南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院 強璐亞 馬 帥 陸袁博 王皖君

1 引言

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

全地形機器人采用六輪懸掛式車身結(jié)構(gòu)，將車身分成兩段，以前四輪為整體，后兩輪懸掛，車身兩部用套筒連接。機器人利用加寬并附有螺帽的車輪，配合獨立供電的四臺直流電機、兩臺360°旋轉(zhuǎn)的圓周舵機，其攀爬和穩(wěn)定性顯著提高。機器人核心控制器采用探索者創(chuàng)新平臺的BigFish主控板，它能夠連接多種傳感器，使得機器人能夠高效的采集處理外部信息。為保證機器人平穩(wěn)尋跡和正確轉(zhuǎn)彎，機器人配置兩個灰度傳感器和一個近紅外傳感器；為提高機器人在彎道中行駛速度，除配備轉(zhuǎn)向輪外，機器人前兩輪加載兩個標(biāo)準(zhǔn)舵機，輔助機器人在彎道中調(diào)整轉(zhuǎn)彎半徑，機器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全地形機器人總體結(jié)構(gòu)

圖1中機器人小車采用懸掛式結(jié)構(gòu)防止車輛的傾覆同時提高車輛的攀爬能力，混合驅(qū)動保證機器人的動力，能夠平穩(wěn)快速的通過各個障礙；六輪式機器人具有越障能力高、承載能力強、結(jié)構(gòu)和控制簡單、轉(zhuǎn)向靈活、工作效率高等優(yōu)勢[2]。加寬的車輪可以降低機器人輪對地面接觸面的壓力，起到防陷效果；設(shè)計限位轉(zhuǎn)向裝置，避免機器人軸距過長導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑過大的缺陷。六輪懸掛式車身設(shè)計成后兩輪懸掛，前四輪一體使得機器人可以平穩(wěn)攀爬高矮坡、快

機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作原理是通過灰度傳感器和近紅外傳感器獲取外界環(huán)境信息，然后主控板處理、加工，讓其循著黑線依次通過窄橋、U形管、樓梯、柵格等地形。主控板采集處理灰度傳感器反饋的信號，并利用程序控制轉(zhuǎn)向舵機，使機器人能夠不斷調(diào)整方向，實現(xiàn)尋跡行駛。近紅外傳感器用來輔助機器人在U形管中調(diào)整適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)彎半徑，提高機器人在彎道中行駛速度，減少在轉(zhuǎn)彎過程中的因碰撞導(dǎo)致的動能損失。

機器人的驅(qū)動由四個直流電機和兩個圓周舵機相互配合實現(xiàn)。當(dāng)機器人在爬坡過樓梯時懸掛式車身能夠保證至少四個輪子著地，保證機器人通過率，微控制器對傳感器采集的信息進(jìn)行處理后，對轉(zhuǎn)向和行駛驅(qū)動機構(gòu)實時控制，保證機器人平穩(wěn)行駛。

圖2 全地形機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計

控制軟件是整個機器人小車的核心，實現(xiàn)尋跡、轉(zhuǎn)向、行駛等控制功能。主控制板上電后首先給各個模塊初始化，并使得轉(zhuǎn)向舵機處于中位，直流電機啟動，圓周舵機開始工作保證機器人能夠直線行駛。在系統(tǒng)定時器的作用下以10Hz的頻率傳感器讀取尋跡和外界信息，并以TTL電平的形式傳遞給主控制器[3]?；叶葌鞲衅鳈z測到黑線時或者近紅外傳感器檢測到進(jìn)入管道時，立刻產(chǎn)生一個低電平信號傳遞給主控制器，主控制器綜合傳感器信息產(chǎn)生執(zhí)行機構(gòu)的控制信號，系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制軟件流程圖

3.1 傳感器信號處理模塊

灰度傳感器可以識別白色背景中的黑色區(qū)域或懸崖邊緣，并將識別信號處理傳送給控制器實現(xiàn)尋跡行進(jìn)的功能，灰度傳感器可以提供穩(wěn)定的輸出信號，使得尋跡更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，它的有效距離在0.7cm～3cm之間；工作電壓為4.7～5.5V。近紅外傳感器可以發(fā)射并接收反射的近紅外信號，它的有效檢測范圍在20cm以內(nèi)，工作電壓 4.7V～5.5V，頻率38KHz?；叶葌鞲衅髯詣尤印⒆詣佑嬎慊叶绕骄?，而當(dāng)前灰度值與灰度平均值進(jìn)行比較，輸出控制信號，機器人在循跡前進(jìn)時，依靠控制信號自動進(jìn)行換向，實現(xiàn)自主控制，使得機器人能夠更精確地循跡前進(jìn)，調(diào)節(jié)簡單[4]。

3.2 舵機驅(qū)動輪控制

圓周舵機的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向采用PWM控制方式，脈沖周期為20ms，脈寬為500-1500us時正轉(zhuǎn)，值越小，旋轉(zhuǎn)速度越快；脈寬為1500-2500us反轉(zhuǎn)，值越大，旋轉(zhuǎn)速度越快。脈寬為1500us停止，轉(zhuǎn)向舵機的旋轉(zhuǎn)角度，采用PWM控制方式，脈沖周期為20ms，脈沖寬度500-2500us對應(yīng)控制舵機轉(zhuǎn)動0-180度。機器人動力舵機機構(gòu)由兩個圓周舵機構(gòu)成，圓周舵機的+5V和GND分別接在控制板自帶的舵機驅(qū)動口上，信號線與控制口D7、D8相連，主控制器接收傳感器數(shù)據(jù)后，經(jīng)過判斷，產(chǎn)生指令，使得機器人加速或減速。機器人的轉(zhuǎn)向舵機的信號線與主控板的D11、D12輸出口相連。主控板產(chǎn)生左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)指令后，轉(zhuǎn)向舵機得到一個占空比固定的PWM電信號，轉(zhuǎn)向舵機動作，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。

4 結(jié)束語

機器人參考月球車和全地形四驅(qū)車設(shè)計而成，懸掛式車身和混合式驅(qū)動提高了機器人對整體賽道的通過性，并能夠從容應(yīng)對各類復(fù)雜地形，更好的適應(yīng)環(huán)境。機器人能夠適用于不同的工作環(huán)境中，為進(jìn)一步的全地形賽車的設(shè)計和創(chuàng)新提供了很好的思路，具有一定的實際應(yīng)用價值。

[1]張韜懿,王田苗,吳耀,等.全地形無人車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機器人,2013,35(6):657- 664.

[2]王福德.一種新型六輪全地形移動機器人的設(shè)計與研究[D].沈陽理工大學(xué),2012.

[3]楊俊駒,睿,王振華,等.輪式移動機器人運動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(2):22-27.

[4]楊小莉,謝欽福.一種灰度傳感器及一種基于灰度傳感器的循跡控制方法,CN 103970136 B[P].2017.