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(shì)能驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。該小車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走并避過場(chǎng)地上的障礙物，還能通過改變程序中參數(shù)達(dá)到應(yīng)對(duì)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(duì)小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)避障的功能。對(duì)此類比賽具有一定的參考價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)：R235.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

“第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”的主題為“無碳小車障礙賽跑”，需要設(shè)計(jì)一種汽車，驅(qū)動(dòng)行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得到。該重力勢(shì)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(shí)別、軌跡判斷和自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能，具有制動(dòng)功能，避免履帶上的障礙物。

越障的難點(diǎn)在于障礙物檢測(cè)的傳感器選擇以及避障方式的實(shí)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(jì)任務(wù)分為機(jī)械部分設(shè)計(jì)和電控部分設(shè)計(jì)，其中電控部分設(shè)計(jì)為主要的設(shè)計(jì)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(cuò)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(gè)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(jì)方案

無碳小車主要分為車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的五個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)了各模塊，并利用SolidWorks對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)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(duì)小車后輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩。

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

無碳小車要求運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，于是選擇圓柱形直齒輪作為傳動(dòng)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(dòng)力矩來獲取較大的加速度。于是設(shè)計(jì)了一種繞線軸以增大驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)

為了方便轉(zhuǎn)彎，后輪需要使用兩輪差動(dòng)傳動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，差動(dòng)功能由單向軸承實(shí)現(xiàn)。其原理是，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速較大時(shí)，從動(dòng)輪被驅(qū)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)輪。

3電控部分設(shè)計(jì)方案

無碳小車為實(shí)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(cè)量模塊和微調(diào)控制模塊5個(gè)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(diǎn)，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(diǎn)，其工作電壓為3.0v-7.2v，最大轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(cè)量模塊

該車采用雙通道增量式光電編碼器作為測(cè)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(cè)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(gè)脈沖，脈沖編碼器的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為0.72O，測(cè)算后輪周長L，則有對(duì)應(yīng)關(guān)系，編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng) ，小車走過（ /360€皜譒）的距離，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)。

3.5微調(diào)控制模塊

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

4具體設(shè)計(jì)與實(shí)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(cè)到障礙物時(shí)，前面的車時(shí)實(shí)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(dòng)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(cè)距離大于右超聲波檢測(cè)距離時(shí)，執(zhí)行右避障程序；當(dāng)小車的左超聲波檢測(cè)的距離小于右超聲波檢測(cè)的距離時(shí)，執(zhí)行小車左轉(zhuǎn)程序。主要是向左右相對(duì)開闊的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向避障。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)中左超聲波檢測(cè)的數(shù)據(jù)小于警戒值或右超聲波檢測(cè)的數(shù)據(jù)小于警戒值時(shí)，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(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)軌道電路的仿真，實(shí)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(cè)小車的轉(zhuǎn)彎方向來確定。小車在模擬賽道上實(shí)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(huì)的大環(huán)境下，無碳小車小車緊跟時(shí)代潮流，并且本文提出的避障方式對(duì)于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域有一定的實(shí)用價(jià)值。具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。在本次比賽中，通過團(tuán)隊(duì)合作，將理論運(yùn)用于實(shí)踐，從設(shè)計(jì)到制作，再到裝配，調(diào)試。每一步都不容馬虎。同時(shí)也使得我們學(xué)會(huì)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。

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