if（Q0==HIGH）
//输出高电平，正前方无障碍物
{
if（Q1==HIGH&Q2==HIGH）
//输出高电平，前方左右无障碍物，前进
{
TURNMID;
MOTORFOWARD2;
}
elseif（Q1==LOW&Q2==HIGH）
//右前方输出低电平，左前方输出高电平，右前方有障物，向左转
{
MOTORFOWARD2;
TURNLEFT;
}
elseif（Q1==HIGH&Q2==LOW）
//左前方输出低电平，右前方输出高电平，左前方有障碍物，向右转
{
MOTORFOWARD2;
TURNRIGHT;
}
else
//前方左右均有障碍物，后退
{
TURNMID;
MOTORBACK;
}
}
else
//输出低电平，正前方有障碍物
{
if（Q1==HIGH&Q2==HIGH）
//前方左右输出高电平，无障碍物，默认后退至左后方
{
MOTORBACK2;
TURNLEFT;
delay（100）;
MOTORBACK2;
TURNRIGHT;
delay（100）;
}
elseif（Q1==LOW&Q2==HIGH）
//右前方输出低电平，左前方输出高电平，右前方有障物，后退至左后方
{
MOTORBACK2;
TURNLEFT;
delay（100）;
MOTORBACK2;
TURNRIGHT;
delay（100）;
}
elseif（Q1==HIGH&Q2==LOW）
//左前方输出低电平，右前方输出高电平，左前方有障碍物，后退至右后方
{
MOTORBACK2;
TURNRIGHT;
delay（100）;
MOTORBACK2;
TURNLEFT;
delay（100）;
}
else
//前方左右均输出低电平，前方左右有障碍物
{
if（H0==HIGH）
//后方输出高电平，无障碍物，向后退
{
TURNMID;
MOTORBACK2;
}
elseif（H0==LOW）
//后方输出低电平，有障碍物，刹车
{
MOTORSTOP;
}
}
}
if（ps2x.NewButtonState（PSB_CROSS））//强制刹车
{
Serial.println（"Xjustchanged"）;
MOTORSTOP;
}
delay（50）;
}
voidsetMotorA（intm1Speed）//电机驱动函数
{
if（m1Speed>=0）
{
digitalWrite（PWMB2,HIGH）;
analogWrite（PWMB1,255-m1Speed）;
}
else
{
digitalWrite（PWMB1,HIGH）;
analogWrite（PWMB2,m1Speed+255）;
}
}
4.产品展示
整体外观图如图9所示。
图8整体外观图
图9最终演示结果图
5.故障及问题分析
（1）问题：
组装小车很顺利，但是烧入Arduino代码之后，舵机的角度不对，原计划是在Arduino代码里直接修改舵机角度，但是紧接着发现，修改完后小车的舵机有时候会卡死。
解决方案：
经过多次尝试，我们决定拆下舵机查看，查了许多资料，最终得知是未进行安装前舵机的调节。
之后，我们对舵机进行了多次调整，终于是舵机正常运行。
（2）问题：
在进行小车避障功能的实现时，发现连上数据线小车正常工作，断开数据线，用小车电源驱动，发现不可运行。
解决方案：
刚开始，我们分开检查了各部分主板，发现并没有问题，于是询问老师，认为是小车的电源电压不足，于是将7.4V的电源换成了9.1V的电源，结果把ArduinoUNOR3烧了，于是重买了一块Arduino发现可用。
（3）问题：
对红外传感器的测距进行调整时并没有什么问题，但是进行测试的时候发现传感器总是误测。
解决方案：
光线问题，最后决定用纸制的障碍物进行测试，发现可行。
（4）问题：
本来设定ps2蓝牙遥控器的“select”键为手动控制与避障切换的按键，但是必须旧按才可实现切换。
解决方案：
在代码中使用变量i进行模式切换的关键变量。
（5）问题：
代码可行性问题，即小车在某些特定的情况下，现有代码无法让小车运行状态或者方案最佳，例如：
遇到死角，小车的自动避障失灵。
解决方案：
多次修改代码，原代码是小车遇到死角自动后退，直到检测不到死角（前、左前、右前的红外传感器探测到障碍物）再前进，此时就出现了前面所说的，失灵。
最终修改代码，让小车根据情况向右后方或者左后方后退，即可避免上述问题。
6.附录：
元器件清单
完成本项目所用到的元器件及其数量如下表所示
元器件/测试仪表
数量
小车框架
亚克力底板（7块/套）
1
65mm轮子
4
ArduinoUNO主板
1
轴承
若干
螺丝，螺母，铜柱
若干
舵机和电机
S3003舵机
1
17mm联轴器D-3mm
2
0.5模50齿齿轮
1
0.5模34齿齿轮
1
传动连杆
2
后轮连杆
1
电机固定支架
1
25mm金属减速电机
1
开关
1
PM-R3多功能扩展板
1
PS2手柄
1
7.4V-2400mAH锂电池组
1
杜邦线
若干
避障模块
8路红外主板
1
避障小板
8
7.参考文献
【1】李永华.Arduino软硬件协同设计实战指南[M].第1版.北京：
清华大学出版社，2015.
【2】JohnBoxall.动手玩转Arduino[M].翁恺译.第1版.北京：
人民邮电出版社，2014.
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