基于树莓派的智能探测小车设计

刘天君，常昊，马准，王鹏家

(北京信息科技大学 机电工程学院，北京，100192)

0 引言

近年来，随着机械制造技术和信息技术的飞速发展，机器智能化技术取得了长足的进步，相应的，智能机器的应用技术也在呈现全方位的进步趋势，各种类型的智能产品服务于各个领域，在各个领域中越来越发挥着难以替代的作用。因此，对智能机器人的深入研究具有十分重要的意义。在信息搜集领域，今天的人们对复杂环境中的信息需求与日俱增，但是新世纪的人们又对自身安全有着极高的意识，两相矛盾之下用于探测的机器人应运而生。火灾现场、自然灾害发生地、未探查过的区域等地方的环境数据采集，经常需要探测者以身涉险，进入到复杂危险的环境中，这时为保障安全，就需要智能探测小车来完成相关工作。控制人员编辑软件程序并以此来控制硬件系统，智能化的机器就能够实现人们希望它完成的任务。智能小车是一种拥有强大的运动能力，模块灵活配合能力和优秀的智能化能力的自动化机器。将其应用于环境危险工作繁杂的探测工作很大程度上满足了人们的需求。随着科技水平的提高，探测小车的种类越来越多，智能化水平越来越高，超声波，红外线等越来越多的传感器出现在探测模块上。但同时，探测器数据的多样化和可视化仍旧是需要解决的问题。超声波、红外线和摄像头等传感器都有着各自的优缺点，如何科学的结合各种传感器仍是一大课题。

本次的探测小车设计以树莓派作为核心控制器，借助超声波、红外线和摄像头等探测设备进行环境信息的采集，通过WIFI传输模块[1]实现与控制终端进行信息交互。通过Python语言编写指令实现信号传输与实时控制[2]。将指令信号实时传递给树莓派控制器从而达到对小车运动状态的控制，以此实现小车对附近环境信息的探测和传输。从而达到人们远程采集环境信息的目的。

1 探测系统功能设计

1.1 设计目的

市场上单一传感器的智能小车普遍存在感知环境准确性低、行为控制灵敏度低的局限性，单一红外线传感器和超声波传感器都有自己的优缺点，我们发现红外线超声波传感器的优点可以弥补对方的不足，两种传感器共同探测周围环境解决了单一传感器感知周围环境低的局限性，加入摄像头进行画面实时传递降低了控制难度解决行为控制灵敏度低的局限性。既要将红外线传感器、超声波传感器和摄像头安装在智能小车上，又要用不同方法处理两种信号，还要保持与手机或电脑进行画面的实时传递，综合考虑我们以树莓派智能小车为基础将红外线传感器，超声波传感器，摄像头三种不同的传感器加装在智能小车上。利用多传感器的优势互补打破单一传感器感知环境准确性偏低、行为控制灵敏度低的局限性[3]。

1.2 实现功能

多传感器的树莓派智能小车的三种传感器是它采集环境信息的眼睛，中央处理器就是它处理信息的大脑[4]。三种传感器负责采集外界数据，然后把所收集到的外界数据传输到小车的中央处理器，中央处理器负责处理信息根据编程程序提取有用信息并经过计算向相关零件下达行为指令来控制小车做出相应的行动。红外线传感器，超声波传感器，摄像头三种不同的传感器在智能小车身上进行共同探测，树莓派将不同传感器的优势数据进行整合以达到优劣互补的目的，如表1所示。

表1 不同传感器性能分析表

智能小车设计三种传感器不仅可以解决单一传感器在探测环境信息方面的劣势、还能提高小车行为的灵活性，并且三种不同传感器的共同探测加强对物体特征的采集[5]。树莓派将不同种类的传感器所提供的优势信息进行整合处理，从而达到获取更宽广探测视野、更准确的探测信息的目的。整体加强智能小车探测系统的抗干扰能力。令智能小车整体具有更为准确的机器视野，可以处理复杂的障碍信息，满足在多种环境下工作的要求。拥有更加完善的处理传感信息能力的智能小车，可以应用在更广泛的领域。

2 系统硬件组成

2.1 主控制模块

本次选用树莓派4B的微型主板作为小车的控制核心，运用 Broadcom BCM2837(B0)的SOC，搭载ARM Cortex-A53 1.4GHz 64-bit quad-core ARMv8 CPU内存相对较大，拥有可实现多方扩展的USB接口和更为先进的网络接口，可实现视频，音频的有效传输，完全可以实现人机之间的数据交流，满足本次研究的所有需求。主控电路如图1所示。

图1 主控电路示意图

2.2 电机驱动模块

智能小车通过4个直流减速电机和TB6612FNG电机搭建电机驱动模块来实现运动控制。TB6612FNG是一种性能强大的直流电机驱动器件，其具有的电流MOSFET-H桥式结构相较于传统的晶体管H桥驱动器具有更为优秀的效率，可以承担更大的负载。TB6612FNG电机驱动模块通过双通道路输出同时驱动2个电机，其拥有的4种电机控制模式可实现正转、反转、制动、停止等一系列动作，可以实现小车在各种环境下的运动要求，满足设计所需小车要求。

图2 驱动电路图

2.3 红外探测寻光模块

探测小车采用红外线传感器和光敏电阻器搭建红外寻光模块。小车所采用的红外传感器具有红外发射管与接收管的结构，发射管发射一定频率的红外线，若是没有检测到障碍物，接收管接收不到信号，电平会相应的保持不变。若前方有障碍物，接收管会接收到经过反射后的红外线[6]。经过这一过程，我们检测相关引脚的电平变化便可以判断出前方的障碍情况和环境状况：同时，传感器装有光敏电阻器，光敏电阻器的电阻与环境的光强呈现明显的负相关关系。可以此来检测前方光强情况：我们将光敏电阻连接到主控板上，通过相关引脚的电平变化来判断环境光的强弱。主控板接收信号后，结合两种不同的信号，将会运用相关先置算法对具体的周围环境情况作大体分析，判断前方的障碍情况和光照状况。红外寻光电路如图3所示。

图3 红外寻光模块电路示意图

2.4 超声波模块

探测小车采用HC-SR04超声波传感器和舵机搭建超声波云台探测模块。超声波模块具有两个超声波探头，分别作为发射和接收超声波。其测量的范围是0-500cm。舵机可旋转，通过旋转可实现超声波探测模块的多方向探测，大大提高了探测的灵活性，搭配循迹系统更好的解决了小车在复杂环境中的运动问题，为复杂环境的探测提供了更大的可行性。超声波探测模块主要应用率超声波测距的原理。在进行超声探测时，主控系统先向超声波Trig引脚输入至少10us的高电平信号，接着Trig引脚会自动发出约为40khz的超声波脉冲，同时自动提高Echo脚的电平，当传感器检测到回波信号时，系统会立即调低Echo脚的电平。此过程中高电平持续的时间就是超声波往返距离所用的时间。此时依据运动规律就可以计算出探测小车距离前方物体的距离，给出前方物体的大致位置坐标[7]。

超声波模块可以具体算出前方物体距离探测小车的距离，给出了更为具体化的周围物体信息，弥补了红外寻光模块在具体距离和位置坐标方面的不足，使得探测小车得到的环境信息更为完整具体。超声波模块电路图，如图4所示。

图4 超声波模块电路图

2.5 摄像头模块

由于树莓派微型电脑主板可通过外加WIFI图像传输模块实现视频音频的实时传输，所以探测模块加装了线性CCD摄像头对要探测的环境进行图像的采集，并将采集的图像资料转换成数据资料传送到小车控制主板，树莓派主板通过WIFI将图像传输至控制终端，在由控制终端将控制指令传输至树莓派主控器，主控器控制电机做出相应的反应动作。摄像头的加入再一次具体了小车的探测数据，弥补了超声波和红外线的探测结构可视性不够好的缺点，使得探测小车的应用面更加广泛。摄像头模块电路连接图，如图5所示。

图5 摄像头连接电路图

3 软件设计

3.1 探测信号流程

由于小车需要对三种传感器的信号进行处理，红外线与超声波通的信号反馈到小车的主控板来实现小车对于距离的实时把控，树莓派的WIFI模块连接手机APP或者上位机来获取摄像头的图像信息。探测信号流程图，如图6所示。

图6 探测信号流程图

3.2 探测信息处理结构

主控器接收多种探测信号反馈，所以采用两种处理方式对信息进行处理。小车通电系统初始化后，WIFI图像传输模块与摄像头开始工作，实现图像的传输，在小车行动时可以实时监测小车周围情况，并且可以通过WIFI将命令传输到主控器上。智能小车运行时若前方未出现障碍物，智能小车继续前进；当出现障碍物时，红外线以及超声波传感器接收信号后，通过传感系统电路将信息发送给树莓派主控制器处理传感器信息进行下一步避障操作[8]。智能小车车体上搭载的超声波云台开始分别左右各旋转90°来判断左右车体与障碍之间的距离A,B。数据A,B传输到主控器进行与15cm的对比，若左边车距A＞15cm执行左转指令，若A＜15cm&B＞15cm执行右转指令；A,B＜15cm则先执行后退600ms指令，再向左转600ms。期间摄像头图像不间断传输，监视小车避障过程中的实时环境信息。探测信息处理程序框图，如图7所示。

图7 探测信息处理程序框图

4 结语

本文介绍了以树莓派为主控制器，实现处理多种探测信号的智能小车的软、硬件设计。通过程序的编写调用起各传感器的信息，利用二维图像数据和传感器位置数据令智能小车的视觉多元化，主控器对传感器信息的二次处理使智能小车获得更为精准的避障操作以及环境信息。本方案的优点在于（1）树莓派可以外接拓展板，拥有非常丰富的接口，可以为后续开发其他模块提供便利，并且其具有较为强大的计算能力可以处理复杂信息。（2）在不同传感器处理程序上采用了对位置传感器信息的二次处理，加强了对传感器信息的利用，提高小车避障精度。（3）对CCD摄像头图像数据的直接调用实现人对小车周边环境的实时了解，增加对小车的把控。本设计方案也同样存在一些问题（1）对于智能小车上线性CCD摄像头采集的二维图像信息没有进行分析处理。（2）小车上设计搭载的传感器仅可以达到对障碍的感知，后续可添加巡线传感器，雷达等更为丰富的传感器，丰富智能小车的视觉。总的来说，设计方案整体是完善的，并且基本满足了所设计需要的目的，在无人探测领域具有一定实用能力。