程苡凡，劉文飛，白煥鑫

（臺州學院 航空工程學院，浙江 臺州 318000）

在智能化技術(shù)不斷發(fā)展的年代，智能化是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的趨勢，智能尋寶旅游小車可以代替人力穿越險境、去指定的寶物所在地點勘測、尋寶，同時也可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域，具有極高的研究價值。2020 年浙江省第五屆大學生機器人競賽要求，設(shè)計并制作一輛在規(guī)定時間內(nèi)，穿越險境、去隨機指定的寶物所在景點尋寶，同時游歷盡量多的景點，通過識別景點圖像到達指定景點，同時兼具爬坡、避障、跨越門檻、識別及定位、快速和穩(wěn)定完成規(guī)劃路線的能力的尋寶旅游機器人小車。

1 總體方案設(shè)計

浙江省大學生機器人競賽要求設(shè)計的智能機器人小車需具有自動定位、尋跡、避障、跨越門檻、上坡和下坡、路徑規(guī)劃、讀取識別圖像及形狀以及作出指定動作等功能，根據(jù)此要求，對機器人小車各功能模塊進行自主設(shè)計。材料主要采用2 mm 的鋁板，主體結(jié)構(gòu)大致分為4層：底板、主控板、驅(qū)動板和樹莓派。電源為24 V 的航模電池，通過19 V 穩(wěn)壓模塊給電機供電以及5 V 降壓模塊給樹莓派供電。主控芯片為STM32F103ZET6，圖像識別采用樹莓派+OpenCV+200 萬像素攝像頭。動力方面采用24V900 轉(zhuǎn)直流電機（100 kg·cm）+2 路大功率，輪胎為直徑、摩擦力較大的駝峰胎。尋跡方面則依靠12 路數(shù)字灰度傳感器。為了保持機器人小車與場地之間的距離加了合頁和輔助輪，并用6 個光電傳感器來確定車身位置和彎道位置。再用3 個舵機充當頭和手臂，方便完成指定動作?？傮w方案如圖1 所示。

圖1 總體方案圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊設(shè)計

主控芯片上選擇了STM32F103ZET6，引出了TIM3 的4 個通道輸出PWM 波形用來控制電機驅(qū)動。帶有兩路的編碼器正交解碼輸入接口，采集編碼器發(fā)送回來的數(shù)據(jù)。引出串口，連接樹莓派，在調(diào)試過程中發(fā)送數(shù)據(jù)給電腦串口，方便調(diào)試及數(shù)據(jù)監(jiān)控。外接了TIM5 的3 個通道用來控制舵機，以及6 個光電開關(guān)的引腳滿足路口的線路檢測和外部需求。

2.2 電源模塊設(shè)計

該機器人小車以24 V 航模電池為電源，利用穩(wěn)壓器將24 V 電壓穩(wěn)定在19 V 后，分別并聯(lián)電機驅(qū)動、PCB 控制板用作供電，其中的PCB 板通過LM2596S 模塊將輸入的電壓降至5 V 后再給電路板上的其他模塊供電。

2.3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

在電機驅(qū)動方面，機器人小車采用四個直流電機實現(xiàn)移動的功能，其中，電機的型號為24V900 轉(zhuǎn)直流電機（100 kg·cm）+2 路大功率，重量172 g，額定參數(shù)24 V，最大扭矩100 kg·cm，通過調(diào)節(jié)PWM 占空比來實現(xiàn)對于轉(zhuǎn)速的控制，進而通過給定兩側(cè)輪間差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、掉頭功能。同時，電機驅(qū)動又采用了大功率的隔離電機驅(qū)動模塊，以至電機可以頻繁正反轉(zhuǎn)而不損壞驅(qū)動，且使用簡便，僅僅需要將電機正負線連接到驅(qū)動，驅(qū)動IN1-IN4 再分別連接STM32F103ZET6 的PWM 輸出IO 口就可以實現(xiàn)PWM 信號控制。

2.4 尋跡模塊設(shè)計

機器人小車的尋跡主要是根據(jù)地圖中分布的白線移動的，在一些特定的位置根據(jù)邏輯判斷實現(xiàn)定位停車。

本機器人小車尋跡主要分為兩部分，第一部分是白線位于小車中間的尋跡，主要利用到了12 路灰度尋跡模塊。該尋跡模塊靈敏度較高，一般光源無法影響，只要有顏色差即可，比普通紅外傳感器抗干擾能力要強得多?；叶葌鞲衅魃系?2 盞高亮白色聚光LED 燈通電后發(fā)射光照射到地面上，經(jīng)過不同地面的反射后，其中的光敏電阻會根據(jù)返回光強來改變電阻大小。因為地圖的顏色不同，調(diào)節(jié)灰度傳感器的靈敏度后可實現(xiàn)在白線上返回高電平，綠色區(qū)域返回低電平，STM32會根據(jù)返回的高低不同電平來改變電機的轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)尋跡功能。第二部分是兩條紅線位于小車兩側(cè)，小車位于兩條紅線之間的尋跡，利用左右兩側(cè)的光電傳感器實時檢測小車相對于紅線的位置，光電傳感器的原理類似于灰度傳感器，一旦檢測到小車位于紅線邊緣，STM32 也會根據(jù)返回的高低電平來改變兩側(cè)輪間差數(shù)，從而實現(xiàn)路徑糾正，實現(xiàn)走中間尋跡功能，使其能夠解決小車在通過獨木橋、蹺蹺板以及斜坡、上下坡等的路徑糾正問題。

2.5 樹莓派模塊設(shè)計

樹莓派4B 是一款以Cortex-A72 為架構(gòu)的微型嵌入式計算機，具有強大的運算性能。此外，它的體積十分小巧，尺寸僅為88 mm×58 mm×19.5 mm 大小，非常適合小型便攜式智能終端設(shè)備。并且處理數(shù)據(jù)效率高，不易出錯，滿足我們對圖像識別的要求，因此我們選擇用它安裝python-opencv 并搭載200 萬像素攝像頭實現(xiàn)各個景點圖像的讀取，圖像形狀的識別。

2.6 舵機模塊設(shè)計

由于機械手臂和頭部的所需動作簡潔且快速，因此我們選擇MG90S 模擬舵機，舵機型號為尺寸22.8 mm×12.2 mm×28.5 mm，重量13.6 g，轉(zhuǎn)動角度180°，死區(qū)設(shè)定5 μm，工作電壓4.8～6 V。它兼?zhèn)浯笈ち?、?nèi)阻小、反應(yīng)快、角度準確等特點。工作過程中，PCB 控制板通過降壓后的5 V 供電，與STM32 串口通信，小車到指定位置后單片機發(fā)送訊號給舵機，從而達到控制機械手臂和頭部執(zhí)行指定動作的效果。

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人小車機械結(jié)構(gòu)分為底板設(shè)計、輔助輪支架設(shè)計以及人形支架設(shè)計三部分。

底板設(shè)計整體采用了矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計，在底板的中間兩端各伸出一個流線型接口，符合空氣動力學。在減小氣流阻力的同時，又為光電傳感器提供了安插口。底板正前端彎折出一對直角臺階，降低整體車型的重心以及輔助輪支架到車身的高度；連接輔助輪支架的合頁安置在底板上，控制支架角度并始終與地面接觸，增強循跡穩(wěn)定性、可靠性。底板四周鏤空若干孔位，為整車的排線留有余地，增加容錯、減小底板重量。

輔助輪支架設(shè)計在輔助輪支架上裝載的傳感器有兩個光電開關(guān)，12 路灰度傳感器和兩個輔助輪，采用合頁與小車底板相連，通過旋轉(zhuǎn)副實現(xiàn)兩個輔助輪的上下擺動，按提前設(shè)置的高度貼合地面，以確保灰度傳感器的正常工作，保證小車正常循跡，同時輔助輪靈活的上下擺動解決了小車過減速板的難題；裝載在灰度傳感器兩側(cè)的光電用于過獨木橋、蹺蹺板和黑色斜坡的尋跡，尋跡支架的設(shè)計給這兩個傳感器的安裝提供了一個高效發(fā)揮作用的位置。

人形支架裝在主控板兩端，多個光電開關(guān)安裝在車身四周，適用于賽道需求。

4 軟件設(shè)計

4.1 電機控制單元

電機控制單元采用了STM32 的TIM3 定時器PWM 輸出功能實現(xiàn)控制4 個直流電機，單片機內(nèi)部進行PID 算法的運算，得到輸出所需要的速度，PWM 的波形采用了10 kHz 的頻率，通過調(diào)節(jié)占空比來控制輸出的PWM 波，從而控制電機的速度，這種調(diào)節(jié)占空比的方式雖然可以滿足基本的電機控制，但是由于存在電壓和實際路況等不穩(wěn)定因素的影響，電機的速度會莫名地發(fā)生變化。因為存在穩(wěn)定控制電機速度的難題，我們采用了增量式PID 控制算法，增量式PID 控制算法相比較于位置式PID 算法，增量式算法不需要進行累加計算，控制量的增量僅僅和最近幾次的偏差值有關(guān)，計算誤差對控制量的計算影響比較小。而位置式算法要用到過去的偏差值的累加值，易產(chǎn)生較大的累加誤差。因此，每當執(zhí)行機構(gòu)需要控制量的時候，可以使用增量式PID 控制算法進行控制?？刂破鞑皇翘峁┪恢昧康慕^對數(shù)值，而是增量。為了改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標，可以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp、積分時間Ti、微分時間Td 和采樣周期Ts 的具體數(shù)值來完成控制器參數(shù)整定，使其特性和過程特性相匹配，取得最佳的控制效果。PID 計算公式如下所示。

對PID 參數(shù)進行整定后，可以得到不同的速度控制曲線。不限幅速度控制曲線（圖2）的控制精度雖然已經(jīng)足夠高，但偶爾會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，PID 的超調(diào)量主要在第一個波形中起作用，即由低速突然加速到高速的過程中會出現(xiàn)很大的超調(diào)，不能達到預(yù)想的加速效果，超調(diào)反映的是控制系統(tǒng)在達到穩(wěn)態(tài)前控制作用最糟糕的結(jié)果。我們希望超調(diào)越小越好；超調(diào)越小，穩(wěn)態(tài)時間越長。在調(diào)試的過程中，加速的時候如果加速度過快，就會發(fā)生前輪上翹，同樣在剎車時會出現(xiàn)后輪上翹。要使在保證速度的前提下，又能解決問題，我們多次嘗試并發(fā)現(xiàn)了在保持KP 不變的情況下增大KD 值去抑制過調(diào)量同時對每次增量進行限幅，這樣既能達到一定的平緩速度，又能保證每次增加的速度穩(wěn)定。但如果把KP 調(diào)小去解決加減速過快的問題，就會發(fā)現(xiàn)響應(yīng)速度又受到嚴重的影響。限幅代碼如下：

圖2 不限幅速度控制曲線

限幅后的速度控制曲線（圖3）十分平穩(wěn)，又能夠響應(yīng)速度，完全足夠達到理想的控制效果。

圖3 限幅后速度控制曲線

4.2 圖像及形狀識別單元

對于圖像信息的采集和處理，識別單元采用了樹莓派4B+OpenCV+200 萬像素攝像頭，首先，將比賽的圖片特征數(shù)據(jù)提取出來，建立模型，命名為對應(yīng)景點的編號，保存到樹莓派內(nèi)的一個文件夾，即進行圖像的預(yù)處理。然后單片機發(fā)送“拍照”信號給樹莓派，啟動攝像頭開始拍照，接著使用SIFT 算法檢測圖像的關(guān)鍵點和描述符，并與比賽圖片對比、匹配特征點，計算統(tǒng)計相匹配的特征點個數(shù)，輸出匹配數(shù)目最多的圖片所對應(yīng)的景點編號，轉(zhuǎn)化為字符串后發(fā)送給單片機，單片機內(nèi)通過串口中斷，如果接收到內(nèi)容，判斷是否為圖像內(nèi)容，若是，則讓任務(wù)顯示裝置逐位顯示。為了防止小車未到景點而已經(jīng)識別到圖像，只有在到達景點平臺時，樹莓派內(nèi)程序才會自運行控制攝像頭開啟。

4.3 尋跡單元

4.3.1 白線尋跡

白線尋跡使用的是12 路灰度尋跡模塊，由于定時器的中斷函數(shù)的存在，傳感器每隔5 mm 檢測當前小車相對于白線的位置，并以高低電平信號反饋回STM32，同時在尋跡的程序中使用了PID 閉環(huán)控制，為了防止小車在偏離直線后，還能夠迅速、準確地返回原來的路徑。12 路灰度尋跡部分程序，尋跡位置式PID控制的部分程序如下所示。

4.3.2 兩側(cè)紅線糾正路線

兩側(cè)紅線糾正路線是通過檢測安裝在小車四周的光電傳感器，當檢測到小車邊緣靠近紅線時，STM32 給定小車的左右輪子一定的差速，使其實現(xiàn)路徑糾正。

5 機器人小車實物圖（圖4）

圖4 機器人小車實物圖

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并制作了一輛智能尋寶旅游機器人小車，包含實現(xiàn)尋跡模塊、電機驅(qū)動、樹莓派的圖像與形狀識別、姿態(tài)傳感器、舵機控制等功能的軟硬件設(shè)計、小車的電機控制以及尋跡功能都加入了PID 閉環(huán)控制，在能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的移動控制的同時，穩(wěn)定、快速地完成在規(guī)定時間內(nèi)穿越險境、去隨機指定的寶物所在景點尋寶，并游歷盡量多的景點的任務(wù)。