焦博新 周建民 姚天舜

摘 要：全地形越野機(jī)器人是現(xiàn)今機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的一大分支，涉及“機(jī)”、“電”、“控”相關(guān)學(xué)科知識，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、程序電路的編寫與調(diào)試、自動控制的實(shí)現(xiàn)等，這些因素設(shè)計的好壞關(guān)系到機(jī)器人的移動速度、越障能力等各方面性能。初學(xué)者以及對機(jī)器人有所了解的人們?nèi)绾慰焖賹θ匦螜C(jī)器人設(shè)計進(jìn)行入門，對于風(fēng)靡全國的全地形機(jī)器人大賽的應(yīng)對策略有哪些。本文將進(jìn)行基本論述。

關(guān)鍵詞：Arduino；全地形；機(jī)器人；競賽

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

一、全地形機(jī)器人設(shè)計基礎(chǔ)與零件維護(hù)

全地形機(jī)器人的主要目的是進(jìn)行障礙避讓或翻越。其設(shè)計主要分為底盤設(shè)計、驅(qū)動模塊設(shè)計、程序設(shè)計三大部分。底盤主要分為剛性底盤、主動適應(yīng)性底盤、被動適應(yīng)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(yīng)不同的障礙，剛性底盤通常用于機(jī)器人動力較強(qiáng)時應(yīng)對較低矮的障礙，其牽引力較強(qiáng)但穩(wěn)定性相對其他兩種底盤較差。主動適應(yīng)性底盤通過其他機(jī)械部件的添加以及程序的設(shè)計可以用于多種不同類型的障礙，被動適應(yīng)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(yīng)性底盤。

驅(qū)動模塊設(shè)計以直流電機(jī)和舵機(jī)為主，直流電機(jī)控制容易，舵機(jī)容易提供更大的扭力。相對于不同的障礙應(yīng)選不同的電機(jī)和裝配方式。通常情況下，六電機(jī)、[1]六輪式機(jī)器人具有越障能力高、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)和控制簡單、轉(zhuǎn)向靈活、工作效率高等優(yōu)勢。

程序設(shè)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(jī)、燈、蜂鳴器等）進(jìn)行程序化控制，從而實(shí)現(xiàn)各部分的搭配工作，達(dá)到預(yù)期避障目標(biāo)。通常對于全地形越野競賽，設(shè)計者需要就實(shí)際賽道、障礙設(shè)計獨(dú)有的程序，有時甚至需要設(shè)計一些特殊的程序，例如：現(xiàn)有一條賽道，設(shè)計要求在發(fā)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(huán)中if（t=0）{t++；直行程序}，這樣就可以避免無限循環(huán)三秒直

全地形對于機(jī)器人的磨損和硬件消耗是比較大的，對于零件的保養(yǎng)不可忽略。電機(jī)的接線點(diǎn)要保持緊固狀態(tài)，且電機(jī)的一些部件比如金屬齒輪、焊接點(diǎn)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(jī)實(shí)際電壓的影響，防止電機(jī)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(biāo)、灰度、近紅外等）造成觸碰和摩擦，應(yīng)當(dāng)在傳感器輸入輸出頭進(jìn)行保護(hù)，防止與障礙面產(chǎn)生接觸、摩擦，造成傳感器感應(yīng)誤差增大。

二、全地形機(jī)器人調(diào)試方法

對于一個全地形越野機(jī)器人成品，設(shè)計和選材是最基礎(chǔ)、最簡單的部分，而調(diào)試和后期升級是最主要的部分，通常起到至關(guān)重要的作用。調(diào)試時常會出現(xiàn)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(jī)停轉(zhuǎn)等等問題。解決這些問題時要按照排除方式進(jìn)行，首先發(fā)現(xiàn)問題，其次進(jìn)行各種因素的排除直到徹底解決問題。例如：現(xiàn)小車左邊輪子轉(zhuǎn)而右邊不轉(zhuǎn)，首先重啟電源，然后將拓展板左、右側(cè)電機(jī)輸出插口互換，如果此時原右側(cè)旋轉(zhuǎn)而原左側(cè)不轉(zhuǎn)，可以排除是輸出口問題，然后旋轉(zhuǎn)原左側(cè)一個輪胎，如果原左側(cè)其他輪胎由于電磁感應(yīng)而旋轉(zhuǎn)，可確定兩側(cè)接線均無問題，這時可以擰松電機(jī)長螺絲，因?yàn)殡姍C(jī)長螺絲如果過緊，對電機(jī)齒輪擠壓也會造成其無法旋轉(zhuǎn)。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(jī)器人的后期調(diào)試一定要有耐心，在不斷發(fā)現(xiàn)問題的過程中積累經(jīng)驗(yàn)。同時，分析一個障礙問題不僅要從小車本體出發(fā)，還要注意障礙物本身的性質(zhì)。以經(jīng)典臺階障礙為例：爬越臺階的過程是機(jī)器人連續(xù)翻越障礙的過程，[2]也是全地形機(jī)器人必須完成的較困難的任務(wù)之一，除了機(jī)器人本身功率之外，影響機(jī)器人爬越樓梯的關(guān)鍵因素是力矩的大小和樓梯的具體參數(shù)。這時候如果需要考慮機(jī)器人的重量、重心空間位置、接觸面摩擦系數(shù)、樓梯頂點(diǎn)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(shù)，比如在輪子上加履帶、加螺釘或粘貼PLA、ABS摩擦帶、輪胎內(nèi)胎，如果上臺階依舊費(fèi)力，可以考慮更改車體結(jié)構(gòu)，例如更換為被動適應(yīng)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(cè)裝配的電池、主板等裝置移至小車前側(cè)，或在小車前部適度增加配重，更容易使得小車對遞進(jìn)級臺階接觸面壓力增大，進(jìn)而非垂直向摩擦力增大。

在調(diào)試過程中要尤為注意傳感部分調(diào)試。傳感器的安裝位置和高度都是調(diào)試的主要內(nèi)容，例如：對于帶有循跡功能的全地形機(jī)器人，黑標(biāo)傳感器的識別高度各不相同，要不斷單獨(dú)測試、調(diào)整其高度，直到每個傳感器識別狀態(tài)最佳。對于傳感器的調(diào)試要注意，一旦完成其調(diào)試，就不可再進(jìn)行大范圍改動，因?yàn)槲⑿〉母膭佣伎赡軐?dǎo)致傳感器傳感應(yīng)用失效。

三、全地形越野機(jī)器人競賽策略

如果說全地形機(jī)器人的設(shè)計和調(diào)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(fā)揮以及策略。目前各大全地形越野競賽多以北京機(jī)器時代公司的“探索者”套件為主，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械套件鎂鋁合金強(qiáng)度高、重量輕，且其傳感器傳感靈敏，其主板基于Arduino UNO設(shè)計，容易控制且工作效率高。

競賽中，首先在賽前現(xiàn)場賽道調(diào)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(hù)員提出場地維護(hù)申請。其次要充分利用正式比賽前的現(xiàn)場調(diào)試時間，通常情況下現(xiàn)場調(diào)試時間非常短，這就需要選手發(fā)揮賽前所積累的各種調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，以應(yīng)對不同于以往訓(xùn)練環(huán)境的突發(fā)情況。最后，能否正常發(fā)揮出平時訓(xùn)練水平是至關(guān)重要的，這就需要發(fā)車人良好的心理素質(zhì)，發(fā)車不要偏，不要受環(huán)境和心理影響過大，否則微小的心理波動都會使比賽結(jié)果產(chǎn)生巨大偏差。

四、結(jié)語

全地形越野機(jī)器人的設(shè)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(fā)問題要沉著冷靜，考慮全面，軟硬件兼顧。

參考文獻(xiàn)：

[1]強(qiáng)璐亞，馬帥，等.全地形機(jī)器人小車設(shè)計[J].電子世界，2018，（1）：129-130.

[2]臧勇，葛海浪，陶遷.新型全地形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及越障分析[J].機(jī)電信息，2017，（27）：96-97.