李 鋮

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 機(jī)器人總體功能及性能指標(biāo)

機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越火熱，也越來(lái)越流行，它融合了很多交叉學(xué)科知識(shí)，并且大量應(yīng)用于前沿技術(shù)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展機(jī)器人制作比賽以此來(lái)鼓勵(lì)更多高科技人才進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域[1]。目前為止，市面上的機(jī)器人多為固定的，但其范圍與行為受到限制，所以需要更多的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)解決問(wèn)題[2]。探險(xiǎn)機(jī)器人是現(xiàn)在比較火熱的智能機(jī)器人，探險(xiǎn)機(jī)器人能夠探測(cè)險(xiǎn)境，代替人們發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，幫助人們找到合適的路線，使人們盡快到達(dá)想要去的地方。該文結(jié)合中國(guó)機(jī)器人大賽中機(jī)器人旅游——探險(xiǎn)游項(xiàng)目的要求背景，自主研發(fā)出該探險(xiǎn)機(jī)器人小車。

2 總設(shè)計(jì)思路

該智能小車由軟件系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與外觀、電子電路系統(tǒng)、傳感器、動(dòng)力系統(tǒng)這5個(gè)部分組成，如圖1所示。其中，軟件系統(tǒng)控制整個(gè)機(jī)器的運(yùn)行，是該小車的控制核心，它能夠與小車的其他電子元件保持實(shí)時(shí)通信，將程序運(yùn)算的結(jié)果發(fā)送至各個(gè)電子信息元件，實(shí)現(xiàn)小車的各個(gè)部分運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一；該小車的結(jié)構(gòu)與外觀部分是采用亞克力板作為小車的框架；電子電路系統(tǒng)是將各個(gè)電子元件的信號(hào)線與Arduino主板的I/O用杜邦線相連，使Arduino主板與各個(gè)傳感器保持實(shí)時(shí)通信；該小車傳感器部分由8路數(shù)字灰度傳感器、光電避障傳感器、漫反射激光傳感器3個(gè)傳感器構(gòu)成傳感器部分，該部分是該小車的感知器官，他們是使小車實(shí)現(xiàn)循跡，避障的保證，是接受外界信號(hào)的重要組成部分；動(dòng)力系統(tǒng)采用容量為5300mAh，放電倍率為30c，額定電壓為14.8V大容量高倍率電池，并且用一塊LM2596 DC-DC可調(diào)降壓模塊穩(wěn)定輸出一個(gè)12V、一個(gè)5V的電源，12V電源為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電，一個(gè)5V電源為主控板以及各種傳感器供電。以此來(lái)保證小車的各個(gè)部分持續(xù)正常地工作。

圖1 智能小車的總設(shè)計(jì)思路

3 主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)

該文的智能小車采用Arduino Mega 2560最小系統(tǒng)作為該小車軟件系統(tǒng)。Arduino Mega 2560是基于ATmega2560的微控制板，有54路數(shù)字輸入/輸出端口（其中15個(gè)可以作為PWM輸出）、16路模擬輸入端口、4路UART串口、16MHz的晶振、USB連接口、電池接口、ICSP頭和復(fù)位按鈕[3]。簡(jiǎn)單地用USB連接電腦或者用交直流變壓器就能使用[3]。它具有大量的I/O口和較快的處理速度，這也是它比Arduino UNO更加適合該文小車的特性。

3.2 結(jié)構(gòu)和外觀

小車上下板采用亞克力材質(zhì)，利用SolidWorks建模設(shè)計(jì)出合適尺寸，把各個(gè)模塊位置確定下來(lái)，把孔的位置定好，然后出圖，利用高精度激光切割機(jī)把上下底板加工出來(lái)，激光切割的切口光滑、速度快、精度高，能一次成型，很方便，無(wú)須二次加工，節(jié)約了大量的時(shí)間，簡(jiǎn)化工序流程，再配合亞克力板的優(yōu)良激光切割特性，可以快速地從圖樣設(shè)計(jì)到底板制作完成[4]。之后上下板之間用銅質(zhì)六角螺柱支撐固定起來(lái)，整體結(jié)構(gòu)看起來(lái)規(guī)整大氣，各模塊根據(jù)圖紙安裝固定，部分傳感器可根據(jù)使用目的利用3D打印進(jìn)行安裝固定。

3.3 電子電路系統(tǒng)

探險(xiǎn)機(jī)器人主要使用的傳感器有8路數(shù)字灰度傳感器、光電避障傳感器、色標(biāo)漫反射傳感器。這些傳感器的信號(hào)線都連接到Arduino Mega2650的引腳上，電源用DC-DC15A同步整流降壓模塊降壓后連接到這些傳感器的VCC和GND，接線原理如圖2所示，其中TXD為發(fā)射端，RXD為接收端，GND為接地端。電機(jī)部分是用一塊LM2596 DC-DC可調(diào)降壓模塊先降壓，然后連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)上會(huì)有一些排針插口，這些排針插口連接到Arduino Mega 2650的引腳上，這就是該智能小車的電子電路部分。

圖2 通信信號(hào)接線原理

3.4 傳感器系統(tǒng)

探險(xiǎn)機(jī)器人使用了8路數(shù)字灰度傳感器、光電避障傳感器、色標(biāo)漫反射傳感器。

8路數(shù)字灰度傳感器：如圖3所示，用于識(shí)別賽道上白色的引導(dǎo)線，數(shù)字灰度傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)只有0或者1，根據(jù)賽場(chǎng)的環(huán)境不同，筆者需要對(duì)數(shù)字灰度傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而適應(yīng)賽場(chǎng)的環(huán)境，調(diào)節(jié)傳感器就是調(diào)節(jié)它的電壓，數(shù)字灰度傳感器的芯片是電壓比較器，型號(hào)是LM393，它有兩路電壓輸入，一路是光敏電阻的輸出電壓，一路是滑動(dòng)變阻器的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)LM393電壓比較器來(lái)比較這2路電壓，進(jìn)而對(duì)外輸出高低電平。

圖3 8路數(shù)字灰度傳感器

光電避障傳感器又稱紅外避障傳感器，型號(hào)是E18-D80NK，它是1個(gè)集成傳感器，外觀小巧美觀，外殼配有螺紋與螺母，易于安裝固定，它將發(fā)射器接收器處理系統(tǒng)融合在一起，非干擾性，靈敏度高[5]。傳感器前端有1個(gè)過(guò)濾光質(zhì)的玻璃片，它能過(guò)濾發(fā)射的光源，又能過(guò)濾其他光線對(duì)傳感器的干擾。光電避障傳感器檢測(cè)最遠(yuǎn)距離是800mm，傳感器的探測(cè)距離可以根據(jù)使用要求自己調(diào)節(jié)，傳感器探測(cè)距離調(diào)節(jié)方式就是轉(zhuǎn)動(dòng)尾部的滑動(dòng)變阻器。傳感器正常工作電壓是5V，正常工作電流是10mA～15mA，探測(cè)距離的范圍是30 mm～800 mm[6]。

色標(biāo)漫反射傳感器：型號(hào)是E18-F10NK，是一種集發(fā)射與接收于一體的色標(biāo)傳感器，具有距離調(diào)節(jié)旋鈕和工作指示燈，根據(jù)燈的亮與滅來(lái)進(jìn)行顏色的區(qū)分。傳感器正常工作電壓是4.5 V～5.5 V，正常工作電流是10 mA～15 mA，探測(cè)距離的范圍是20 mm～150 mm。

3.5 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖4所示，電源采用3300mAh-4s（14.8V）大容量電池，強(qiáng)勁電力、更大容量、環(huán)保材質(zhì)、待電持久，為小車提供充足的電源，保證其長(zhǎng)久續(xù)航。利用DC-DC15A同步整流降壓模塊輸出一個(gè)12V的電源，利用一塊LM2596 DC-DC可調(diào)降壓模塊穩(wěn)定輸出一個(gè)5V的電源，12 V電源為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電，5V電源為主控板以及各種傳感器供電。

圖4 動(dòng)力系統(tǒng)分壓思路

由直流正科電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用電壓12 V轉(zhuǎn)速為1 000轉(zhuǎn)電機(jī)，雙H橋，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)直流電機(jī)，單路7 A電流，功率大[7]。大扭矩電機(jī)為小車翻越障礙提供充沛動(dòng)力，減速箱采用全金屬齒輪，外殼使用高硬度不銹鋼材質(zhì)，更受外界沖擊，耐磨性高，精確度高，定子采用銅芯線圈繞組，電機(jī)更耐磨損。采用L型電動(dòng)機(jī)臥式安裝座，使電機(jī)穩(wěn)定安全地固定在小車底板上。

4 控制策略

探險(xiǎn)機(jī)器人使用Arduino Mega 2650主控板，其優(yōu)點(diǎn)在于有大量的引腳，基于高性能核心處理器的快速處理速度，可以在程序運(yùn)行時(shí)將各路傳感器收到的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以便在小車行進(jìn)途中對(duì)車身姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。整個(gè)控制系統(tǒng)分為2個(gè)部分，即循跡部分和精準(zhǔn)控制部分，其中循跡部分主要使用8路數(shù)字灰度傳感器，精準(zhǔn)部分主要使用色標(biāo)傳感器。2個(gè)部分相互協(xié)調(diào)來(lái)控制探險(xiǎn)機(jī)器人行為，精確控制部分與循跡部分兩者各有各的觸發(fā)方式及引導(dǎo)，并不會(huì)沖突，是一種相互協(xié)調(diào)的關(guān)系?？刂撇呗栽韴D如圖5所示。

圖5 控制策略原理

循跡部分主要利用灰度傳感器來(lái)進(jìn)行循線。首先筆者需要采集背景色與線路的顏色，背景色為地毯的綠色，線路為白色布基膠帶。筆者采用灰度傳感器的數(shù)字模式，數(shù)字口直接接在I/O口上，設(shè)置這些I/O口為輸入模式，讀取每路傳感器的輸出，數(shù)字口有高電平和低電平2種信號(hào)，由于灰度傳感器可以將收集到的電信號(hào)的模擬值進(jìn)行二值化處理，所以可設(shè)置為，當(dāng)灰度傳感器掃到白線為0，否則為1。這樣可以設(shè)置為當(dāng)小車平穩(wěn)地走在白線正中間時(shí)，4路和5路正好掃到白線，此時(shí)表示二進(jìn)制為11100111，此時(shí)小車全速前進(jìn)。當(dāng)小車向右偏移時(shí)，也就是左側(cè)的1路或2路或3路掃到了白線，此時(shí)表示二進(jìn)制為00111111或10011111或11001111，這時(shí)調(diào)整小車的電機(jī)左邊調(diào)速減慢，右邊增快，使其向左偏轉(zhuǎn)，直至小車車身能夠平穩(wěn)地在白線中間行進(jìn)，此時(shí)繼續(xù)全速前進(jìn)。當(dāng)小車向左偏移時(shí)，也就是右側(cè)的8路或7路或6路掃到了白線，此時(shí)表示二進(jìn)制為11111100或11111001或11110011，這時(shí)調(diào)整小車的電機(jī)右邊調(diào)速減慢，左邊增快，使其向右偏轉(zhuǎn)，直至小車車身能夠平穩(wěn)地在白線中間行進(jìn)[8]。

精準(zhǔn)控制部分主要依靠車身前方兩側(cè)的色標(biāo)漫反射傳感器記錄車身在整個(gè)路線中的位置，并且在到達(dá)控制位時(shí)跳轉(zhuǎn)至指定控制子程序內(nèi)執(zhí)行，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的效果?；谥骺匕鍍?yōu)越的處理速度，在到達(dá)指定識(shí)別位置時(shí)可以實(shí)時(shí)執(zhí)行控制子程序。由于漫反射傳感器極靈敏，在行進(jìn)過(guò)程中難免會(huì)有誤觸的現(xiàn)象發(fā)生，為了避免這一現(xiàn)象，筆者采用了在指定位置觸發(fā)執(zhí)行下一步行為的措施，避免在非控制位時(shí)做出其他動(dòng)作。精準(zhǔn)控制主要分為指定角度轉(zhuǎn)彎、高臺(tái)做指定動(dòng)作、指定位置做無(wú)線區(qū)調(diào)整并開(kāi)啟相應(yīng)傳感器、指定位置停車或掉頭等動(dòng)作。車身經(jīng)過(guò)每個(gè)路口，其前方灰度傳感器全部檢測(cè)不到信號(hào)時(shí)，其進(jìn)入慢速前進(jìn)狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)左右兩側(cè)的色標(biāo)傳感器，當(dāng)收到色標(biāo)傳感器返回的信號(hào)時(shí)，車身按指定角度轉(zhuǎn)彎，無(wú)信號(hào)時(shí)繼續(xù)前進(jìn)，再次有信號(hào)時(shí)做出指定動(dòng)作，直至車身駛出路口時(shí)，灰度傳感器再次接收返回信號(hào)，結(jié)束通過(guò)路口階段。

該車采用的是PWM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即按固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)實(shí)際需要改變固定周期內(nèi)“接通”“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，PWM調(diào)速控制應(yīng)用廣泛，尤其是在直流電機(jī)的調(diào)速上[9]。此外，用單片機(jī)的軟件編程來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)，比用硬件來(lái)產(chǎn)生信號(hào)簡(jiǎn)單得多[9]。只要改變通、斷電的時(shí)間，就能讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。小車的單片機(jī)不停地掃描所有的引腳接口，一旦信號(hào)有變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，此時(shí)通過(guò)循跡部分或者精準(zhǔn)控制部分來(lái)進(jìn)行車身調(diào)整，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電機(jī)從而調(diào)節(jié)車身的姿態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文簡(jiǎn)要地介紹了一種基于Arduino Mega 2560單片機(jī)而設(shè)計(jì)的一款智能循跡小車。該智能小車采用模塊化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，由軟件系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與外觀、電子電路系統(tǒng)、傳感器、動(dòng)力系統(tǒng)這5個(gè)部分組成，使小車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，并由循跡部分和精準(zhǔn)控制部分，兩者相互配合使小車的循跡更加精準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，該智能小車可以實(shí)現(xiàn)自主的循跡功能，并且隨著人工智能的發(fā)展，該智能小車及其系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采摘、抓取、搬運(yùn)等功能。