工程訓練綜合能力競賽無碳小車控制系統設計*

黃淑新，蔡孟凱，楊 智，賀界晴，陳力航，李 旭,2※

（1.湖南農業大學工學院，湖南長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心，湖南長沙 410128）

0 引言

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是全國性大學生科技創新實踐競賽活動，是為促進創新人才培養而開展的一項公益性科技創新實踐活動。目的是通過競賽，進一步深化實驗教學改革，提升大學生工程創新意識、實踐能力和團隊合作精神。在第五屆（2016年）競賽中，賽會在傳統“8字型賽道”和“S型賽道”項目外，增加了重力勢能驅動的自控小車越障競賽。規則要求小車在由1 kg重錘下降400 mm轉化的重力勢能驅動下行進，由單片機系統控制轉向，通過機械系統和電子系統的協調配合避開障礙物自動行走。賽道為環形賽道，兩端外緣是曲率半徑為1.2 m的半圓形，整個賽道長為15.4 m，寬為2.4 m，其中直線段賽道長度為13.0 m，中心線總長度約30 m。賽道邊緣設有高度為80 mm的道牙擋板，賽道上隨機設置了多個間隔不等的障礙墻，障礙墻高80 mm，相鄰障礙墻之間最小間距為1 m，每個障礙墻從賽道一側邊緣延伸至超過中線100～150 mm；在直線賽道有一段坡道，坡道由上坡道、坡頂平道和下坡道組成，賽道示意圖如圖1所示。比賽以小車行走的直線距離和成功避讓的障礙數量來綜合比賽成績。

圖1 賽道示意圖Fig.1 Track sketch map

1 小車機械結構設計

小車機械結構主要由車架、動力轉換機構、傳動機構、轉向機構和行走機構五個部分組成，小車結構圖如圖2所示。車架用于安裝各個部件，是整個系統的基礎，由車底板、軸承座、轉向支架、傳感器安裝支架、支撐立柱和上托盤組成。動力轉換機構用于把重錘的重力勢能轉化為小車前進所需要能量并將之傳遞給傳動機構，主要由安裝在主動軸上的繞線輪、固定在上托盤上的滑輪和連接重錘和繞線輪的細繩所組成。重錘在重力的作用下下降時，置于滑輪上的連接重錘和繞線輪的細繩會繃直并拉動繞線輪所在的主動軸轉動，從而實現能量的轉化與傳遞。傳動機構由主動軸、從動軸、大齒輪和小齒輪組成。傳動方式為一級直齒圓柱齒輪傳動，傳動比為4.8，傳動原理圖如圖3所示。轉向機構由前輪軸、前輪、前叉和舵盤所組成。轉向機構通過前叉與轉向支架連接，通過舵盤與控制轉向的執行裝置相連。前輪的直徑為 26 mm，較小的前輪有助于提高小車轉向時的靈活性，并降低能耗。小車的行進機構由主動輪、從動輪、軸承和法蘭盤組成，行進機構為單輪驅動加單向軸承的方式，具體為小車的一個輪子通過法蘭盤直接和傳動機構的動力輸出軸（從動軸）固定，作為主動輪；而另一個輪子則通過軸承和從動軸連接，為從動輪。小車在自主避障時，行進機構采用此種方式，能夠精簡機構，提高靈活性[3-4]。

圖2 小車結構圖Fig.2 Dolly structure diagram

圖3 傳動原理圖Fig.3 Transmission schematic diagram

2 小車的控制系統設計

要實現小車自主尋跡避障，關鍵是實時采集小車位置信息，調整小車轉向。小車控制系統包括控制單元、信息采集單元、執行單元和電源單元。信息采集單元包括距離檢測、速度檢測和角度檢測三個部分，用于采集小車在上下坡，避開障礙物及拐過彎道等過程中小車車身位置角度的變化和速度的變化，控制系統框圖如圖4所示。

圖4 控制系統結構框圖Fig.4 The diagram of dolly control system structure

2.1 控制單元

控制單元是整個控制系統的核心部件，用于接收信息采集單元得到的信息并對其進行分析處理之后，驅動執行裝置動作。本設計中選用STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片是基于Cortex_M3內核的一款32位的嵌入式處理器，帶有128 k的程序存儲器，工作頻率最高可達72 MHz，STM32F103C8T6擁有4個定時器，支持ADC轉換，能夠提供USB、IIC、SPI等通信接口。STM32F103C8T6的資源豐富、性能強大、功耗低、價格低廉，十分適合用作小車的主控芯片[5]。

2.2 信息采集單元

2.2.1 距離檢測

小車在行進過程中，需要實時采集小車和賽道的道牙擋板及障礙墻的距離，在距離檢測設計上，超聲波測距和紅外測距是使用較為廣泛的兩種。前者利用超聲波的反射來獲取距離信息，典型的傳感器有HC-SR04；后者利用光線的反射來獲取距離信息，應用較多的紅外測距傳感器有GP2Y0A02YK0F。上述兩種傳感器都能實現距離檢測，但是其特點和優勢各不相同，兩種傳感器的基本參數如表1所示。

表1 測距傳感器基本參數表Tab.1 Basic parameters list of range sensor

綜合比較，超聲波HC-SR04的測量范圍廣，死區小，其缺點是有效檢測角度偏小，只有15°。GP2Y0A02YK0F是一個組合了PSD、IRED及信號處理電路的模塊，其輸出的是電平模擬信號，控制器通過AD讀取出電壓，再轉換成相應的距離信息，GP2Y0A02YK0F采用三角測量方法，具有較高的穩定性。但是GP2Y0A02YK0F存在較大的死區，測量距離也偏短。為了得到較大的測量范圍并避免死區，小車的距離傳感器采用HC-SR04。其實物圖如圖5所示。

2.2.2 速度檢測

小車的速度檢測由U型對射式光電傳感器和光柵盤組成。U型對射式光電傳感器由一個發射管和一個接收管組成，當接收管能夠接收到發射管發出的光時，傳感器輸出高電平，否則傳感器輸出低電平。光柵盤由等間距的透光縫隙相間排列組成，安裝在軸上，隨著小車的運動而轉動，從而導致U型光電傳感器不間斷的輸出高低電平，通過采集在單位時間光電傳感器輸出電平變化的次數，就可以得到小車運行的速度。

在正常生長條件下，外界環境的滲透勢大于植物根系細胞的滲透勢，因而植物根系可以從外界環境中吸取水分，以維持正常生命活動的水分供應；但外界高濃度的鹽分會導致水勢下降，使得外界環境的滲透勢小于植物根系的滲透勢，這時植物根系無法吸收水分，從而引起水分的虧缺，長時間的滲透缺水會導致植物枯萎甚至死亡［5］。研究表明，當冰葉日中花處于0.8 mol／L的NaCl溶液時，植株出現嚴重萎焉，最終死亡；而在 0.2 mol／L NaCl處理下的植株生長速度明顯加快，單棵植株質量顯著高于未經NaCl處理的幼苗［6］。因此，低鹽環境在一定程度上可以促進冰葉日中花的生長。

圖5 HC-SR04圖Fig.5 The drawing of HC-SR04

2.2.3 角度檢測

設計采用電子陀螺儀采集小車行進過程中的角度信息，具體為六軸電子陀螺儀MPU6050，MPU6050能得到三軸角度，還能得到三軸加速度。MPU6050使用DMP姿態解算，可用IIC傳輸數據，方便快捷。

2.3 執行單元

本設計中執行單元主要功能是控制小車轉向，轉向可以通過步進電機和舵機控制實現，從結構簡單易于控制的角度出發，執行單元選擇舵機。

2.4 電源單元

比賽要求只能由若干節堿性五號電池為小車控制系統提供所需要的電能。小車控制系統的各個部分所需要的電壓不盡相同，STM32F103C8T6、MPU6050、U型對射式光電傳感器需要3.3 V穩定電壓，舵機和HCSR04需要5 V穩定電壓。小車電源單元采用三節五號堿性電池串聯分兩路給各器件供電。一路采用MAX866和MAX1771所構成的升壓拓撲將電池電壓升為5 V[6]，給舵機和超聲波提供電能；另一路采用 ASM1117降壓為 3.3V給STM32F103C8T6、MPU6050、U型對射式光電傳感器提供電能。

圖6 電源單元Fig.6 The power unit

2.5 控制系統電路原理圖

小車控制系統原理圖如圖7所示。

3 試驗與分析

3.1 試驗方案分析

根據小車檢測出障礙后的行走路線不同，設定兩種過障礙的方式：一種是循著賽道邊緣繞過障礙，另一種是檢測出障礙后直接從缺口處繞過。

小車循邊避障如圖8所示：小車行進軌跡如圖中紅線所示（Rabcd），小車沿著賽道邊緣前進，在發現障礙物之后轉彎直行，避開障礙物后再繼續沿著賽道前進。小車的正前方、左邊和右邊各安裝一個超聲波傳感器HC-SR04，得到小車與前方、左方和右方賽道邊緣或者障礙物的距離y1、x1、x2。小車控制單元根據HC-SR04所采集的y1、x1、x2來做出分析判斷。

圖7 小車控制系統原理圖Fig.7 The control system schematic of Dolly

小車直接避障如圖9所示：小車行走路線如圖中藍線（Rhijkm）所示，未發現障礙物時小車直行，在發現障礙物之后小車朝著缺口方向前行，越過障礙后再繼續直行。小車上裝有角度檢測傳感器MPU6050，得到車身角度變化值α。小車的前邊和左邊各裝有一個超聲波傳感器HC?SR04，利用MPU6050得到的角度變化值α，再結合一定的機械或者電子裝置使小車前方的傳感器始終向前，左邊的傳感器始終向左。由小車前方和左邊的超聲波傳感器可以獲得小車與前方障礙的垂直距離y2、與左方與賽道邊緣的垂直距離x3，根據賽道寬度和小車與左邊賽道的距離可以得到小車與右邊賽道邊緣的距離x4（x4=1 200 mm-x3）。根據y2、x3、x4可以計算出小車和缺口之間的角度 β。當小車檢測出障礙物時位于賽道左邊，則當小車檢測出障礙物時位于賽道右邊，則據y2、x3、x4、α、 β等信息，小車可實現直接避障。

圖8 小車循邊緣過障示意圖Fig.8 The diagrammatic sketch dolly keep to the side to avoid obstacles

圖9 小車直接避障示意圖Fig.9 The diagrammatic sketch of dolly directly to avoid obstacles

3.2 試驗測試

3.2.1 循邊避障的試驗測試

小車沿著賽道的邊緣行進，根據前方超聲波傳感器HCSR04得到的距離y1來判斷前方有無障礙。當y1小于某一具體值（設此值為miny1）時，則認為小車前方有障礙物，需立即轉彎。根據小車左邊和右邊距賽道邊緣的距離x1、x2來判斷向左轉還是向右轉。在程序設計上，總是可以通過設置合適的miny1，使得小車在經過障礙區時有如下關系：若x1大于x2則向左轉，若x1小于x2則向右轉。如圖9：小車從賽道右側出發，直行至a點后，y1小于miny1且x1大于x2，小車迅速左轉后直行，當小車到達b點后，y1小于miny1且x2大于x1，小車右轉后繼續直行。按此步驟，小車逐一通過c，d，e，f點，越過障礙區。小車循邊緣避障的流程圖如下圖所示。

圖10 小車循邊避障流程圖Fig.10 The flow of dolly keep to the side to avoid obstacles

試驗時采用四個規格為20 mm×80 mm×700 mm的障礙物交錯等距布置，每兩個障礙物之間相距1 200 mm。經實驗在此條件下取miny1=150 mm，能實現按圖8所示的避障礙過程。

3.2.2 直接避障的試驗測試

小車從賽道的一側特定區域內（如圖9所示的綠線和賽道之間的區域）出發，未發現障礙物時直行，當y2小于某一特定值miny2時，認為小車前方發現障礙物，需要開始調整小車前進方向。當小車發現前方有障礙物時，根據x3和x4的值大小情況來決定轉彎方向和避障是否完成。當 y2小于miny2時，若x3小于minx3（如圖9，小車處于左側綠線至賽道邊緣處的區域內）則判定小車在賽道左側，需向賽道右側缺口處行進，當x4小于minx4時完成避障；若x4小于minx4時（如圖9，小車處于右側綠線至賽道邊緣處的區域內）則判定小車在賽道右側，需向賽道左側缺口處行進，當x3小于minx3時完成避障。小車避障的程序流程圖如圖11所示。如圖9：小車與右側發車，未發現障礙物時直行，此時車身偏角α為零，當行至h點處時，有y2小于miny2且x4小于minx4。此時小車位于右側，須向左偏 β的缺口處行進，若此時的車身和原來起始時偏角為α，則小車需要調整（α-β） °。當行進至i點后，有x3小于minx3此時避障完成。小車按此步驟逐一通過j，k，m，n點，越過障礙區。

圖11 小車直接避障流程圖Fig.11 The flow of dolly directly to avoid obstacles

試驗時采用四個規格為20 mm×80 mm×700 mm的障礙物交錯等距布置，每兩個障礙物之間相距1 200 mm。經實驗在此條件下取miny2=1 200 mm， minx3=300 mm， minx4=300 mm，能實現按圖9所示的避障礙過程。

通過試驗對比，直接過障這一方案的能量利用率高，行走的距離要遠些。采取直接避障這一方案的小車能較好地實現在放置有六個障礙物的賽道上，成功避開所有障礙繞賽道一圈（即行進30 m）。且針對直接過障多次試驗發現：小車在下坡時重錘仍在下落，造成了小車下坡之后速度過快和能量的浪費，小車的在運行良好的情況下繞賽道行走完一周之后重錘仍然未下落到底。針對這一現象，可以考慮在傳動機構上增加類似于汽車離合器的結構，提高能量利用效率，有望實現45 m的行走距離。

4 結論

根據全國大學生工程訓練綜合能力競賽的要求，設計制作了無碳小車的控制系統，系統以STM32F103C8T6為主控芯片，分別以超聲波傳感器HCSR04、U型對射式光電傳感器及六軸電子陀螺儀MPU6050采集距離、速度和角度信息，從而實現小車的轉向控制；結合循邊避障和直接避障兩種路徑規劃進行了小車自控越障測試，直接過障的能量利用率更高，行走距離更遠。該控制系統工作穩定，實際比賽時小車成功避障行進30 m，表現優異。

參考文獻：

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