基于Arduino的全地形越野機器人設計與競賽

焦博新 周建民 姚天舜

摘 要：全地形越野機器人是現今機器人行業發展的一大分支，涉及“機”、“電”、“控”相關學科知識，包括機械結構的設計、程序電路的編寫與調試、自動控制的實現等，這些因素設計的好壞關系到機器人的移動速度、越障能力等各方面性能。初學者以及對機器人有所了解的人們如何快速對全地形機器人設計進行入門，對于風靡全國的全地形機器人大賽的應對策略有哪些。本文將進行基本論述。

關鍵詞：Arduino；全地形；機器人；競賽

Arduino作為一種開源性電子設計平臺，應用于很多領域，包括硬件（Arduino開發板）和軟件。市面上又有很多以Arduino為核心，傳感器、電機等硬件為載體的電子設計模式。利用Arduino進行全地形越野機器人的設計，可以很大程度上減少軟硬件搭配、越野設計方式上的障礙。常見的機器人競賽，例如“中國工程機器人大賽”，江蘇省、四川省等一些省教育廳主辦的機器人競賽，都設有全地形越野類競賽，對于此類競賽如何應對，利用Arduino如何進行具體設計，本文將從以下三個方面講述.

一、全地形機器人設計基礎與零件維護

全地形機器人的主要目的是進行障礙避讓或翻越。其設計主要分為底盤設計、驅動模塊設計、程序設計三大部分。底盤主要分為剛性底盤、主動適應性底盤、被動適應性底盤，其帶動方式又可以分為輪式、履帶式、仿生式。不同的底盤適應不同的障礙，剛性底盤通常用于機器人動力較強時應對較低矮的障礙，其牽引力較強但穩定性相對其他兩種底盤較差。主動適應性底盤通過其他機械部件的添加以及程序的設計可以用于多種不同類型的障礙，被動適應性底盤相對于剛性底盤更容易越過高難度的障礙，但面對一些特殊障礙又遜色于主動適應性底盤。

驅動模塊設計以直流電機和舵機為主，直流電機控制容易，舵機容易提供更大的扭力。相對于不同的障礙應選不同的電機和裝配方式。通常情況下，六電機、[1]六輪式機器人具有越障能力高、承載能力強、結構和控制簡單、轉向靈活、工作效率高等優勢。

程序設計方面，Arduino兼容C/C++語言，用戶通過C/C++語言對輸出模塊（電機、燈、蜂鳴器等）進行程序化控制，從而實現各部分的搭配工作，達到預期避障目標。通常對于全地形越野競賽，設計者需要就實際賽道、障礙設計獨有的程序，有時甚至需要設計一些特殊的程序，例如：現有一條賽道，設計要求在發車后三秒直行且屏蔽循跡功能且在通電25秒后停下，故可定義宏常量t=0，使其在loop循環中if（t=0）{t++；直行程序}，這樣就可以避免無限循環三秒直

全地形對于機器人的磨損和硬件消耗是比較大的，對于零件的保養不可忽略。電機的接線點要保持緊固狀態，且電機的一些部件比如金屬齒輪、焊接點等要注意防止生銹，尤其要注意各種因素（接線、電池電壓、主板輸出電壓等）對電機實際電壓的影響，防止電機由于電流過大而燒損。在通過障礙的時候，可能會對一些傳感器（例如黑標、灰度、近紅外等）造成觸碰和摩擦，應當在傳感器輸入輸出頭進行保護，防止與障礙面產生接觸、摩擦，造成傳感器感應誤差增大。

二、全地形機器人調試方法

對于一個全地形越野機器人成品，設計和選材是最基礎、最簡單的部分，而調試和后期升級是最主要的部分，通常起到至關重要的作用。調試時常會出現一些特殊的問題，例如黑線不循跡、直角拐彎沖出軌道、臺階上不去、電機停轉等等問題。解決這些問題時要按照排除方式進行，首先發現問題，其次進行各種因素的排除直到徹底解決問題。例如：現小車左邊輪子轉而右邊不轉，首先重啟電源，然后將拓展板左、右側電機輸出插口互換，如果此時原右側旋轉而原左側不轉，可以排除是輸出口問題，然后旋轉原左側一個輪胎，如果原左側其他輪胎由于電磁感應而旋轉，可確定兩側接線均無問題，這時可以擰松電機長螺絲，因為電機長螺絲如果過緊，對電機齒輪擠壓也會造成其無法旋轉。如果此時問題依舊存在，可以初步判斷是程序問題。

對于全地形機器人的后期調試一定要有耐心，在不斷發現問題的過程中積累經驗。同時，分析一個障礙問題不僅要從小車本體出發，還要注意障礙物本身的性質。以經典臺階障礙為例：爬越臺階的過程是機器人連續翻越障礙的過程，[2]也是全地形機器人必須完成的較困難的任務之一，除了機器人本身功率之外，影響機器人爬越樓梯的關鍵因素是力矩的大小和樓梯的具體參數。這時候如果需要考慮機器人的重量、重心空間位置、接觸面摩擦系數、樓梯頂點矢量傾斜度等因素。例如：剛性底盤小車爬10厘米EVA材料二級樓梯后輪卡在一級臺階無法上去，首先可以考慮增大接觸面摩擦系數，比如在輪子上加履帶、加螺釘或粘貼PLA、ABS摩擦帶、輪胎內胎，如果上臺階依舊費力，可以考慮更改車體結構，例如更換為被動適應性地盤，以貼合障礙物，提供更大斜向摩擦力，其次，使小車重心前移也是不錯的辦法，例如將小車后側裝配的電池、主板等裝置移至小車前側，或在小車前部適度增加配重，更容易使得小車對遞進級臺階接觸面壓力增大，進而非垂直向摩擦力增大。

在調試過程中要尤為注意傳感部分調試。傳感器的安裝位置和高度都是調試的主要內容，例如：對于帶有循跡功能的全地形機器人，黑標傳感器的識別高度各不相同，要不斷單獨測試、調整其高度，直到每個傳感器識別狀態最佳。對于傳感器的調試要注意，一旦完成其調試，就不可再進行大范圍改動，因為微小的改動都可能導致傳感器傳感應用失效。

三、全地形越野機器人競賽策略

如果說全地形機器人的設計和調試是百分之七十的工作，那剩下的百分之三十一定是競賽臨場的發揮以及策略。目前各大全地形越野競賽多以北京機器時代公司的“探索者”套件為主，其優點是機械套件鎂鋁合金強度高、重量輕，且其傳感器傳感靈敏，其主板基于Arduino UNO設計，容易控制且工作效率高。

競賽中，首先在賽前現場賽道調試時要注意賽道和障礙是否按照競賽手冊要求布置、光線是否良好，對于有所差別的障礙，可以向場地維護員提出場地維護申請。其次要充分利用正式比賽前的現場調試時間，通常情況下現場調試時間非常短，這就需要選手發揮賽前所積累的各種調試經驗，以應對不同于以往訓練環境的突發情況。最后，能否正常發揮出平時訓練水平是至關重要的，這就需要發車人良好的心理素質，發車不要偏，不要受環境和心理影響過大，否則微小的心理波動都會使比賽結果產生巨大偏差。

四、結語

全地形越野機器人的設計并不困難，但要將其用于比賽中，并取得較好成績，也并非易事，參加探索者全地形類比賽時，面對突發問題要沉著冷靜，考慮全面，軟硬件兼顧。

參考文獻：

[1]強璐亞，馬帥，等.全地形機器人小車設計[J].電子世界，2018，（1）：129-130.

[2]臧勇，葛海浪，陶遷.新型全地形機器人結構設計及越障分析[J].機電信息，2017，（27）：96-97.