基于探索者機電創新平臺的全地形車研制

林彤+金濯+任玲

摘 要 通過“探索者創新套件”設計平臺，進行全地形車自主創新設計，包括傳感器信號采集處理系統、控制算法及執行系統、動力電機驅動系統、轉向舵機控制系統等子系統設計，通過裝配、調試，較快通過柵格地毯、臺階、管道、獨木橋四種障礙物。

關鍵詞 全地形車；探索者平臺；機器人

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）22-0041-05

Design and Development of an All-Terrain Robot based on Exp-lorer Mechanical and Electrical Innovative Platform//LIN Tong， JIN Zhuo， REN Ling

Abstract This Explorer all-terrain robot is designed by concerning the explorer innovative suit platform. The independent design pro-cess includes the mechanism design scheme and system design sche-

me， which specially consist of sensor signal acquisition and process system， control algorithm and execution system， power motor drive system， steering rudder control system and so on. This machine can

successfully cross the four obstacle terrain include grid carpet， steps，

tunnels and single-plank bridges.

Key words all-terrain robot； explorer platform； robot

“探索者”平臺是由機器時代推出的專業型機器人設備原型設計工具，包含機構件、舵機、傳感器以及控制模塊，機構零件全部按照國際零件標準設計，結構精密，各個結構零件之間能夠通過螺釘任意角度連接，可組裝四連桿、曲柄滑塊、齒輪傳動等各種典型機械傳動機構和欠驅動機構。傳感器、主控板等控制單元能夠讓使用者在實現機構運動的設計過程中，更全面地了解單片機PLC，計算機語言編程等學科知識。該平臺開發環境軟件采用國際通用的開源機器人軟件，提供C語言結構的代碼、圖形化雙界面，提供豐富的例程，可執行脫離電腦的、快速的示教編程。

1 設計思路

設計要求 本全地形車根據江蘇省大學生機器人大賽“探索者”全地形機器人自主創新設計比賽的規則設計，需要完成穿越圖1所示工業用1-柵格地毯、2-樓梯、3-管道、4-獨木橋。另外，比賽規則要求全地形車應完全自主控制，一旦啟動，不允許人為遙控、無線控制干預和操作。

設計思路 因全地形車需自主穿越障礙物場地，所以應采用以單片機為核心的控制電路，采用模塊化的設計方案，運用不同傳感器實現小車在行駛過程中自動通過障礙物，并把行進數據傳送至單片機進行處理，由單片機ARM7根據所檢測的各種數據實現對全地形車的智能化控制，實現全地形車的各種動作以穿越障礙物。

系統設計框架 系統由平臺內提供的專用觸須傳感器、碰撞傳感器、ARM7主控模塊、圓周舵機和標準舵機驅動組成，框圖如圖2所示。

2 機械設計方案及優化

經過信息收集、方案實施以及不斷地測試調整，全地形車的最終方案采用觸須傳感器、觸碰傳感器、圓周舵機、標準舵機和抬升裝置部件來完成對應的自動通過障礙動作。

通過4種障礙物的機械設計方案

1）通過柵格地毯的機械設計方案。通過柵格地毯時遇到的主要問題是由于柵格間隔較大，全地形車通過時出現陷輪的情況，設置該障礙是為解決該車在不同平地地形正常行走的問題。最初方案采用4個輪子和2個圓周舵機驅動行駛，在平地上行走時很順暢，但在格柵地毯上行走時，4個輪子陷入柵格槽中開始空轉。輪子的大小直接影響了穿越該障礙的效率，于是改用履帶輪以通過柵格，經過測試能夠順暢地通過格柵地毯。

2）通過臺階的機械設計方案。對于攀爬翻越臺階障礙，需要解決攀爬和防止翻車兩個問題。讓全地形車能夠爬上臺階，需要進行一個抬升動作，將車身從地面抬升到臺階豎直面上。抬升裝置是車身結構下方安裝的一個連接舵機的支撐架，舵機的轉動角度也就是支架轉動的角度，由一個傳感器輸送轉動信號，當傳感器觸碰到臺階垂直面時，傳感器控制舵機轉動，從而實現抬升的動作，如圖3所示。

測試過程中發現，支架抬升后，全地形車并未按預想狀態動作，不是車體前部抬升到臺階上，而是后部抬起。經測試，原因在于舵機安裝靠前，導致重心偏前。通過改變支架接觸地面的位置，改變舵機位置后，能夠實現上臺階的動作，如圖4所示。全地形車攀爬上臺階后會由于車身太短，出現整個車身傾倒的情況，實際通過適當加長車體順利解決該問題。

3）通過管道的機械設計方案。通過管道需要該車具備自主轉向的功能，可在車體四周裝上導輪裝置，從而改變運動軌跡。實際測試中發現，安裝導輪后不能在短時間內轉彎。且管道壁實際情況復雜，故采用觸須傳感器來實現轉彎的動作。當觸須傳感器觸碰到管道壁時，舵機轉動角度發生變化而形成轉向，并在整個管道內重復觸須觸碰—調整角度—轉向的過程，以通過管道。

4）通過獨木橋的機械設計方案。通過獨木橋障礙主要需要解決爬坡和下坡問題，如車輪不能與斜面產生足夠的摩擦力，小車則無法攀爬上斜坡，履帶輪能解決這個問題。另外，由于車體上有許多舵機，重心的前移或者后移都會導致上下坡翻車，因此在車體機構設計時需要注意重心的位置。起初測試時，該設備因動力不足，加之履帶打滑，無法走上獨木橋；后通過加長車體，加裝一個驅動輪，如圖5所示，全地形車能夠順利通過獨木橋。

控制軟件設計方案及優化 本車使用單片機ARM7作為主控制模塊的唯一處理器，合理使用接口安排各接口的布局，大大減小主控板面積，減輕車重，同時各模塊之間的連線井然有序，安裝接線時更加明了。ARM7單片機接口結構如圖6所示：輸進端口1、2、3、4連接傳感器；紅外接收端口，連接紅外接收頭；通道選擇鍵，對應手柄通道選擇鍵，分為ABC三個通道；程序寫保護口，1為正常工作狀態，當按鈕撥向ON時，才可以進行程序下載；程序下載端

口，連接下載線；舵機端口1～6，連接舵機，從左起豎排4針接口為一組，共分為6組；輸出端口7、8，連接LED、語音模塊等執行部件，豎排4針接口為一組，共分為2組；電源端口，接連電池或適配器；復位鍵，對單片機進行重啟，會自動清除單片機內所有未保存的動作；電源開關，當開關打開后，指示燈常亮且成紅色。

1）主程序設置。程序中用到TKStudio編程軟件、Flash Magic燒寫軟件和ARM7主控板進行自動通過障礙的編程設計。TKStudio進行程序的編寫；Flash Magic燒寫軟件進行燒寫程序；ARM7主控板進行程序的處理和接口輸入與輸出。

2）開發工具和調試工具。機器人程序編寫采用TKStudio

進行程序編寫，如圖7所示。

程序編寫采用Flash magic軟件進行燒寫程序，如圖8所示。

系統最終方案

1）機械結構以四輪小車為基礎，運用履帶輪，并且用鉚釘增加履帶輪與地面接觸時的摩擦力。

2）自行設計的支架抬升裝置，用來攀爬樓梯。

3）采用觸碰傳感器以檢測臺階的豎直面，從而完成抬升動作，采用觸須傳感器完成通過管道的動作。

最終整車如圖9所示。

3 全地形車結構的安裝與調試

本全地形車設計本著輕巧便捷的原則，最大可能地降低重心，使全地形車越障時車身平穩，并且合理設計電路板的形狀、機械零件的大小及形狀，安排好整車布局，使之既美觀又簡便。對模型車的對地面附著力、舵機的安裝、前后履帶輪距、傳感器的位置與高度、電源模塊、ARM7單片機的位置等進行細致調整，使整體構造簡單、輕便。

傳感器的安裝 觸須傳感器可以檢測到障礙物體，發生形變輸出信號，改變舵機轉速，從而改變運動路徑。安裝時需注意3個事項：

1）確定固定位置，螺栓螺母連接，便于將模塊與機器人固定；

2）確定四芯輸進線位置；

3）傳感器上觸須位置與地面平行且有效觸動角度45°，與障礙物接觸后發生有效彈性形變。

另外，傳感器安裝的高度必須合適，如果安裝位置不當，會影響全地形車的行駛狀態。負責控制抬升動作的觸碰傳感器安裝在車體靠下方的位置，當傳感器觸碰到臺階豎直面時，形變信號傳送到ARM7，ARM7控制抬升裝置中舵機的轉動。負責控制轉向動作的觸須傳感器安裝在機器人前部靠上的位置，避免在攀爬臺階時觸碰豎直面，干擾運動軌跡。

單片機ARM7的安裝 該車采用單片機ARM7作為主控制模塊的唯一處理器，控制機器人所有的運動以及動作。編輯相應程序燒制入ARM7主控模塊。全地形車在工作室按照設置程序進行動作通過障礙物。為了使車體運行時穩定，單片機ARM7控制模塊安裝在車體機械結構底盤的中間，使得整體布局簡潔美觀。

履帶輪的安裝 通過對全地形車使用輪子與履帶不同運動的比較測試，最后選用履帶輪的形式。采用履帶輪的全地形車可以很輕松地通過凹凸面。

安裝與調試中發現，全地形車在攀爬樓梯時，會出現翻車的現象，加長車身長度后能解決翻車的問題。全地形車通過管道時，圓周舵機的負載會因為車輪與履帶轉向角度增大而增大。為了盡可能降低圓周舵機負載，對前后輪的安裝角度，即前后輪定位進行調整。前后輪定位的作用是保障全地形車直線行駛的穩定性，轉向輕便和減輕輪胎與履帶的磨損。當全地形車向左轉彎轉時，控制左側履帶轉動的舵機反轉，控制右側履帶轉動的舵機正轉，向右轉彎時則反之。另在通過獨木橋時，履帶輪能提供的摩擦力太小，不能有效完成攀爬的動作，采用在履帶輪上加裝螺釘的方式增加摩擦力，如圖10所示，解決攀爬獨木橋的問題。

4 總體控制流程圖

在實際穿越障礙時，只有在穿越管道和攀爬臺階時會有傳感器參與運動控制。在管道中行進時，控制流程圖如圖11所示。攀爬臺階時，控制流程圖如圖12所示。

5 效果與總結

主要技術參數 經試驗，本全地形車順利高效地完成了穿越4種指定障礙，這些障礙反映出全地形車行走過程中能遇見的絕大部分障礙。在實際場景中，可根據需求對該車電機的功率、傳感器靈敏度、外觀設備等進行加強，適應不同的需要機器人工作的場合。表1為全地形車的主要參數，可作為今后進一步設計研制的參考。

試驗效果 在第二屆江蘇省大學生機器人大賽中，該全地形車以82秒的時間順利完成4個障礙物及賽道的穿越，榮獲二等獎。“可過獨木橋的五輪機器人”申請了相關的實用新型專利并獲得授權。參考文獻

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