NCITPA 2015 ARDUINO 超音波感測紅外線遙控車廖文淵 1* 曾奕翔德霖技術學院資訊工程系 * 1 摘要現今科技發達的狀態下,Arduino 板越來越多元, 功能也越來越強大, 可以拿來做許多的應用, 甚至網路上也有許多程式碼與作品跟大家一起分

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泽於
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1 ARDUINO 超音波感測紅外線遙控車廖文淵 1* 曾奕翔德霖技術學院資訊工程系 * 1 摘要現今科技發達的狀態下,Arduino 板越來越多元, 功能也越來越強大, 可以拿來做許多的應用, 甚至網路上也有許多程式碼與作品跟大家一起分享, 綜合大家的想像力與開發力, 創造出自己的 Arduino 產品, 展現科技的魅力本研究結合了紅外線控制及超音波感測來完成 Arudino 自走車採用簡單的電路圖, 與感應器做結合, 其中在麵包板上有紅外線的接收器, 利用紅外線發射器發出訊號時, 接收器就會接收訊號來讓操作者控制車子的動向, 在車子的前方有超音波感測器, 遇到障礙物時, 會在原地旋轉到前方無障物時, 才會繼續行走, 如果無紅外線訊號時, 車子依然會自動行走, 但還是會去感測前方是否有障礙物依自己的構想創作出以 Arduino 板作為控制的產品, 讓我們對新科技有更深刻的了解, 與加強對 Arduino 的知識, 進而發揮更具有意義的想像力關鍵詞 :Arduino 超音波感測器紅外線通訊 1. 簡介現今科技的發展, 許多工作都是由電腦和機器來控制, 人力漸漸地被取代智慧型自走車的應用也逐漸普及到居家的環境清潔與保全之中, 期望能使人類有更便利更安全的生活目前的無人自走車種類很多, 如 : 感應式超音波感測直流馬達步進馬達驅動無線遙控 PC 控制等利用感測器測得周遭物體位置, 經由單晶片判讀並控制自走車前進方向本系統是以用超音波感測跟紅外線控制來操控車子的行走, 如果能把這兩個功能結合在智慧家電, 可使生活更便利 2. 背景與架構 2.1. Arduino 介紹 Arduino 是一塊基於開放原始碼發展出來的 I/O 介面控制板, 並且具有使用類似 Java C 語言的開發環境, 讓使用者可以快速使用 Arduino 語言與 Flash 或 Processing... 等軟體, 作出互動作品 216

Arduino 是在 2005 年 1 月由米蘭互動設計學院的教授 David Cuartielles 和 Massimo Banzi 所設計出來了, 原始構想是希望讓設計師及藝術家們, 透過 Arduino 很快的學習電子和感測器的基本知識, 快速的設計製作作品的原型, 很容易與目前設計系所學的 FLASH, MAX/MSP, Virtool 等軟體整合, 使得虛擬與現實的互動更加容易

2 Arduino 是在 2005 年 1 月由米蘭互動設計學院的教授 David Cuartielles 和 Massimo Banzi 所設計出來了, 原始構想是希望讓設計師及藝術家們, 透過 Arduino 很快的學習電子和感測器的基本知識, 快速的設計製作作品的原型, 很容易與目前設計系所學的 FLASH, MAX/MSP, Virtool 等軟體整合, 使得虛擬與現實的互動更加容易互動的內容設計才是設計師的主要訴求, 至於怎麼拼湊一個單晶片開發板, 或是當中涉及如何構築電路之類的知識, 就並非設計師需要了解的, 因此非常適合不具電子背景的人使用, 以設計出各種不同的互動裝置本系統所使用 Arduino Uno 板如圖 1 所示, 具有以下特色 : (1) 開放原始碼的電路圖設計, 程式開發工具免費下載, 也可依需求自己修改 (2) 使用低價格的為處理控制器 (ATMEGA8 ATmega168) 可以採用 USB 供電, 不需外接電源也可以使用外部 9VDC 輸入 (3) Arduino 支援 ISP 線上燒錄, 可以更新 Bootloader 韌體燒入 ATmega8 或 ATmega168 晶片有了 Bootloader 之後, 可以透過連接戶或者 USB to RS232 線更新軟體 (4) 可依據官方提供的電路圖, 簡化 Arduino 模組, 完成獨立運作的微處理控制更可簡單的與感測器, 及各式各樣的電子元件連線例如 : 紅外線超音波熱敏電阻光敏電阻伺服馬達... 等 (5) 支援多種互動程式, 如 :Flash Max/Msp C processing... 等 Arduino 設計之初的目的是希望讓設計師和藝術家們能夠透過它很快地學習電子和感測器的知識, 並應用到他們的設計當中, 設計中所要表現的想法和創意才是最主要的, 至於控制板如何工作, 硬體的電路是如何構成的, 設計師和藝術家們並不需要考慮 Arduino 具有各式各樣不同種類的板子, 以符合各種不同的應用需求, 包括 : 標準版 Arduino 小型的 Arduino 資源更豐富的 Arduino 變形的 Arduino Arduino 網站中還有一些擴展板, 如 WiFi Shield Ethernet Shield Motor Shield 等, 這些擴展板能夠將 Arduino 擴展到更廣泛的應用領域 2.2. 自走車相關技術簡介圖 1: Arduino Uno 217

3 自走車除了本系統所做的超音波感測避障與紅外線遙控之外還有其他的應用, 下面介紹循跡自走車與手機藍芽控制 1. Arduino 循跡自走車先用遙控車來做個說明, 假設有一部有線或無線遙控的小車, 左右輪各由一個獨立的馬達控制, 遙控器則有三個按鈕, 分別是前進左轉及右轉, 可直接控制車子的行進方向控制這樣的小車來循著一條既定的軌跡行走接下來, 把這個按下按鈕的工作交給 Arduino 等微處理器來做, 就把這部小車變成自動循跡的自走車了當然, 處理器決定是否該按下按鈕時, 必須要接受到外界給它的參數作為參考依據, 這也就是感應器所感應到的結果簡單地說當車子中心部位的感應器感應到路線時, 處理器接到這個資訊就下了一個判斷, 按下前進按鈕, 於是車子就走了起來 ; 當車子偏左時, 表示軌跡偏右, 這時只有右邊的感應器感應到路線, 而這個資訊傳給處理器時, 處理器就會下一個判斷, 按下右轉按鈕來修正行走路線, 直到中間的感應器感應到了路線時, 恢復為按下前進按鈕 ; 偏右時也是一樣的原理 2. 手機藍芽控制遙控車手機藍芽控制遙控車裡, 主要利用手機跟藍芽模組進行遠端操控, 在自走車中包含了電源電路馬達模組晶片電路藍芽模組等, 再結合車身車輪且搭配寫好的控制程式, 完整的自走車就能出爐在智慧型手機方面則需要建立執行介面和藍芽模組的遠端連線, 建立完再結合自走車, 達到智慧型手機的控制也因此智慧手機遙控自走車, 涉及了多方面的知識領域 3. 系統設計本系統使用的軟體硬體將分別介紹, 包含車體行控子系統超音波避障子系統紅外線遙控子系統所使用到的硬體元件及 Arduino IDE 開發環境 3.1. 車體行控子系統本研究利用超音波避障與紅外線遙控來控制車子的行進超音波感測到物體車子會自動轉彎, 也可利用紅外線遙控來進行車子的操控本研究使用 L298N 模組如圖 2 示, 可動兩個直流馬達, 控制訊號可以用 Arduino 或是其它微控制器輸入這塊板子上帶有一個 5V 穩壓器, 使用者可以選擇要不要打開 5V 輸出介面, 以提供 5V 電源給 Arduino 或其它微控制器模組使用的主要積體電路是 ST 公司的 L298N, 具有驅動能力強, 發熱量低, 抗干擾能力強的特點, 但是為了避免穩壓晶片損壞, 當使用大於 12V 驅動電壓的時候, 要使用外置的 5V 邏輯供電 218

圖 2: L298 馬達擴充板 3.2. 超音波避障子系統本系統所使用的超音波是用來感測前方障礙物並傳回馬達執行轉彎的動作, 轉至前方無障礙物時再繼續前進超音波具有在氣體中容易衰減, 液體和固體中傳播效率佳的性質相對的, 電波無從在水中傳播因此水中的通信全都使用超音波例如 : 漁船的聲納雷達便是運用這種特性由於超音波傳播的速度比電波顯著的緩慢, 所以能夠正確捕捉到及利用反射波的

4 圖 2: L298 馬達擴充板 3.2. 超音波避障子系統本系統所使用的超音波是用來感測前方障礙物並傳回馬達執行轉彎的動作, 轉至前方無障礙物時再繼續前進超音波具有在氣體中容易衰減, 液體和固體中傳播效率佳的性質相對的, 電波無從在水中傳播因此水中的通信全都使用超音波例如 : 漁船的聲納雷達便是運用這種特性由於超音波傳播的速度比電波顯著的緩慢, 所以能夠正確捕捉到及利用反射波的回音現象音速可用波長和頻率之積表示因為傳播速度慢的超音波之波長變的非常短, 所以指向性尖銳, 傳播通路能夠依據幾何光學上加以處理, 波長短的意思就是表示能夠當做寬度狹小的脈衝放射, 假如使用電波的雷達那樣, 相信由此不難明白可以應用做方向性與距離分解性能優異的超音波聲納與超音波診斷, 還有超音波顯微鏡等之理由所使用之超音波模組如圖 3 所示, 超音波感器測器之種類可以細分為以下六種型式 : 1. 開放型 (Open Type): 其發射器和接收器之感測面由細網覆蓋, 一般用於室內或濕氣較低的場合 2. 密閉型 (Encloseed Type): 整個超音波感測器均被密閉封裝, 適用於室外或環境較差的場合 3. 脈波傳送型 (Pulse Transit Type): 外表與一般開放型並無太大差別但這種類型之超音波感測器是屬發射與接收一體主要是它具有很短的衰退時間, 並使用脈波驅動而所加的脈波電壓可達數拾甚至數百伏特故能得到瞬間大功率的發射以進行達距離的傳送 4. 寬頻帶型 (Wide Bandwidth Type) : 這類超音波感測器的頻寬較大, 若中心頻率為 40kHz, 其頻寬可達正負 5kHz, 所以對中心頻率可能漂移較多的場合中, 很適合使用寬頻帶型, 以免超音波發射與接收因頻率漂移而失效 5. 振盪內建型 (Buillt-in Crystal Type): 該類型的產品乃把超音波壓電材料與所需要的振盪電路做在一起, 都屬發射器, 只要加上直流電源, 其內部振盪電路使能自動產生驅動信號, 使壓電材料產生超音波之振動是一種非常方便的產品 219

6. 高頻型 (High Frequency Type): 該類型頻率可高達 120kHz 或

5 6. 高頻型 (High Frequency Type): 該類型頻率可高達 120kHz 或 210kHz. 因頻率高, 使得其指向性特別明顯大約只在正負 10 的範圍以內各類型之超音波感測器, 均有其適用的場合, 以符合不同的需求所以不是隨便買一組超音波感測器, 就什麼功能都想達到圖 3: 超音波模組 4. 研究結果 4.1. 系統架構圖與系統流程本系統硬體架構包含 Arduino Uno 板馬達擴充板超音波避障子系統紅外線遙控子系統直流馬達, 如圖 4 所示 : 本系統控制流程如圖 5 所示, 啟動車子後先判斷是否有紅外線訊號, 再由超音波判斷障礙物並自行轉彎圖 4: 硬體系統架構 220

6 圖 5: 系統流程圖圖 6: 成品架構圖 221

7 4.2. 成果展現本研究已完成系統開發, 以下介紹完成之成果畫面, 本系統的音波避障紅外線遙控車成品圖如圖 6 所示操作過程包含以下步驟 : 1. 啟動時, 超音波模組會偵測距離內是否有障礙物, 若無則會繼續前行如圖 7 所示 2. 在超音波偵測到障礙物時則會進行轉至無障礙物的方向再繼續直行的動作如圖 8 所示 3. 加裝紅外線遙控子系統, 所以也可以依照自己所按的按鍵來進行控制車子的行進動作如圖 9 所示圖 7 自走車直行圖 8: 自走車避障圖 9: 紅外線遙控 222

8 5. 結論本系統藉由超音波避障子系統來自動迴避障礙物, 也可以藉由紅外線遙控子系統讓車子依照自己的意思來行走我們利用 Arduino 和紅外線的智慧生活科技, 可以透過紅外線來控制智慧型家電, 這樣子人可以在遠方就來控制家電, 可以應用於家庭的自動吸塵器上面將來不論工業與家庭未來一定會以機器人來取代現有的人力, 往後工廠會使用機器人來工作使商品消耗與損失降低以及工作效率的提升, 而家庭則是利用機器人做家事等等, 我們想從研究自走車來更了解機器人的發展參考文獻 [1] 葉難著, 輕鬆入門 Arduino 範例分析與實作設計 [2] 孫駿榮吳明展盧聰勇著, 最簡單的互動設計 Arduino 一試就上手 [3] 趙英傑著, 超圖解 Arduino 互動設計入門 [4] 程晨著,Arduino 互動設計入門與應用 [5] 柯博文著,Arduino 互動設計專題與實戰 [6] 範例程式與程式庫, [7] Arduino 教學, [8] 陳鐘誠的網站, [9] 張超舜, 直流馬達與交流馬達之介紹與應用, [10] 藝科資訊,Arduino 軟體燒錄入門, 223

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