基于樹莓派控制的全地形小車研制

王偉柯　陳帥興　鐘協(xié)城　黃梓鑫　李德榮

摘要：本文研制的全地形小車結(jié)合了四輪越障車越障能力強(qiáng)勁的特點(diǎn)，以鋁件作為結(jié)構(gòu)框架，并以樹莓派4b板為核心微控制器，觸須傳感器和灰度傳感器為輔助控制系統(tǒng)，直流減速電機(jī)為整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還采用卡爾曼濾波算法和增量PID控制算法控制小車整體的穩(wěn)定運(yùn)行，精確地控制小車的行進(jìn)線路和行進(jìn)姿態(tài)。該全地形小車能夠適應(yīng)多種場(chǎng)地，并在啟動(dòng)后能夠自主實(shí)現(xiàn)沿著黑色引導(dǎo)線行走、攀爬窄橋、跨越兩段式階梯、過(guò)隧道、識(shí)別指定顏色的氣球并爆破，最后在終點(diǎn)線處停下。該車全程行駛過(guò)程中，均無(wú)人干預(yù)和操控。

關(guān)鍵詞：全地形小車；樹莓派；灰度傳感器；觸須傳感器

中圖分類號(hào)：TH-39?????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 08-0063-07

Design and Development of All-Terrain Vehicle Based on Raspberry Pi Control

WANG Weike，CHEN Shuaixing，ZHONG Xiecheng，HUANG Zixin，LI Derong

（ 1.School of Mechanical Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China;2.College of Ocean Engineering and Energy， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China ）

Abstract：The all-terrain car developed in this paper features the strong crossing ability of four-wheel obstacle crossing vehicles， with aluminum parts as the structural framework and the raspberry pie 4b board as the core microcontroller. Tentacles sensor and grayscale sensor is used as the auxiliary control system， and DC deceleration motor is used as the overall drive system. Kalman filter algorithm and incremental PID control algorithm is used to control the overall stability of the car， which accurately controls the travel line and movement attitude of the vehicle. The all-terrain vehicle can adapt to a variety of venues. After the start， it can independently walk along the black guide line trail， climb narrow bridge， cross two section ladder， go through tunnel， identify balloons of specified color and explode them， and finally stopp at the finish line. During the whole driving process of the vehicle， there is no intervention and control from anyone.

Key words：all-terrain vehicle；raspberry pi；grayscale sensor；tentacles sensor

隨著無(wú)人控制系統(tǒng)、人工智能化技術(shù)的成熟，機(jī)械與電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)向機(jī)電一體化的融合發(fā)展^[1-2]，如自動(dòng)駕駛汽車、科學(xué)勘察車、月球車等^[3]。基于該發(fā)展理念，各創(chuàng)新比賽也設(shè)置有智能越障小車、排爆機(jī)器人等賽道^[4]。全地形小車作為智能車的代表，具有在不規(guī)則路面行走及攀越滑坡和階梯的能力，本文研制的全地形小車就是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)與電子信息結(jié)合，進(jìn)行再編程設(shè)定環(huán)境，使其成為一種針對(duì)復(fù)雜道路狀況和環(huán)境的車輛，并具有機(jī)器人的特性。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

該全地形小車模仿四驅(qū)車的形狀設(shè)計(jì)，是一種小型化且便于拆裝的四輪二段式結(jié)構(gòu)。小車根據(jù)各種路障的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括電機(jī)安放位置的調(diào)整、輪子的選用、導(dǎo)向輪的設(shè)計(jì)，使其能夠通過(guò)窄橋、隧道、階梯、爆破等任務(wù)。最終搭建出一種擁有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、特殊輪子、導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)的全地形小車結(jié)構(gòu)框架。

1.2 設(shè)計(jì)方案及調(diào)試

1.2.1 行走與越障結(jié)構(gòu)

在小車行走方面，采用了三種輪子方案，如圖1所示，其中方案一輪子由鋁輪片和塑料履帶組成，方案二為1：10模型輪胎套上塑料履帶，方案三為1：10模型輪胎上加海綿圈。經(jīng)過(guò)20次的全程行走測(cè)試，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)多次模擬行走與測(cè)量發(fā)現(xiàn)，方案三雖然速度較慢，但其與障礙物之間的摩擦力大，能夠平穩(wěn)地上下窄橋與階梯。因?yàn)楹＞d圈具有極好的柔韌性，當(dāng)小車有沖擊力時(shí)，海綿被階梯壓縮，能夠增大與階梯表面的接觸面積，增強(qiáng)摩擦力，完美解決了小車上不了階梯的問(wèn)題。且因?yàn)楹＞d圈材料的特性，其行走時(shí)相互摩擦力較大，不會(huì)出現(xiàn)車子左右擺動(dòng)的情況；而在隧道行走時(shí)，其與亞克力板的相互摩擦力又較小，使其能更好地轉(zhuǎn)動(dòng)方向，不會(huì)出現(xiàn)輪胎卡住現(xiàn)象，還能夠進(jìn)一步提高小車落地的緩沖性能，因此方案三合理可行。

對(duì)于小車過(guò)隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嘗試了四種導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)方案，分別對(duì)進(jìn)行20次過(guò)隧道測(cè)試，得出了其通過(guò)次數(shù)、成功通過(guò)的平均用時(shí)及在出口處的偏轉(zhuǎn)角度，如表2、圖2所示。

由表2可以看出，方案三為最佳方案，前導(dǎo)向輪圓弧狀的支架，讓全地形小車在管道入口處碰到邊緣時(shí)能夠順利滑進(jìn)隧道，提高了容錯(cuò)率；后導(dǎo)向輪使后車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)都不會(huì)有碰到管道內(nèi)壁的現(xiàn)象，大大提高轉(zhuǎn)向性能，使全地形小車能夠精準(zhǔn)地在隧道內(nèi)拐彎行走。

1.2.2 排爆裝置

小車的排爆部分如圖3所示^[5]。設(shè)計(jì)一個(gè)卡槽結(jié)構(gòu)，讓攝像頭卡在卡槽內(nèi)。為了使小車能夠進(jìn)行精準(zhǔn)爆破，將舵機(jī)安裝在攝像頭正上方。通過(guò)測(cè)量氣球與小車的距離，采用10 cm鋁桿作為舵機(jī)桿件，識(shí)別氣球后進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)扎破氣球^[6]。

1.2.3 整體車型結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)小車的輕量化，小車的中間骨架只用了一塊桁架連接。用了兩塊舵機(jī)架以延長(zhǎng)車身，且易于加裝滑軌。滑軌特殊的孔位剛好能夠適配18 mm孔位的減速電機(jī)。骨架前端位置加裝一塊鋁平板，用于固定導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)、觸須傳感器、電池夾持架。電池夾持架能夠夾緊兩個(gè)電池，且易于拆卸，方便電池充電和更換備用電池。利用四根螺栓與兩塊連桿將樹莓派固定在中間骨架上，使得重心分布均勻，保證了小車的速度和靈活性^[7]。小車二維工程圖如圖4所示。

2 硬件模塊

2.1 樹莓派開發(fā)板

樹莓派是一種基于Linux操作系統(tǒng)的微型電腦電路板^[8]，其優(yōu)點(diǎn)為：①卡片非常小，但具有電腦大部分的功能；②以SD/MicroSD卡為內(nèi)存兼硬盤；③卡片主板有多個(gè)USB接口和一個(gè)以太網(wǎng)接口，可以連接鍵盤、鼠標(biāo)、網(wǎng)線、顯示器等外圍部件；④支持Python、C、Scratch等多種編程語(yǔ)言。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與電源轉(zhuǎn)換模塊

為了更好地將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與電源轉(zhuǎn)換模塊結(jié)合，且樹莓派需要用到USB供電，而電池是DC接口，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)由TB6612芯片控制、可由DC接口轉(zhuǎn)換成5 V的USB接口裝置的一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠使兩塊鋰電池分別給樹莓派和電機(jī)供電，其原理圖如圖5所示。

2.3 電機(jī)與灰度傳感器

灰度傳感器能夠利用不同顏色的檢測(cè)面對(duì)光反應(yīng)不同、其阻值也不同的原理來(lái)進(jìn)行顏色深淺檢測(cè)。其尋線信號(hào)準(zhǔn)確穩(wěn)定，使得尋線更加精準(zhǔn)，且輸出信號(hào)可以是模擬量或者數(shù)字量，非常方便使用。當(dāng)灰度傳感器處在黑色區(qū)域上方時(shí)，輸出的數(shù)字為“1”，當(dāng)灰度傳感器處在白色或其他顏色較淺的區(qū)域上方時(shí)，輸出的數(shù)字為“0”^[9]。通過(guò)IO口AIN1、AIN2、BIN1、BIN2來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。具體邏輯表3所示。

四個(gè)灰度傳感器配合電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和左右差速，使小車不論是在隧道內(nèi)還是隧道外都能靈活完成左右轉(zhuǎn)、直走等功能，實(shí)現(xiàn)循跡。

2.3.1 隧道外

當(dāng)小車處在黑線右邊較少時(shí)，通過(guò)控制左右電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)差速偏移，使得小車往左小幅度偏移，回到正軌；當(dāng)小車處在黑線右邊較多時(shí)，左右電機(jī)差速較大，使得小車能夠往左大幅度偏移，回到正軌。同理，小車處在黑線左邊較少或較多時(shí)，也能夠通過(guò)改變左右輪差速使得小車回到正軌。當(dāng)小車本身就處于正軌時(shí)，左右電機(jī)差速為0，小車直行^[10]。具體邏輯如表4所示。

2.3.2 隧道內(nèi)

小車在過(guò)彎道時(shí)角度旋轉(zhuǎn)會(huì)很大，一般小車在隧道內(nèi)依然會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)兩邊車輪的轉(zhuǎn)速差進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，但這種調(diào)節(jié)方式使得小車在隧道內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度很小。因此采用兩邊車輪方向差，進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)過(guò)彎。使用觸須傳感器來(lái)檢測(cè)小車是否進(jìn)入隧道，如圖6所示。觸須傳感器是一種仿生類的數(shù)字量傳感器。在觸須傳感器的觸須碰到障礙時(shí)，會(huì)彎曲觸碰到開關(guān)，從而讓電流形成一個(gè)回路而發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，原理如圖7所示。小車加裝這個(gè)模塊后，在過(guò)隧道時(shí)會(huì)讓觸須碰到隧道頂部使觸須彎曲形成一個(gè)閉合回路，有效區(qū)分了小車處于直線行駛還是隧道過(guò)彎，從而設(shè)置彎道與直線的調(diào)節(jié)力度^[11]。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于隧道內(nèi)空間狹窄，行駛過(guò)程中四個(gè)灰度傳感器只有一個(gè)會(huì)識(shí)別到黑線。此時(shí)的運(yùn)行邏輯如表5所示。

2.4 攝像頭與舵機(jī)模塊

樹莓派USB攝像頭通過(guò)透鏡生成投射到圖像傳感器表面上的場(chǎng)景的光學(xué)圖像，然后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，最后被發(fā)送到正在處理中的數(shù)字信號(hào)處理芯片。通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)重新處理時(shí)，圖像可以通過(guò)顯示器看到。USB攝像頭讀取圖像的速度較快，且可以獲取到場(chǎng)景圖像。還可以利用opencv庫(kù)對(duì)圖像進(jìn)行處理。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)小車不用停止就能快速識(shí)別得到色卡與氣球顏色，從而提高時(shí)間的利用率^[12]。

舵機(jī)是由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。顏色識(shí)別完成后，通過(guò)發(fā)送信號(hào)，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度，完成扎氣球動(dòng)作。

3 軟件模塊

3.1 關(guān)鍵代碼

3.1.1 顏色識(shí)別

while True：

_，frame=cap.read（）

for i in range（3）：

img = frame.copy（）

img = cv2.cvtColor（frame，cv2.COLOR_BGR2HSV）

mask=cv2.inRange（img，lowers[i]，uppers[i]）

if（np.mean（mask）>color_num）：

res.value = i

break

else：

res.value = -1

3.1.2 隧道外循跡

if（on == 1）：

GPIO.output（AIN2，GPIO.LOW）

GPIO.output（AIN1，GPIO.HIGH）

GPIO.output（BIN2，GPIO.LOW）

GPIO.output（BIN1，GPIO.HIGH）

on = 0

if（h3==1? and h4！=1）：

motor（leftlow）

elif（h3！=1 and h4==1）：

motor（rightlow）

elif（h1==1 and h2！=1）：

motor（lefthigh）

elif（h1！=1 and h2==1）：

motor（righthigh）

else：

motor（string）

3.2 總流程設(shè)計(jì)

當(dāng)總開關(guān)打開，灰度傳感器等模塊開始工作，USB攝像頭單獨(dú)工作。觸須模塊的觸發(fā)與否決定了兩套不同的循跡方案的使用。如果觸發(fā)，則表明在隧道內(nèi)，此時(shí)使用隧道內(nèi)的循跡方案；如沒被觸發(fā)，則使用隧道外的循跡方案。不同的循跡方案，決定著左右電機(jī)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和差速，靈活地實(shí)現(xiàn)循跡。程序的不斷循環(huán)，使得小車能夠不斷調(diào)整，始終在黑線正上方行駛。行駛過(guò)程中攝像頭一直處于開啟狀態(tài)，當(dāng)識(shí)別到目標(biāo)顏色時(shí)，能夠及時(shí)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)完成排爆任務(wù)，如沒獲取到目標(biāo)顏色，舵機(jī)則處于待機(jī)狀態(tài)，等待接收指令。因此整個(gè)過(guò)程中小車無(wú)需停下來(lái)完成某一任務(wù)，總時(shí)間大大減少。舵機(jī)完成動(dòng)作后，程序繼續(xù)運(yùn)行4 s，之后自動(dòng)關(guān)閉。流程圖如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試與調(diào)試，經(jīng)歷了四代小車的更替，完成了設(shè)計(jì)－制造－調(diào)試的循環(huán)過(guò)程，成功制作出一種以樹莓派開發(fā)板為核心控制板，能夠獨(dú)立尋跡行走，順利完成窄橋、隧道、爆破任務(wù)的全地形小車，并首次嘗試了觸須傳感器，實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)外擁有兩種不同的循跡模式。該全地形小車有著獨(dú)特的輪子構(gòu)造、獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)力和有強(qiáng)大的行動(dòng)力，完全能夠應(yīng)付復(fù)雜的地形。小車設(shè)計(jì)以四輪驅(qū)動(dòng)為主要?jiǎng)恿?lái)源，四個(gè)輪作為一個(gè)整體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，提升整個(gè)小車的驅(qū)動(dòng)力、行動(dòng)力、穩(wěn)定性。最后進(jìn)行多次測(cè)試，得出全地形小車依次完成各種障礙的成功率達(dá)到95%，且均能在30 s內(nèi)完成。因此，該全地形小車設(shè)計(jì)方案無(wú)誤，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的。

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