CN210428194U - 一种交通沙盘用的智能避障小车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交通沙盘用的智能避障小车，包括：Arduino控制模块、电路底盘、超声波测距传感器、霍尔传感器、电机、USB充电电源、车轮和转向系统。电路底盘作为小车底盘，所述Arduino控制模块、霍尔传感器、超声波测距传感器和USB充电电源安装于电路底盘上，超声波测距传感器位于车头用于检测前方障碍物；超声波测距传感器与Arduino控制模块电信号连接。车轮和转向系统均安装在电路底盘的下侧面。本实用新型优点在于：结构简单合理，不受环境限制进行转向，转向适用性更高，更适用于沙盘以及模拟道路的行驶要求，转向角度更大、更灵活，使用同步转向杆确保转向轮可以同步转向。可以结合微控制器进行多种情况的角度变化，能更真实地反映道路情况。

Description

一种交通沙盘用的智能避障小车

技术领域

本实用新型涉及智能控制技术领域，特别涉及一种适用交通沙盘的智能避障小车。

背景技术

交通沙盘模型通过模拟道路、交叉口、信号灯等交通要素，结合智能小车的通行情况，分析道路交通方案，改善道路通行能力。智能小车是交通沙盘上的重要组成。

传统小车普遍使用前轮转向后轮驱动，检测距离远、精度低、转向角度偏小，一般用于寻迹小车，要求按照固定路线行驶，此法不利于变更线路，且无法实现小车自主灵活的避开障碍物。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的缺陷，提供了一种交通沙盘用的智能避障小车，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上实用新型目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种交通沙盘用的智能避障小车，包括：

Arduino控制模块1、电路底盘2、超声波测距传感器3、霍尔传感器4、电机5、USB充电电源6、车轮7和转向系统8。

其中以电路底盘2作为小车底盘，所述Arduino控制模块1、霍尔传感器4、超声波测距传感器3和USB充电电源6安装于电路底盘2上，超声波测距传感器3位于车头用于检测前方障碍物；超声波测距传感器3与Arduino控制模块1电信号连接。

霍尔传感器4置于电路底盘2中间部分，探头处于两驱动轮之间，以便检测电机5磁场变化；所述霍尔传感器4用于检测驱动轮车速，并将信息上传于上层电路板的Arduino控制模块1中。

Arduino控制模块1置于电路底盘2之上，Arduino控制模块1的I/O口连接电机5和USB充电电源6，霍尔传感器4与Arduino控制模块1电信号连接。

USB充电电源6与Arduino控制模块1、超声波测距传感器3、霍尔传感器4、电机5、为各部分硬件提供电源。

所述电机5装配在电路底盘2上，位于前轮位置，对前轮进行驱动；两个前轮被两个电机5驱动。

转向轴11装配在电路底盘2上，位于后轮位置，用于后轮的从动转向。

所述电路底盘2为双层，双层以塑料支柱与螺钉装配在一起并通过电线进行双层电路底盘2之间的信号传输，作用是能够搭载足够多的传感器。

所述小车Arduino控制模块1是自带程序存储器的开发板，置于电路底盘2的上层，进行电路控制。

所述转向系统8由转向控制杆9、转向架10、转向轴11和车轮7组成，转向架10设置于电路底盘2下表面，左右各设置一个转向架10，转向控制杆9连接左右两段的转向架10，用于控制两段转向架10同步转向，转向轴11为丁字形，两头竖直与转向架10固定，转向轴11与驱动车轮7连接转向系统8。

所述小车转向还依靠前轮差速转向，两个电机5与Arduino控制模块1电信号连接，靠Arduino控制模块1进行信号控制，实现两端电路差速，小车因速度差实现转向。

所述小车使用USB电源，置于两层电路板中间，用于为所有的电路设备供电。

作为优选，小车前方安装小角度超声波测距传感器3，其具有射程远的特点，可满足小车检测前方障碍物的距离。在本发明中采用30°超声波测距传感器3。

作为优选，小车两侧安装大角度超声波测距传感器3，其可大角度识别小车左侧障碍物。根据资料显示，广角超声波可实现90°检测，在本发明中采用79°。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

结构简单合理，超声波测距传感器识别前方道路与小车所在的两侧车道检测障碍物，通过霍尔传感器对车体本身速度进行感知，将采集到的数据迅速传输至Arduino控制模块。Arduino控制模块对数据的计算处理，并将计算结果发送至小车驱动转置，实现小车智能避障，完善小车避障绕行功能。Arduino微控制器可以完美适用差速转向法，使小车可以不受环境限制进行转向，转向适用性更高，更适用于沙盘以及模拟道路的行驶要求。

在转向系统中，底盘与转向架固定竖直转向轴，转向角度更大、更灵活，使用同步转向杆确保转向轮可以同步转向。可以结合微控制器进行多种情况的角度变化，能更真实地反映道路情况。

附图说明

图1是本实用新型实施例智能避障小车的拆解I示意图；

图2是本实用新型实施例智能避障小车的拆解II示意图；

图3是本实用新型实施超声波测距传感器的超声波发射电路图；

图4是本实用新型实施超声波测距传感器的超声波接收电路图；

图5是本实用新型实施超声波测距传感器的工作原理图；

图6是本实用新型实施智能避障小车的转向系统结构图；

图7是本实用新型实施智能避障小车的避障流程框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

如图1、2所示，基于Arduino控制模块1的智能避障小车安装有超声波测距传感器3和霍尔传感器4。

本实用新型采用超声波回声探测法，超声波测距传感器3向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t以及进行数据校正，则可以计算出发射点距障碍物面的距离s并将数据显示出来。

发射电路如图3所示，接收电路如图4所示。超声波测距仪系统框图如图5所示。超声波回声探测法通过连续发射超声波与连续接收回波可精确短时间测量出小车与前方障碍物的距离。

霍尔传感器4通过对电机5的磁场变化进行测量并转化成可输出信号的传感器可用于测量小车自身速度。霍尔传感器4通过与Arduino控制模块1连接，可对被测物进行自动化测量。

智能避障小车采用普通直流电机5，通过Arduino控制模块1可以控制直流电机5的旋转速度以实现智能避障小车的速度控制。使用L298N电机驱动芯片驱动直流电机5，依靠两个引脚控制一个电机5的运动。智能避障小车采用四轮驱动，小车两侧的电机5各自接到L298N的一个输出端。通过调整两边车轮7转动使小车具有运动能力，通过调整两边车轮7的转速或以正反转来达到控制小车转向的目的。

如图6所示，所述转向系统8由转向控制杆9、转向架10、转向轴11和车轮7组成，转向架10设置于电路底盘2下表面，左右各设置一个转向架10，转向控制杆9连接左右两段的转向架10，用于控制两段转向架10同步转向，转向轴11为丁字形，两头竖直与转向架10固定，转向轴11与驱动车轮7连接转向系统8。

智能避障小车以Arduino控制模块1为基础的控制系统，足够的I/O口和集成电路可以对外驱动小车，内部具有单片机，内部单片机存储着多车道智能绕行方案程序，能对车道条件以及障碍物状况进行判断，从而进行智能避障。

基于Arduino控制模块1的智能避障小车的控制流程首先要在输入端输入当前道路车道数和车辆所处车道的车道数，在小车前方有障碍物时，小车优先检测小车左前方的道路条件是否满足避障绕行，若满足则小车优先向左侧绕行。当小车左前方不满足绕行条件时，则开始检测小车右前方是否满足避障绕行条件，若满足则小车向右侧避障绕行，若均不满足，则小车减速行驶并继续回到检测状态。此工作原理解决了小车只能按规定路径避障，具有一定的灵活性。同时充分考虑了前方障碍物、小车所处车道以及道路环境，真实模拟小轿车在道路上的运行状况，应用该小车可在交通沙盘中充分展现现实道路中的车流状况。

具体流程图如图7所示，其具体工作原理如下：

以中国常规车道数最多的四车道道路为例

1.手动设定小车当前车道i，设定当前道路总车道数n；

2.实时检测小车前方是否有障碍物；

3.判断i是否等于n；

4.当i＝n时，小车不具备向左绕过障碍物的条件；

5.当i不等于n即i<n时，进行下列检测判断：

1)当小车检测到正前方道路有障碍物时，对左侧前方道路进行检测并判断是否有障碍物(以中华人民共和国交通安全法规定，优先左侧超车)

①若左侧前方无障碍且具备超车条件，小车绕行左侧道路；i++；

②若有障碍，且不具备超车条件时，检测右侧前方道路。

2)对右侧前方道路进行检测并判断是否有障碍物

①若无障碍且具备超车条件，小车绕行右侧道路；i--；

②若有障碍，且不具备超车条件时，则根据小车当前车道i回到步骤2)的状态。

根据调查得知，小车宽度一般为0.04m，长度为0.08m，小车车道宽度为0.055m，小车的平均速度为1m/s，根据资料显示，一般小车超车的角度为5度[3]，超车的临界安全距离公式为：

根据公式可计算得出，小车距离前方障碍物0.25m开始执行避障方案，小车与前撤的安全距离如图7所示。小车车头前方的超声波实时检测小车与正前方的距离，当正前方在可检测距离内出现障碍物时，超声波测距传感器3计算与正前方障碍物的距离，因超声波检测器具有连续检测的功能，在单位时间前将再次返回的距离值与当前的距离值相比，若差值>0，则说明小车与正前方障碍物距离愈远。若差值<0时，再次检测，当发现差值为0.25m时，小车开始执行避障绕行决策方案。此避障过程可保证小车检测精度高，效率快的特点。

小车避障过程如下：

1)设超声波发送信号与接收信号往返总时长t；

2)则小车与障碍物之间的初始距离为

3)当第二次检测时，可得

4)当s₂＜s₁时，说明小车与前方障碍物在不断靠近，当返回值s₂＝0.25时，小车开始检测当前道路环境，确定是否实行避障绕行方案；

5)当s₂≥s₁时，说明小车与前方障碍物相对距离不变或者前方障碍物正在远离小车，不做任何操作。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的实施方法，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种交通沙盘用的智能避障小车，其特征在于，包括：

Arduino控制模块(1)、电路底盘(2)、超声波测距传感器(3)、霍尔传感器(4)、电机(5)、USB充电电源(6)、车轮(7)和转向系统(8)；

其中以电路底盘(2)作为小车底盘，所述Arduino控制模块(1)、霍尔传感器(4)、超声波测距传感器(3)和USB充电电源(6)安装于电路底盘(2)上，超声波测距传感器(3)位于车头用于检测前方障碍物；超声波测距传感器(3)与Arduino控制模块(1)电信号连接；

霍尔传感器(4)置于电路底盘(2)中间部分，探头处于两驱动轮之间，以便检测电机(5)磁场变化；所述霍尔传感器(4)用于检测驱动轮车速，并将信息上传于上层电路板的Arduino控制模块(1)中；

Arduino控制模块(1)置于电路底盘(2)之上，Arduino控制模块(1)的I/O口连接电机(5)和USB充电电源(6)，霍尔传感器(4)与Arduino控制模块(1)电信号连接；

USB充电电源(6)与Arduino控制模块(1)、超声波测距传感器(3)、霍尔传感器(4)、电机(5)、为各部分硬件提供电源；

所述电机(5)装配在电路底盘(2)上，位于前轮位置，对前轮进行驱动；两个前轮被两个电机(5)驱动；

转向轴(11)装配在电路底盘(2)上，位于后轮位置，用于后轮的从动转向；

所述电路底盘(2)为双层，双层以塑料支柱与螺钉装配在一起并通过电线进行双层电路底盘(2)之间的信号传输，作用是能够搭载足够多的传感器；

所述Arduino控制模块(1)是自带程序存储器的开发板，置于电路底盘(2)的上层，进行电路控制；

所述转向系统(8)由转向控制杆(9)、转向架(10)、转向轴(11)和车轮(7)组成，转向架(10)设置于电路底盘(2)下表面，左右各设置一个转向架(10)，转向控制杆(9)连接左右两段的转向架(10)，用于控制两段转向架(10)同步转向，转向轴(11)为丁字形，两头竖直与转向架(10)固定，转向轴(11)与驱动车轮(7)连接转向系统(8)；

所述智能避障小车转向还依靠前轮差速转向，两个电机(5)与Arduino控制模块(1)电信号连接，靠Arduino控制模块(1)进行信号控制，实现两端电路差速，小车因速度差实现转向；

所述小车使用USB电源，置于两层电路板中间，用于为所有的电路设备供电。

2.根据权利要求1所述的一种交通沙盘用的智能避障小车，其特征在于：所述超声波测距传感器(3)为安装在小车前方的30°超声波测距传感器(3)。

3.根据权利要求2所述的一种交通沙盘用的智能避障小车，其特征在于：所述超声波测距传感器(3)为安装在小车两侧的79°超声波测距传感器(3)。

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