智能避障無碳小車

劉軒　張喜存　趙萌　舒生

摘 要 根據(jù)工程中培養(yǎng)大學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的要求，一種自行小車用Arduino控制功能的重力勢能驅(qū)動的開發(fā)。該小車可以實現(xiàn)自動行走并避過場地上的障礙物，還能通過改變程序中參數(shù)達(dá)到應(yīng)對不同間距障礙物的簡單調(diào)節(jié)效果，適應(yīng)障礙物的變化。通過對小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，通過賽道模型建立，規(guī)劃路線，通過使用編碼器確定小車行走的路程，使用算法實現(xiàn)避障的功能。對此類比賽具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 無碳小車 重力勢能驅(qū)動 規(guī)劃路線 編碼器 避障

中圖分類號：R235.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

“第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽”的主題為“無碳小車障礙賽跑”，需要設(shè)計一種汽車，驅(qū)動行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由重力勢能轉(zhuǎn)換而得到。該重力勢能有大賽給定的質(zhì)量為 1kg 的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（ 50€？5mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼課下降高度為（400€？mm）。小車應(yīng)具有跟蹤障礙物識別、軌跡判斷和自動轉(zhuǎn)向功能，具有制動功能，避免履帶上的障礙物。

越障的難點在于障礙物檢測的傳感器選擇以及避障方式的實現(xiàn)，并要保障其避障的穩(wěn)定性，以避過更多的障礙物。將設(shè)計任務(wù)分為機(jī)械部分設(shè)計和電控部分設(shè)計，其中電控部分設(shè)計為主要的設(shè)計任務(wù)。

1賽道

軌道寬度為1.2米，形成約15.4米寬的圓形軌道約為2.4米，其中直線的長度為13米，兩端半徑的曲率半徑約為1.2米，總長約為中心線的長度，見圖1。

軌道的邊緣設(shè)有高度限制板80mm，追蹤間隔交錯的多重障礙，障礙墻高度約80mm，相鄰的墻之間的最小距離是1米，每個障礙物從賽道一側(cè)邊緣延伸至超過中線100-150mm。

在直賽道設(shè)置有1段坡道，坡道由上坡道、坡頂和下坡道組成，上坡道的坡度為3€皜？€埃縷碌賴鈉露任？.5€皜？.5€埃黃露ジ叨？0€？mm，坡頂長度為250€？mm，坡道位置事先公布。

2機(jī)械部分設(shè)計方案

無碳小車主要分為車架、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)的五個模塊分別設(shè)計了各模塊，并利用SolidWorks對三維建模進(jìn)行干涉分析，并優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化成本方案。

2.1原動機(jī)構(gòu)

設(shè)計滑輪，通過棉線一端連接重錘，另一端固定在小車大齒輪軸的繞線軸上，對小車后輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩。

2.2傳動機(jī)構(gòu)

無碳小車要求運動穩(wěn)定，于是選擇圓柱形直齒輪作為傳動元件。賽題要求出發(fā)一段距離后，要求上一段斜坡，所以小車需要足夠的速度以沖上斜坡，這就意味著需要更大驅(qū)動力矩來獲取較大的加速度。于是設(shè)計了一種繞線軸以增大驅(qū)動力矩。如圖2所示。

2.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

無碳小車轉(zhuǎn)向需配合單片機(jī)控制，于是采用控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向來控制小車前輪轉(zhuǎn)向，設(shè)計了一種以緊定螺釘為固定方式的前輪支架，采用3D打印技術(shù)制作，便于加工，節(jié)約成本，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4驅(qū)動機(jī)構(gòu)

為了方便轉(zhuǎn)彎，后輪需要使用兩輪差動傳動。在設(shè)計中，差動功能由單向軸承實現(xiàn)。其原理是，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速較大時，從動輪被驅(qū)動為驅(qū)動輪。

3電控部分設(shè)計方案

無碳小車為實現(xiàn)賽題設(shè)定要求，電控部分共分為單片機(jī)控制模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊、路程測量模塊和微調(diào)控制模塊5個模塊。

3.1單片機(jī)控制模塊

主控芯片采用Arduino單片機(jī)，其主要是處理編碼器、超聲波的數(shù)據(jù)，并根據(jù)編寫的程序通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向來控制小車轉(zhuǎn)向。Arduino具有編程語言簡單和開放性搶的特點，適合于初學(xué)者使用，并可以通過需求增加拓展板以獲取更多的功能。

3.2舵機(jī)模塊

舵機(jī)使用MG995舵機(jī)，該舵機(jī)具有質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，扭矩大的特點，其工作電壓為3.0v-7.2v，最大轉(zhuǎn)動角度為180€埃钚》直娼強(qiáng)紗锏？.5€啊Mü饔胊rduino編程語言myservo庫函數(shù)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度。

3.3電源模塊

電源采用比賽要求6節(jié)1.5v共9v的堿性干電池作為電源給單片機(jī)供電。電池的正負(fù)極分別與單片機(jī)的VCC端和接地端連接。

3.4路程測量模塊

該車采用雙通道增量式光電編碼器作為測距裝置，安裝小車左后輪位置，主要目的是通過走過的距離檢測汽車左后輪。編碼器脈沖數(shù)500。編碼器旋轉(zhuǎn)一圈并發(fā)出500個脈沖，脈沖編碼器的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為0.72O，測算后輪周長L，則有對應(yīng)關(guān)系，編碼器每轉(zhuǎn)動 ，小車走過（ /360€皜譒）的距離，編碼器轉(zhuǎn)動360€埃〕底吖桓齪舐值鬧艸こざ萀，以此作為小車左后輪走過的路程的檢測。

3.5微調(diào)控制模塊

在小車的前左右部位安裝三個SR04超聲波作為距離檢測模塊，如圖4所示。可以實時檢測小車前方，左側(cè)，右側(cè)的距離障礙的距離，從而更好的實現(xiàn)避障。SR04超聲波具有良好的性能，偵測距離和精度較高，程序編寫簡單，工作電壓+5v，檢測精度€？%。

4具體設(shè)計與實現(xiàn)

4.1避障的工作原理

程序的主體框架為直行，超聲波檢測到障礙物時，前面的車時實施編碼器的避障程序，通過車的MATLAB仿真的正確軌跡模擬，確定轉(zhuǎn)動的角度，汽車轉(zhuǎn)彎避障程序需要寫編碼器的距離。當(dāng)汽車的左超聲波檢測距離大于右超聲波檢測距離時，執(zhí)行右避障程序；當(dāng)小車的左超聲波檢測的距離小于右超聲波檢測的距離時，執(zhí)行小車左轉(zhuǎn)程序。主要是向左右相對開闊的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向避障。當(dāng)小車運動中左超聲波檢測的數(shù)據(jù)小于警戒值或右超聲波檢測的數(shù)據(jù)小于警戒值時，開啟中斷執(zhí)行微調(diào)程序，使小車向較小距離的反方向轉(zhuǎn)動小角度后回復(fù)至中位，避免撞到側(cè)板。程序流程圖如圖5所示。

4.2實驗結(jié)果

通過對軌道電路的仿真，實現(xiàn)小車的避障功能，使小車在設(shè)定的軌跡上行走，通過超聲波檢測小車的轉(zhuǎn)彎方向來確定。小車在模擬賽道上實景示意圖如圖6所示。

5結(jié)語

本文提出了一種抗干擾性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性高的一種避障無碳小車。在倡導(dǎo)創(chuàng)建環(huán)境友好型社會的大環(huán)境下，無碳小車小車緊跟時代潮流，并且本文提出的避障方式對于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域有一定的實用價值。具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。在本次比賽中，通過團(tuán)隊合作，將理論運用于實踐，從設(shè)計到制作，再到裝配，調(diào)試。每一步都不容馬虎。同時也使得我們學(xué)會很多東西。小車有很多不足，這些都有待進(jìn)一步發(fā)展和提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 范紅.智能機(jī)器人路徑規(guī)劃及避障研究[D].浙江：浙江大學(xué)博士論文，2003.

[2] 趙津，朱三超.基于arduino單片機(jī)的智能避障小車設(shè)計片[D].貴州：貴州大學(xué)，2013.

[3] 李杰，謝良喜，等.無碳小車軌跡模擬及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化[J].制造業(yè)信息化，2015：36-38

[4] 胡夏.六足步行機(jī)器人直形關(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2008.

[5] 趙雄飛.光電編碼器的原理及應(yīng)用[J].天津冶金，2016：44-46.

[6] 廖漢元，孔建益.機(jī)械原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.endprint