一、前言

（一）研究背景

随着科技的不断发展，智能机器人的应用范围越来越广泛。超声波避障小车作为一种常见的智能机器人应用，具备在实际场景中自主感知环境并避免障碍物的能力，在家庭、工业等领域具有潜在的广阔市场。本研究旨在利用掌控板和超声波传感器设计一种简单而高效的超声波避障小车系统。

（二）研究目的

本研究的目的是借助掌控板的强大功能，设计一个基于超声波的避障系统，为智能机器人技术的研究和应用提供一种新的解决方案。通过实验验证系统的可行性和有效性，为后续的智能机器人研究奠定基础。

二、超声波传感器原理与应用

超声波传感器是超声波避障小车中关键的感知组件，通过其原理和应用实现车辆的障碍物检测和避免功能。以下是关于超声波传感器原理与应用的内容。

超声波传感器是基于超声波的传播和反射原理工作的。超声波是一种高频声波，其频率通常在20kHz至200kHz之间。一个发射器和一个接收器构成了传感器，其中发射器产生超声波脉冲，这些脉冲在空气中进行传播。在超音速碰触物品的表层后，可能产生反射和分离。反射波或散射波会被接收器接收，并转换为电信号。

根据超声波的传播时间和声速，可以计算出传感器与物体之间的距离。已知的是传感器发射器和接收器之间的距离，通过计算超声波的传播时间差，我们可以确定与传感器相邻的物体的距离。

超声波传感器在超声波避障小车中的应用广泛。它能够检测车辆前方的障碍物，通过测量障碍物与传感器之间的距离，提供实时的环境感知能力。基于这些数据，车辆可以采取适当的措施，例如停车、变向或绕行，避免与障碍物碰撞，确保行驶的安全性。

超声波传感器常常采用多个传感器的布局，以便覆盖车辆周围的多个方向。通过在车辆的前方、侧方和后方等位置安装传感器，可以实现全方位的障碍物检测和避让行为。通过检测传感器之间的距离差异，还可以识别出障碍物的相对位置和方向，从而更准确地实施避让策略。

三、掌控板的功能和特点

掌控板是一种具有强大功能和灵活性的开源智能机器人控制平台，专为智能机器人的设计与开发而创建。它融合了多种硬件和软件资源，使得设计制作超声波避障小车成为可能。以下是关于掌控板的功能和特点的内容。

首先，掌控板具备丰富的外设接口和扩展性。这款设备配备了众多的数码输入输出端口、模拟输入输出端口以及PWM输出端口，使得各种传感器与执行器的联系变得更加简单。这样一来，在超声波避障小车的设计中，我们可以轻松地与超声波传感器、电机驱动和其他硬件进行连接，实现对小车各部分的控制和数据交互。

其次，掌控板具备强大的处理能力。基于ARMCortex-M4内核的处理器和充足的存储空间，掌控板可以高效地运行复杂的算法和执行多线程任务。这对于超声波避障小车来说非常重要，因为小车需要通过实时的数据处理和决策来进行避障行为，确保行车安全。

此外，掌控板支持多种编程语言和开发工具，其中最常用的是Arduino。Arduino编程环境简单易用，适合初学者和专业开发者使用。通过编写和上传程序代码，可以实现对掌控板的控制和配置。这使得设计制作超声波避障小车的过程更加便捷和灵活，并提供了丰富的调试和扩展的可能性。

掌控板还具备友好的用户界面和交互方式。它配备了TFTLCD触摸屏，可以实现直观的图形显示和交互操作。这使得小车的控制和监测更加方便，用户可以通过触摸屏进行参数设置、模式选择和结果显示等操作。同时，掌控板还可以与其他设备进行无线通信，例如Wi-Fi或蓝牙模块，进一步扩展系统的功能和交互方式。

掌控板作为一个功能强大的开源智能机器人控制平台，具备丰富的外设接口、强大的处理能力、多种编程语言支持和友好的用户界面。这些特点使得它非常适合用于设计制作超声波避障小车，为小车的自主避障行为提供了可靠的技术支持。掌控板的功能和特点相互补充，为我们实现智能机器人的梦想提供了更加广阔的空间。

四、超声波避障小车系统设计与实现

超声波避障小车的设计与实现是基于掌控板和超声波传感器的合作。以下是关于超声波避障小车系统设计与实现的内容。

首先，需要确定超声波传感器与掌控板的连接方式。超声波传感器一般通过信号线、供电线和地线与掌控板连接。在设计过程中，需要根据掌控板的接口和超声波传感器的需求，选择适当的引脚进行连接。同时，要保证物理连接可靠，避免松动或断开的情况。

其次，对超声波传感器采集到的距离数据进行处理。通过掌控板上的算法，可以将传感器接收到的超声波反射波信号转化为距离数据。这些距离数据对于避开障碍物非常重要。

接下来，需要设计避障算法。避障算法是超声波避障小车实现自主避障的核心。根据距离数据和预设的安全阈值，我们可以设置一套判断标准，判断是否有障碍物出现在小车前方。当检测到障碍物时，通过调节小车的速度、转向角度或者停车等方式，使小车能够避开障碍物并继续前进。

另外，需要对小车的驱动系统进行设计与实现。掌控板通常会配备电机驱动接口，可以接入电机驱动器来控制小车的运动。通过掌控板的PWM输出接口，可以控制电机的转速和转向。这样，通过掌控板与超声波传感器的协作，小车可以根据检测到的障碍物距离及其位置，灵活地调整轮子的转速和转向，以实现避开障碍物的目的。

此外，在设计过程中，需要对掌控板进行编程控制。利用掌控板上丰富的编程资源，可以编写代码来处理传感器数据、控制电机驱动以及实现避障算法。编程语言可以选择Arduino环境下的C/C++，通过编写代码优化算法，实现对超声波避障小车系统的全面控制。

最后，对超声波避障小车系统进行测试和评估。通过实验验证，可以测试系统的避障性能和稳定性，评估系统在真实环境中的表现。

超声波避障小车系统设计与实现的内容需要连贯，包括硬件连接、数据处理、避障算法设计与编程控制等方面。通过合理设计和优化，超声波避障小车可以在实际应用中展现出良好的避障能力和稳定性。

结论

总之，掌控板设计制作超声波避障小车的研究和设计工作为智能机器人技术的研究和应用提供了有力支持。通过结合掌控板和超声波传感器的优势与特点，超声波避障小车能够实现可靠的障碍物检测和避免功能，为未来智能机器人的发展和应用提供了新的可能性。

参考文献

[1]顾志华，戈惠梅，徐晓慧，等.基于多传感器的智能小车避障系统设计[J].南京师范大学学报：工程技术版，2014，14（1）：12-17.

[2]李志宜，帅江华.寻迹和避障智能小车系统设计[J].科技创新与应用，2016（36）：39.

[3]董胡，马振中.基于单片机的智能玩具小车设计[J].微型电脑应用，2014，30（9）：14-16.