江學(xué)煥，張金亮，萬明，周雙飛

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

四輪迷宮機器人的三維建模與軟硬件設(shè)計

江學(xué)煥，張金亮，萬明，周雙飛

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

迷宮機器人的機械結(jié)構(gòu)對其性能影響很大，通過SolidWorks對車體、傳動裝置和各傳感器擺放位置進行了三維建模和位置優(yōu)化。系統(tǒng)電路設(shè)計中對系統(tǒng)電路架構(gòu)、電源電路、紅外傳感電路、電機驅(qū)動電路、陀螺儀電路進行了詳細的設(shè)計和敘述。軟件設(shè)計中對系統(tǒng)軟件架構(gòu)、路徑搜索算法和等高圖法路徑規(guī)劃方法進行了介紹。

四輪；迷宮機器人；三維建模；等高圖

0 引言

迷宮機器人又稱電腦鼠(MicroMouse)，本質(zhì)上由機電運動部分、傳感器和微處理器構(gòu)成的機電一體化智能機器人，在外觀上類似一輛小車。根據(jù)比賽的規(guī)則，迷宮機器人按照一定的算法和控制程序，可以在指定的競賽迷宮進行避障、行走、轉(zhuǎn)彎，最終到達所設(shè)定的目的地，并可對其行走過的路線進行記憶和比較，對路徑進行最短規(guī)劃，最終找出最優(yōu)路徑并運行至終點。迷宮機器人的設(shè)計與制作結(jié)合了機械、光學(xué)、電子、電機、控制、程序設(shè)計和人工智能等多方面知識，它很好地展現(xiàn)了其中各部分的綜合工作和配合能力，為研究和發(fā)明更復(fù)雜的智能系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[1]。

迷宮機器人整體性能的優(yōu)劣受多方面因素影響，機械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件算法等。傳統(tǒng)的兩輪迷宮機器人由于結(jié)構(gòu)簡單，被用于最初的設(shè)計中，但隨著大量的使用，暴露出由于機械結(jié)構(gòu)的原因，機器人車體會隨著軸心前后擺動，穩(wěn)定性差，還增加了摩擦力，對于快速行進非常不利。

文獻只對電腦鼠的硬件設(shè)計做了詳細分析，沒有對電腦鼠的機械結(jié)構(gòu)及三維建模進行詳細的敘述[2-3]。本文著重對迷宮機器人車體模型，齒輪傳動進行了詳細的計算和驗證，通過合理擺放傳感器的位置，全面獲取迷宮機器人的周邊信息，以便于軟件決策。系統(tǒng)以Cortex-M3內(nèi)核的LPC1759作為主控制器，對電機、陀螺儀、電機驅(qū)動電路、磁式編碼器和紅外發(fā)射接收等模塊做了詳細的設(shè)計與闡述，同時對軟件架構(gòu)和算法設(shè)計進行了介紹。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計是迷宮機器人設(shè)計和制作過程中重要組成部分，迷宮機器人機械結(jié)構(gòu)的好壞直接影響其各個方面的性能。迷宮機器人機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計主要包括車體設(shè)計、傳動裝置設(shè)計和傳感器位置設(shè)計。

1.1 車體設(shè)計

目前IEEE迷宮機器人迷宮競賽規(guī)則中，競賽迷宮是由面積為18cm×18cm的方格迷宮塊組成，迷宮隔墻為乳白色且厚度為1.2cm，所以迷宮墻內(nèi)部通道的實際寬度只有16.8cm。與此同時，競賽規(guī)則中規(guī)定迷宮機器人的幾何尺寸必須在25cm×25cm以內(nèi)[4]?？紤]到機器人在迷宮中需要進行轉(zhuǎn)彎、掉頭等動作，本次迷宮機器人設(shè)計的寬度為64.5mm，長度為106mm，在SolidWorks下對迷宮機器人車體的三維建模模型如圖1所示。

圖1 迷宮機器人車體三維建模

1.2 傳動裝置設(shè)計

傳動機構(gòu)的設(shè)計重點是對齒輪的建模，當齒輪的模數(shù)一定時，齒輪的外圓直徑和齒數(shù)之間就存在確定的對應(yīng)關(guān)系[5]，關(guān)系如下：

齒輪模數(shù)=外圓直徑/齒數(shù)

(1)

本設(shè)計選用了四輪結(jié)構(gòu)，相比于以前的兩輪結(jié)構(gòu)和帶萬向輪三點支撐結(jié)構(gòu)的迷宮機器人，該結(jié)構(gòu)在行進、轉(zhuǎn)彎過程中具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，此外動力上更強勁，反應(yīng)更靈活。齒輪設(shè)計模型如圖2所示。

圖2 齒輪模型三維圖

本系統(tǒng)電機的主齒輪齒數(shù)為15，模數(shù)為0.5?？筛鶕?jù)齒輪的齒數(shù)和模數(shù)計算出齒輪的分度圓直徑=模數(shù)×齒數(shù)。經(jīng)計算可得，電機主齒輪直徑為4mm，即電機齒輪分度圓直徑為4mm；輪轂齒輪為50齒，模數(shù)為0.5，則輪轂齒輪分度圓直徑為25mm，可知電機與輪轂齒輪之間距離=(4+25)/2=14.5mm。減速齒輪數(shù)量為12，即減速齒輪的分度圓直徑為12×0.5=6mm，可得輪轂齒輪和減速齒輪的中心距為(25+6)/2=15.5mm，可知兩輪之間距離為31mm。

1.3 傳感器位置設(shè)計

迷宮機器人行進過程中需要收集周邊的信息，周邊信息獲取的越全面，對迷宮機器人本身的決策越有利。本系統(tǒng)采用六個傳感器在車身底板上所設(shè)計的位置擺放如圖3所示。

圖3 紅外傳感器位置擺放圖

圖3中左右兩邊水平方向各擺放的一個傳感器主要用來感測左右兩邊是否存在墻壁，以及在姿態(tài)調(diào)整中判斷車體是否靠左右墻壁過近；左右斜45度方向各擺放的一個傳感器主要用來在前進中姿態(tài)調(diào)整用；左前和右前豎直方向各擺放的一個傳感器主要是用來判斷前方是否有擋板和是否距離前方擋板過近，安裝兩個左前右前紅外傳感器是為了當車體傾斜時避免誤判和迷宮機器人走斜45度線時用來檢測前方是否會撞墻。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件電路整體架構(gòu)

整個系統(tǒng)硬件電路包括主控器、電機、藍牙/串口、陀螺儀、驅(qū)動電路、磁式編碼器和紅外發(fā)射接收等部分，如圖4所示。

本系統(tǒng)采用NXP公司Cortex-M3內(nèi)核的LPC1759作為主控制器，該微控制器具有集成度高、功耗低、接口豐富、擴展性好等眾多優(yōu)良的特性，使得其在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。該處理器的主頻可達120MHz。

系統(tǒng)采用2塊鋰聚合物鋰電池串聯(lián)供電，單體標稱電壓3.7V，串聯(lián)總電壓范圍5.4～8.4V。通過穩(wěn)壓電路LM2940產(chǎn)生+5V電壓、AMS1117產(chǎn)生+3.3V電壓。

圖4 系統(tǒng)硬件電路整體架構(gòu)圖

2.2 紅外發(fā)射接收電路

紅外發(fā)射接收傳感器分別選用波長為900nm 的TSL262和TSL262R。傳感器可以將接收到的紅外光線能量轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號與紅外傳感器所接收的光能量之間存在一定的關(guān)系[6]。

紅外發(fā)射管以脈沖方式發(fā)射，六組發(fā)射接收電路其中的兩組紅外發(fā)射接收電路如圖5所示。

圖5 紅外發(fā)射接收電路圖

2.3 電機驅(qū)動電路

直流電機的驅(qū)動電路采用ZXMHC3A01T8集成芯片，該全橋驅(qū)動的優(yōu)點是只需要在一組電池系統(tǒng)下就能夠使電機正反轉(zhuǎn)。再配合PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，調(diào)整直流馬達轉(zhuǎn)速。由于本系統(tǒng)微控制器為3.3V而電源電壓為6.7～8.1V，需要寬電壓驅(qū)動器MAX4427來驅(qū)動全橋電路。通過在MAX4427的輸入端加上拉電阻，見圖6，可以使全橋驅(qū)動器保持在剎車狀態(tài)，以防控制器燒毀或者輸入端口懸空時出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時，全橋驅(qū)動器上下半橋同時導(dǎo)通而導(dǎo)致全橋電路燒毀。

圖6 電機驅(qū)動電路

2.4 陀螺儀模塊

陀螺儀選用意法半導(dǎo)體公司的MPU6050，該芯片集成了三軸加速度和三軸陀螺儀，接口采用IIC，輸出數(shù)據(jù)為數(shù)字量?？刂破鲗鞲衅鬏敵龅乃矔r角速度積分再乘以精度，減去溫漂，即可獲得轉(zhuǎn)動的角度。由于迷宮機器人在一個二維水平面上運動，所以要感測其轉(zhuǎn)彎角度只用對傳感器Z軸的角速度用定時器積分即可獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度。其中，控制器以100ms為周期對陀螺儀數(shù)據(jù)進行積分，即陀螺儀積分時間精度為0.1s，陀螺儀靈敏度為，除去零漂，再根據(jù)精度值即可獲得在一段時間內(nèi)的角度值。由于陀螺儀長時間的積分會有累積誤差所以在迷宮機器人姿態(tài)校正的同時也對陀螺儀的數(shù)據(jù)進行校正。

3 軟件設(shè)計

迷宮機器人是一個智能機器人，其智能程度、靈活性以及準確性不僅取決于機械結(jié)構(gòu)和硬件電路的性能，還取決于軟件架構(gòu)和算法設(shè)計的好壞。迷宮機器人軟件流程上先通過傳感器感知周邊的環(huán)境，對環(huán)境信息進行加工處理，并根據(jù)相應(yīng)的算法做出決策，進一步的將控制信息發(fā)送給各硬件模塊，硬件模塊根據(jù)指令驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，迷宮機器人完成當前的決策動作，直到達到終點為止。

3.1 系統(tǒng)軟件的總體流程

系統(tǒng)軟件的總體流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 搜索算法

右手法則：電腦鼠在前進的方向上存在兩條和兩條以上的支路時，優(yōu)先考慮向右轉(zhuǎn)，其次向前，最后才考慮向左。

左手法則：與右手法則相似，只不過是優(yōu)先考慮左轉(zhuǎn)，其次是向前，最后才考慮向右。

求心法則：求心法則就是每當電腦鼠有至少兩個方向可以選擇時，則優(yōu)先轉(zhuǎn)向離中心點最近的方向前進。

這三種法則均可以應(yīng)用在迷宮搜索中，如果迷宮是未知的，任意選擇一種都可以。

3.3 最短路徑計算算法

假如電腦鼠搜索完整個迷宮或者只搜索包含起點與終點的部分迷宮，且記錄了已走過的每個迷宮格的墻壁資料，那么它可以根據(jù)已有信息找出一條從起點到終點的最優(yōu)路徑。

系統(tǒng)利用等高地圖的方法來規(guī)劃最短路徑[7]。首先開辟一塊16x16的二維數(shù)組空間(MapStep [16][16])，其中每一個元素代表迷宮中的一個方格，用以計算后儲存各方格至起點的最短路徑步數(shù)(所謂步數(shù)即為路徑中經(jīng)過的方格數(shù))。

當起點坐標處標識為1時，可以直接達到的相鄰方格均為2，距離越遠的方格等高值依次遞增。通過等高圖可以標出每個迷宮格到起點相等(對等)步數(shù)的關(guān)系，許多封閉路徑的逃脫與沖刺的關(guān)卡都可在制作出等高圖后迎刃而解，使機器人更容易逃脫，少走一些彎路。

4 結(jié)束語

本文基于SolidWorks軟件提出了四輪迷宮機器人的三維建模設(shè)計方法，同時，對系統(tǒng)軟硬件設(shè)計進行了詳細的介紹。使用三維建模的方法對迷宮機器人進行設(shè)計，可以提高設(shè)計效率，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計好的結(jié)構(gòu)部件可直接用3D打印機打印出來。這種方法可以應(yīng)用在對一些產(chǎn)品的前期驗證開發(fā)中。

[1] 周立功.IEEE電腦鼠開發(fā)指南——基于MicroMouse615迷宮智能鼠[Z].廣州:廣州致遠電子有限公司,2008.

[2] 付秀偉,張驊.基于ARM-M3的電腦鼠硬件設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,2012(1):47-49.

[3] 白龍彪.IEEE迷宮電腦鼠的設(shè)計與研究[D].西安:西安科技大學(xué),2014.

[4] 林國恩.電腦鼠的設(shè)計與制作[D].臺北:龍華科技大學(xué), 2010.

[5] 張永智.機械零部件與傳動結(jié)構(gòu)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[6] 趙俊逸,林志賢.在電腦鼠設(shè)計中使用紅外LED管測距的研究[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007(7): 84-85.

[7] 王鳳林,王宜懷.一種電腦鼠走迷宮算法的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件,2010(12):270-272.

(責任編輯：孫文彬)

3D Modeling of the Four-wheel Maze Robot and Its Software and Hardware Designing

JIANG Xue-huan, ZHANG Jin-Liang, WAN Ming, ZHOU Shuang-Fei

(School of Electrical and Information Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan Hubei 442002, China)

The mechanical structure of the maze robot has a great influence on its performance. The 3D modeling for robot body, transmission device and the sensor placement are optimized by Solid Works. In the system circuit design, the system architecture of the circuit, power circuit, infrared sensor circuit, motor drive circuit and gyroscope circuit are detailed designed and described. In the software design, the system software architecture, the path search algorithms and the contour map method of path planning methods are introduced.

four-wheel; maze robot; 3D modeling; contour map

2016-10-19

湖北省重點實驗室開放基金項目(ZDK1201503)；湖北省科技支撐計劃項目(2015BAA049)

江學(xué)煥(1982-)，男，湖北襄陽人，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)、汽車電子的研究。

TP242

A

1009-7961(2017)01-0010-04