基于Arduino-传感器的婴儿预警装置

夏瑞婷 刘凯文 张嘉程 王欢

【摘 要】预警避障功能是婴儿车安全使用的基础，本文基于Arduino嵌入式系统技术，设计开发了一款安装在婴儿车上的危险探测装置，通过超声测距传感的方式，尽早地探测出行驶过程中遇到的危险，通过开发算法，实现了智能小车的预警避障功能。

【关键词】Arduino;智能小车;超声波传感器;避障功能

一、Arduino

本設计选用Arduino作为主控芯片。它是一种应用广泛的电子芯片，其开发语言为C语言，使用方便。Arduino的主要特点是参数的功能设置，其大大降低了开发门槛，这样用户就不必从底层理解其结构，此外，它可以很容易地连接到各种传感器和电子元件，适合功能的开发和扩展。

基于Arduino可以实现对一些物体的操控，其中的控制板可以用来，检测温度，湿度等一系列状况，这样一来就大大方便了，人类的日常生活。而我们小组所选择的小车试验，可以通过一定的改良而实现很多目前无法实现的事情，从而更好的改善生活。

二、智能小车

第一台智能小车是由Nils Ni-ssen和Charlenrosen等人在1972年研制而成的，并取名为Shakey.从20世纪70年代开始，美国等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究，主要方向是军事、高速公路和城市环境。在80年代初，美国国防部对自主陆地车辆的研究投入了大量资金，并在该领域取得了极大进步。欧洲在进行前车距控制、视觉增强、道路环境的感知、驾驶员监测及传感器融合等方面的研究也取得了较大进步。例如，用智能速度适应提升汽车整体安全性，辅以道路标识、卫星定位、车载地图等综合信息的方式完成车辆导航和自动控制车辆时速的功能。日本三菱和日产汽车公司近期发布了-款防撞装置. 基本实现了前方防撞和车道偏离功能。在先进安全性车辆计划中，本田、日产和丰田公司也大力发展基于行车安全的相关系统，如自动控制系统、前车距离控制系统、障碍物报警系统、车道定位系统及夜间行人报警系统等智能控制系统[1]。

在本设计中在本设计中，智能小车搭载超声波传感器、舵机作为避障模块的核心器件。在Arduino的控制下收集汽车路况的相关信息，并将识别出的信息引导到加工用Arduino处理Arduino通过调用程序可以控制小车执行相应的动作，实现避障功能[2]。

三、系统设计

（一）控制模块.

Arduino单片机是一种感应和控制真实物理世界的工具，包括基于单片机的硬件平台，开源软件的开发环境和Arduino单片机程序编写软件。通过处理来自蓝牙模块或Wi Fi模块的指令来控制车辆的各个模块，从而根据需要进行各种运动，并控制小车自动避障等操作。

（二）电机驱动模块

L298P由与Arduino兼容的大电流电机驱动，该电机驱动模块有4个控制端口，从而减少了Arduino数字端口的使用，节省了控制器的端口。此外，电机驱动模块的控制指令编写也很简单。该模块的供电有Arduino-vin供电和外部电源2种方式，用户可以自己选择，并且电机驱动模块可以直接控制2个直流电机，最大驱动电流为2 A，因此可以很容易地控制小车中使用的直流电机的速度和方向。

（三）舵机模块

机接收来自Arduino的控制信号来驱动电机转动，电机经过齿轮组的减速后将动力传动至舵盘。同时舵机的位置还会被位置检测器检测并通过检测器将此时的位置信号反馈给控制电路以此来判断是否到达了指定位置，并计算出此时舵机所在的位置与速度。

（四）避障模块

现在拥有越来越多的类型传感器。超声波作为一种机械波，其方向性强、频率高、绕射现象小，是实现智能汽车自动避障的首选传感器。适合测量距离.本设计采用的避障模块为HC-SR04，它有四个接口：VCC、GND、接收机回波和控制器触发器。它使用IO触发器测量距离.利用从控制端到接收端的超声波信号的高压持续时间和声波在空气中传播的原理，确定障碍物的距离计算完成避障功能，HC-SR04的正常工作电压约为5V，测量角度小于或等于15，离物体越远，检测角度越大大。本设计中，HC-SR04与SG90执行机构结合，用于收集障碍。智能车辆遇到障碍，信号可反射到传感器上超声波。4月ES位置信息分析与处理信号从障碍物传输到Arduino芯片，Arduino芯片调用相应的程序来响应测量。超声波反射，转向器可转动0°～180°，避免障碍物[3]。

避障的工作原理：

设计了一种基于IO的HC-SR04避障传感器触发测距功能，测距时触发端输出大于10μs的信号脉冲触发信号，模块将循环8个方波脉冲信号，每个信号脉冲信号频率为40kHz，可通过自动回波检测确定。断开物体传感器前面.si检测到回声，回声端子输出信号为高电平，其持续时间表示超声波为已收，计算公式（1）如下：

T=（HR×VI）/2

式中（1）：T为试验距离，HR为高位时间，VI为声速（340m/s）。

HC-SR04的应用原理是先通过控制端口传输高电平持续时间大于10μs退出。一旦检测到输出信号，计时器开始计数并持续一段时间，如果接收端口中的信号从高电平变为低电平，则可以读取定时计时器记录的值即为量程时间根据声速与距离的关系，可以计算出被测距离在驾驶过程中，智能车辆通过安装在底盘前面的超声波传感器[4]。

四、结束语

本设计利用 Arduino 处理芯片，并结合电源、电机驱动、舵机、超声波等模块开发了自动避障小车，并验证了小车的自动避障的可行性。通过设计小车沿规定避障路线行驶实验，经测试后证明了小车的避障性能良好。虽然小车可以很好地完成行进过程中的避障作业，但是，智能小车还存在一些不足之处，例如，只采用一组超声波和舵机结合，舵机的旋转角度有限，小车不能全方位进行避障，如果搭配多组超声波和舵机或采用性能更好的传感器，它的自动避障效果可能会更好。

参考文献：

[1]尹念东智能车辆的研究及前影[J].上海汽车，2002（4）：40-42

[2]蔡睿妍.Arduino 的原理及应用[J].电子设计工程，2012，20（16）：155-157.

[3]李念驰.智能车超声波避障[J].科技展望，2015，25（3）：95-96.

[4]曾颖琳，董欣，倪鹏，郭斌.基于 Arduino 的智能避障小车设计[J].科技与创新，2021，（4）：32-34

作者简介：

夏瑞婷，2002年5月6日，女，汉，江苏省宿迁市，本科在读，研究方向：物联网;

刘凯文，1994年08月，男，汉，江苏金坛，本科，助教，研究方向：大学生思想政治;

张嘉程，江苏农林职业技术学院在读;

王欢，江苏农林职业技术学院在读。

（作者单位：江苏农林职业技术学院）