黃淑新，蔡孟凱，楊 智，賀界晴，陳力航，李 旭,2※

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙 410128）

0 引言

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動(dòng)，是為促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開展的一項(xiàng)公益性科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。目的是通過競賽，進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。在第五屆（2016年）競賽中，賽會(huì)在傳統(tǒng)“8字型賽道”和“S型賽道”項(xiàng)目外，增加了重力勢能驅(qū)動(dòng)的自控小車越障競賽。規(guī)則要求小車在由1 kg重錘下降400 mm轉(zhuǎn)化的重力勢能驅(qū)動(dòng)下行進(jìn)，由單片機(jī)系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向，通過機(jī)械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合避開障礙物自動(dòng)行走。賽道為環(huán)形賽道，兩端外緣是曲率半徑為1.2 m的半圓形，整個(gè)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(shè)有高度為80 mm的道牙擋板，賽道上隨機(jī)設(shè)置了多個(gè)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(gè)障礙墻從賽道一側(cè)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(shù)量來綜合比賽成績。

圖1 賽道示意圖Fig.1 Track sketch map

1 小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由車架、動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)五個(gè)部分組成，小車結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。車架用于安裝各個(gè)部件，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由車底板、軸承座、轉(zhuǎn)向支架、傳感器安裝支架、支撐立柱和上托盤組成。動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)用于把重錘的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)所需要能量并將之傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由安裝在主動(dòng)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(xì)繩所組成。重錘在重力的作用下下降時(shí)，置于滑輪上的連接重錘和繞線輪的細(xì)繩會(huì)繃直并拉動(dòng)繞線輪所在的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與傳遞。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、大齒輪和小齒輪組成。傳動(dòng)方式為一級直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為4.8，傳動(dòng)原理圖如圖3所示。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由前輪軸、前輪、前叉和舵盤所組成。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過前叉與轉(zhuǎn)向支架連接，通過舵盤與控制轉(zhuǎn)向的執(zhí)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(zhuǎn)向時(shí)的靈活性，并降低能耗。小車的行進(jìn)機(jī)構(gòu)由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、軸承和法蘭盤組成，行進(jìn)機(jī)構(gòu)為單輪驅(qū)動(dòng)加單向軸承的方式，具體為小車的一個(gè)輪子通過法蘭盤直接和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出軸（從動(dòng)軸）固定，作為主動(dòng)輪；而另一個(gè)輪子則通過軸承和從動(dòng)軸連接，為從動(dòng)輪。小車在自主避障時(shí)，行進(jìn)機(jī)構(gòu)采用此種方式，能夠精簡機(jī)構(gòu)，提高靈活性[3-4]。

圖2 小車結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Dolly structure diagram

圖3 傳動(dòng)原理圖Fig.3 Transmission schematic diagram

2 小車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)小車自主尋跡避障，關(guān)鍵是實(shí)時(shí)采集小車位置信息，調(diào)整小車轉(zhuǎn)向。小車控制系統(tǒng)包括控制單元、信息采集單元、執(zhí)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(gè)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(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The diagram of dolly control system structure

2.1 控制單元

控制單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，用于接收信息采集單元得到的信息并對其進(jìn)行分析處理之后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置動(dòng)作。本設(shè)計(jì)中選用STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片是基于Cortex_M3內(nèi)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(dá)72 MHz，STM32F103C8T6擁有4個(gè)定時(shí)器，支持ADC轉(zhuǎn)換，能夠提供USB、IIC、SPI等通信接口。STM32F103C8T6的資源豐富、性能強(qiáng)大、功耗低、價(jià)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(jìn)過程中，需要實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)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(yīng)用較多的紅外測距傳感器有GP2Y0A02YK0F。上述兩種傳感器都能實(shí)現(xiàn)距離檢測，但是其特點(diǎn)和優(yōu)勢各不相同，兩種傳感器的基本參數(shù)如表1所示。

表1 測距傳感器基本參數(shù)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(qū)小，其缺點(diǎn)是有效檢測角度偏小，只有15°。GP2Y0A02YK0F是一個(gè)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(zhuǎn)換成相應(yīng)的距離信息，GP2Y0A02YK0F采用三角測量方法，具有較高的穩(wěn)定性。但是GP2Y0A02YK0F存在較大的死區(qū)，測量距離也偏短。為了得到較大的測量范圍并避免死區(qū)，小車的距離傳感器采用HC-SR04。其實(shí)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(gè)發(fā)射管和一個(gè)接收管組成，當(dāng)接收管能夠接收到發(fā)射管發(fā)出的光時(shí)，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(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)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(shí)間光電傳感器輸出電平變化的次數(shù)，就可以得到小車運(yùn)行的速度。

在正常生長條件下，外界環(huán)境的滲透勢大于植物根系細(xì)胞的滲透勢，因而植物根系可以從外界環(huán)境中吸取水分，以維持正常生命活動(dòng)的水分供應(yīng)；但外界高濃度的鹽分會(huì)導(dǎo)致水勢下降，使得外界環(huán)境的滲透勢小于植物根系的滲透勢，這時(shí)植物根系無法吸收水分，從而引起水分的虧缺，長時(shí)間的滲透缺水會(huì)導(dǎo)致植物枯萎甚至死亡［5］。研究表明，當(dāng)冰葉日中花處于0.8 mol／L的NaCl溶液時(shí)，植株出現(xiàn)嚴(yán)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(zhì)量顯著高于未經(jīng)NaCl處理的幼苗［6］。因此，低鹽環(huán)境在一定程度上可以促進(jìn)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(shè)計(jì)采用電子陀螺儀采集小車行進(jìn)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(tài)解算，可用IIC傳輸數(shù)據(jù)，方便快捷。

2.3 執(zhí)行單元

本設(shè)計(jì)中執(zhí)行單元主要功能是控制小車轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向可以通過步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，從結(jié)構(gòu)簡單易于控制的角度出發(fā)，執(zhí)行單元選擇舵機(jī)。

2.4 電源單元

比賽要求只能由若干節(jié)堿性五號電池為小車控制系統(tǒng)提供所需要的電能。小車控制系統(tǒng)的各個(gè)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(wěn)定電壓，舵機(jī)和HCSR04需要5 V穩(wěn)定電壓。小車電源單元采用三節(jié)五號堿性電池串聯(lián)分兩路給各器件供電。一路采用MAX866和MAX1771所構(gòu)成的升壓拓?fù)鋵㈦姵仉妷荷秊? V[6]，給舵機(jī)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(tǒng)電路原理圖

小車控制系統(tǒng)原理圖如圖7所示。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)方案分析

根據(jù)小車檢測出障礙后的行走路線不同，設(shè)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(jìn)軌跡如圖中紅線所示（Rabcd），小車沿著賽道邊緣前進(jìn)，在發(fā)現(xiàn)障礙物之后轉(zhuǎn)彎直行，避開障礙物后再繼續(xù)沿著賽道前進(jìn)。小車的正前方、左邊和右邊各安裝一個(gè)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(jù)HC-SR04所采集的y1、x1、x2來做出分析判斷。

圖7 小車控制系統(tǒng)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(lán)線（Rhijkm）所示，未發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)小車直行，在發(fā)現(xiàn)障礙物之后小車朝著缺口方向前行，越過障礙后再繼續(xù)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(gè)超聲波傳感器HC?SR04，利用MPU6050得到的角度變化值α，再結(jié)合一定的機(jī)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(jù)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(jù)y2、x3、x4可以計(jì)算出小車和缺口之間的角度 β。當(dāng)小車檢測出障礙物時(shí)位于賽道左邊，則當(dāng)小車檢測出障礙物時(shí)位于賽道右邊，則據(jù)y2、x3、x4、α、 β等信息，小車可實(shí)現(xiàn)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(yàn)測試

3.2.1 循邊避障的試驗(yàn)測試

小車沿著賽道的邊緣行進(jìn)，根據(jù)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(dāng)y1小于某一具體值（設(shè)此值為miny1）時(shí)，則認(rèn)為小車前方有障礙物，需立即轉(zhuǎn)彎。根據(jù)小車左邊和右邊距賽道邊緣的距離x1、x2來判斷向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)。在程序設(shè)計(jì)上，總是可以通過設(shè)置合適的miny1，使得小車在經(jīng)過障礙區(qū)時(shí)有如下關(guān)系：若x1大于x2則向左轉(zhuǎn)，若x1小于x2則向右轉(zhuǎn)。如圖9：小車從賽道右側(cè)出發(fā)，直行至a點(diǎn)后，y1小于miny1且x1大于x2，小車迅速左轉(zhuǎn)后直行，當(dāng)小車到達(dá)b點(diǎn)后，y1小于miny1且x2大于x1，小車右轉(zhuǎn)后繼續(xù)直行。按此步驟，小車逐一通過c，d，e，f點(diǎn)，越過障礙區(qū)。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(yàn)時(shí)采用四個(gè)規(guī)格為20 mm×80 mm×700 mm的障礙物交錯(cuò)等距布置，每兩個(gè)障礙物之間相距1 200 mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)在此條件下取miny1=150 mm，能實(shí)現(xiàn)按圖8所示的避障礙過程。

3.2.2 直接避障的試驗(yàn)測試

小車從賽道的一側(cè)特定區(qū)域內(nèi)（如圖9所示的綠線和賽道之間的區(qū)域）出發(fā)，未發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)直行，當(dāng)y2小于某一特定值miny2時(shí)，認(rèn)為小車前方發(fā)現(xiàn)障礙物，需要開始調(diào)整小車前進(jìn)方向。當(dāng)小車發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)，根據(jù)x3和x4的值大小情況來決定轉(zhuǎn)彎方向和避障是否完成。當(dāng) y2小于miny2時(shí)，若x3小于minx3（如圖9，小車處于左側(cè)綠線至賽道邊緣處的區(qū)域內(nèi)）則判定小車在賽道左側(cè)，需向賽道右側(cè)缺口處行進(jìn)，當(dāng)x4小于minx4時(shí)完成避障；若x4小于minx4時(shí)（如圖9，小車處于右側(cè)綠線至賽道邊緣處的區(qū)域內(nèi)）則判定小車在賽道右側(cè)，需向賽道左側(cè)缺口處行進(jìn)，當(dāng)x3小于minx3時(shí)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(cè)發(fā)車，未發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)直行，此時(shí)車身偏角α為零，當(dāng)行至h點(diǎn)處時(shí)，有y2小于miny2且x4小于minx4。此時(shí)小車位于右側(cè)，須向左偏 β的缺口處行進(jìn)，若此時(shí)的車身和原來起始時(shí)偏角為α，則小車需要調(diào)整（α-β） °。當(dāng)行進(jìn)至i點(diǎn)后，有x3小于minx3此時(shí)避障完成。小車按此步驟逐一通過j，k，m，n點(diǎn)，越過障礙區(qū)。

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

試驗(yàn)時(shí)采用四個(gè)規(guī)格為20 mm×80 mm×700 mm的障礙物交錯(cuò)等距布置，每兩個(gè)障礙物之間相距1 200 mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)在此條件下取miny2=1 200 mm， minx3=300 mm， minx4=300 mm，能實(shí)現(xiàn)按圖9所示的避障礙過程。

通過試驗(yàn)對比，直接過障這一方案的能量利用率高，行走的距離要遠(yuǎn)些。采取直接避障這一方案的小車能較好地實(shí)現(xiàn)在放置有六個(gè)障礙物的賽道上，成功避開所有障礙繞賽道一圈（即行進(jìn)30 m）。且針對直接過障多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：小車在下坡時(shí)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(fèi)，小車的在運(yùn)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(xiàn)象，可以考慮在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上增加類似于汽車離合器的結(jié)構(gòu)，提高能量利用效率，有望實(shí)現(xiàn)45 m的行走距離。

4 結(jié)論

根據(jù)全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的要求，設(shè)計(jì)制作了無碳小車的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制；結(jié)合循邊避障和直接避障兩種路徑規(guī)劃進(jìn)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(yuǎn)。該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)際比賽時(shí)小車成功避障行進(jìn)30 m，表現(xiàn)優(yōu)異。

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