侯永超，朱成鎮(zhèn)，吳和平，趙安吉，華鈺清，王永立，魏玉蘭

（湖州師范學院工學院，浙江 湖州 313000）

引言

近年來，智能小車越來越多地被應用于物流、服務、醫(yī)療等領(lǐng)域，但智能小車在中小學生教學上的應用仍較缺乏。中小學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是建設創(chuàng)新型國家最重要的一環(huán)[1]。因此本文設計了一款可以用于競技的智能小車，該智能競技小車充分考慮了中小學生特點，并基于不同競技賽模式，采用模塊化設計方法，便于學生快速設計與搭建，從而激發(fā)學生的創(chuàng)造能力。

1 智能競技小車的整體設計

本文設計的智能競技小車分機械和控制兩部分，在滿足循跡、避障、目標識別、智能控制等功能的前提下，通過模塊化搭建，最大化發(fā)揮智能競技小車在實際教學應用和競技過程中的自主性和創(chuàng)新性。本文設計的智能競技小車總體方案如圖1 所示，整機模型如圖2 所示。

圖1 智能競技小車的總體方案圖

圖2 智能競技小車整體設計

2 智能競技小車的機械部分

智能競技小車的機械部分由驅(qū)動模塊、機械臂升降模塊、機械臂模塊組成。

2.1 驅(qū)動模塊

智能競技小車采用四輪驅(qū)動，使用直流電機加麥克納姆輪。底板充分考慮實際使用需求，從適用性和經(jīng)濟的角度出發(fā)，采用300 mm×300 mm 的亞克力板。智能競技小車底板如圖3 所示。

圖3 智能競技小車底板

2.2 機械臂升降模塊

機械臂升降模塊位于該智能競技小車的中心位置，可有效承受機械臂模塊質(zhì)量，增強小車的穩(wěn)定性。該模塊由底座云臺、滑軌、立柱支撐和舵機組成。舵機通過U 型架、承重架、推桿連接至平伸座，從而利用平伸座在滑軌上的上下移動，實現(xiàn)機械臂模塊的升降。機械臂升降模塊如圖4 所示。

圖4 機械臂升降模塊

2.3 機械臂模塊

考慮到舵機、Open MV 的安裝及合理的布線，機械臂模塊采用多種規(guī)格的框架與多種舵機組合，這樣設計能夠避免其他機械臂復雜臃腫的結(jié)構(gòu)[2]，簡化了運動過程，有效地降低了在后續(xù)舵機控制過程中的故障率，使整個模塊的穩(wěn)定性大大提高。同時充分考慮實際使用過程中拆卸的便捷性，改造提升空間大。機械臂模塊如圖5 所示。

圖5 機械臂模塊

3 智能競技小車的控制系統(tǒng)

本文針對該智能競技小車面向的受眾對象，選擇使用了ArduinoIDE 編程開發(fā)環(huán)境。Arduino 作為一款國外的開源教學硬件項目，近年來在國內(nèi)受到了很多人的追捧，它具有豐富且完全公開的技術(shù)資料、豐富的模塊功能、活躍的社區(qū)等[3]。國內(nèi)創(chuàng)客二次開發(fā)的圖形化編程，使得中小學生在編程時能夠更加容易理解程序和所要實現(xiàn)的功能，輕松實現(xiàn)智能競技小車的程序構(gòu)建。

3.1 智能競技小車循跡避障功能

智能競技小車采用灰度傳感器和超聲測距傳感器實現(xiàn)循跡避障。在競技場地中設置有黑色引導線，小車裝載有8 路灰度傳感器，2 個灰度傳感器分別對稱位于智能小車的兩側(cè)，智能小車則循黑線行進。當灰度傳感器識別到黑色引導線時，灰度傳感器的指示燈關(guān)閉，輸出高電平1，識別到其他顏色時輸出低電平0[4]。8 路灰度傳感器采用串口傳輸數(shù)據(jù)。超聲測距模塊采用HC-SR04。

智能競技小車行進過程中，向外發(fā)射超聲波，超聲波在遇到障礙物后被反射回超聲波接收器，控制系統(tǒng)利用其接受超聲波時間進而經(jīng)過系統(tǒng)分析來判斷距離障礙物的距離[5]。通過提前調(diào)整小車行進方向，實現(xiàn)避障功能。

3.2 智能競技小車目標識別功能

Open MV 是一款應用最廣泛的機器視覺模塊[6]，利用廣角鏡頭使小車的識別范圍更加廣泛。利用顏色和形狀識別算法，將行進過程中收集到的信息通過串口實時傳送到Arduino 控制器上，Arduino 就會根據(jù)Open MV上傳的數(shù)據(jù)作出判斷，進而自動控制智能競技小車。

4 智能競技小車的競技規(guī)則設定

本文設計的智能競技小車可適用于智能小車競速賽、智能小車對抗賽和智能小車組合賽。智能小車競速賽是在競技場地中設置黑色引導線，使智能小車尋黑線行走并完美避開障礙物，先到達目的地者獲勝，智能競技小車對抗賽則可選擇單個智能小車對抗或者智能小車團隊對抗，規(guī)定在競技場地中進行智能小車對抗，先將一方智能小車對抗出競技場地者獲勝。智能小車組合賽則是利用競速賽和對抗賽的規(guī)則，可規(guī)定在循跡避障過程中進行對抗，先一方到達終點者獲勝。

5 結(jié)語

本文針對中小學生教學用競技小車的需求，對智能競技小車的機械和控制部分進行了設計，使該小車具有模塊化程度高、程序編寫簡單、易于搭建的特點。學生根據(jù)對不同模式競技賽所需功能的要求，能夠?qū)χ悄芨偧夹≤囘M行快速改造與編程，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。