基于树莓派的避障机器人研究

吴金文 汤林浩 陈名杰

摘 要：本项目基于树莓派控制技术，设计并实现了一种智能避障机器人方案。本设计使用树莓派系统模块、红外控制模块、超声波控制模块和电机驱动模块等硬件模块组成机器人。实现机器人前进、侦测前进道路上的障碍物、自动避开等操作，最终实现自动避障控制功能。

关键词：树莓派；避障；红外传感器；超声波传感器；模块化

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0176-02

Research on Obstacle Avoidance Robot Based on Raspberry Pi

WU Jinwen，TANG LinHao，CHEN Mingjie

（Pujiang College of Nanjing Technology University，Nanjing 211112，China）

Abstract：Based on Raspberry Pi control technology，an intelligent obstacle avoidance robot is designed and implemented in this project. This design uses raspberry system module，infrared control module，ultrasonic control module and motor drive module to build robots. The robot can move forward and detect obstacles and automatic avoidance on the way ahead，and ultimately achieve automatic obstacle avoidance control function.

Keywords：Raspberry Pi；obstacle avoidance；infrared sensor；ultrasonic sensor；modularization

0 引 言

本課题选择了Raspberry Pi开发平台作为避障机器人的核心，并自主选择了零配件进行了研究组装，对小车自主行动避障的程序进行了编程。机器人避障，通俗地说就是让机器人能够自主避开障碍物的行为。

1 项目设计方案

系统结构框图如图1所示。主要由电池组、主控、电机、模块传感器等部分组成，各系统设计如下：

机器人通过两节3.7V锂电池提供7.4V的直流电压，并通过稳压电路为系统提供直流稳压电源。经电机驱动板分别驱动4只1：48直条双轴减速马达，来驱动四只车轮，以达到稳定、快速运行的基本需求。电机驱动板上的IN1、2、3、4连接树莓派GPIO1、4、5、6口。树莓派主板不另供电，使用降压模块降低电压，后通过树莓派上Micro接口进行供电。另在硬件主板上设置多个供电的公头，后期各功能模板可直接利用杜邦线进行连接。

1.1 黑线循迹功能的设计

红外反射式传感器由红外发射管和接受管组成。红外发射管发射出波长为940nm的红外线，照射到白色物体后反射最强，照射到黑色物体时反射最弱，反射信号被光电二极管接收后引起接收端电流变化，然后由微控制器产生高低电平来控制电机驱动模块工作。根据机器人出现的偏航情况，黑色航道会被左右探头中的一个检测到，然后可根据以下的情况进行修正航线：若左探头检测到黑色航道，意味着机器人已经偏移到航道右侧，需左转向，可回到原航线；若右探头检测到黑色航道，则意味着车已经偏移到航道左侧，需再向右转，方可回到原航线；黑色航线没有被左右探头检测到，机器人继续前行。

1.2 红外避障功能设计

红外光电传感器由发射管和接收管组成并集成数字模拟转化器。由发射管发射出波长为940nm的红外线，当发射出的红外线没有被反射回来时，红外接收管处于断路状态，通过比较电路处理后，将该输出信号送到控制器，然后由控制器产生高低电平，进而控制电机驱动模块工作。根据机器人运动轨迹，前方障碍物会被左右探头的某一个检测到，则可根据以下的情况进行修正航线：若左探头检测到障碍物，意味着机器人左侧无法通行，需要后退一段距离后向右转向，可继续行驶；若右探头检测到障碍物，则意味着机器人右侧无法通行，需后退后再向左转，方可继续行进；左右探头没有检测到障碍物，机器人继续直行。如图2所示。

1.3 超声波测距和超声波避障设计

本系统采用往返时间检测法，其原理是：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘再除以2，就是测量的距离。即L=vt/2。

超声波避障模块根据机器人运动轨迹检测到前方障碍物，可根据disMeasure函数返回距离值后进行修正航线。若探头检测到障碍物，意味着机器人前方无法通行，需要后退一段距离后向左转向，可继续行驶；探头没有检测到障碍物，机器人继续直行。

设计后转向的避障算法，算法流程图如图3所示。程序开始后，超声波模块首先发出8个40khz的方波，若检测到回传信号，输出高电平，通过自定义函数disMeasure计算出正前方障碍物距离，如果距离大于25cm，则继续向前行驶，如果小于10cm，机器人先后退、后向左转，以此达到避开障碍物的目的。

2 模块化集成设计

模块化是指将一个相对复杂的系统或过程按照一定的规则和联系分解成半自律的子系统，这些子系统可以进行独立的设计。基于模块化思想，集成制造模式，建立集成框架体系，系统研究集成制造模式中的模块化分解、模块求解、模块集成以及产品全生命周期的过程支撑技术。本课题集中介绍了避障机器人这一复杂产品转化为简单模块化产品的组合，能够更好满足避障机器人循迹避障、前后行进、左右转向的需求。树莓派主控模块、红外避障模块、超声波模块（HR04）、红外循迹模块、电机驱动模块以及降电模块的组合，解决了基于树莓派的避障机器人的硬件问题。

3 结 论

使用Raspberry Pi开发平台作为避障机器人的核心具有小型化、多功能化、高度集成化和可控制化的优点。本课题研究了在现有条件下如何应对多方面需求的避障。在Raspberry Pi开发平台上编写控制避障程序，使得机器人的避障实现自动化和可控化。通过树莓派这种超低成本的计算机主机，可以实现以往做不到的事，具有很广阔的发展前景。

参考文献：

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作者简介：吴金文（1984-），男，汉族，江苏南京人，教师，讲师，硕士。研究方向：机电一体化；汤林浩（1997-），男，汉族，江苏盐城人，本科在读。研究方向：机电一体化；陈名杰（1997-），男，汉族，江苏南京人，本科在读。研究方向：机电一体化。